CN113518741B - 基于预览信息来控制车辆的速度和前进方向的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于控制车辆的速度和前进方向的系统和方法，该系统和方法包括处理器、与该处理器通信的转向控制器以及与该处理器通信的速率控制器。该转向控制器被布置在车辆内并被配置为控制车辆的转向角度。该速率控制器被布置在该车辆内并被配置为控制该车辆的速度。该处理器被配置为接收控制命令阵列，该控制命令阵列包括针对当前时间和预览时间的车辆的转向角度位置和速度，并且基于针对当前时间和预览时间两者的该车辆的转向角度位置和速度来生成用于指示该转向控制器和该速率控制器的控制请求。

Description

基于预览信息来控制车辆的速度和前进方向的系统和方法

相关申请的交叉引用

本PCT申请根据35U.S.C.§119的规定，要求2019年3月22日提交的美国专利申请号16/362,142的优先权，其内容全文以引用方式并入本文。

背景技术

1.技术领域

本发明整体涉及用于控制机动车辆的速度和前进方向的系统和方法。

2.相关领域

关于自主或半自主车辆(高度自主)，用于这些类型的车辆的控制系统通常分为两个子模块。第一子模块通常执行运动规划，并且第二子模块通常执行车辆动态控制。该运动规划子模块负责生成车辆在复杂环境中用于操纵的轨迹。为了有效地生成该轨迹，该运动规划子模块通常采用简化的车辆模型。该简化的车辆模型可以是运动学模型。

该车辆动态控制子模块负责跟踪来自该运动规划子模块的轨迹，从而考虑更复杂的车辆动态行为。这种复杂的车辆动态行为可具有非线性和模型不确定性等等。由于运动规划子模块所利用的简化车辆模型与动态假设之间的不一致性，因此可能存在对具有平稳且可靠的性能的挑战。

例如，自主车辆的乘客通常优选的是自主车辆自行驾驶使得车辆的运动平稳且流畅。因此，对车辆的转向和速率的控制必须使得车辆的转向(前进方向)或速率(速度)的任何改变自然且流畅地进行。

发明内容

根据本发明的用于控制车辆的速度和前进方向的系统和方法包括处理器、与处理器通信的转向控制器、以及与处理器通信的速率控制器。该转向控制器被布置在车辆内并被配置为控制车辆的转向角度。该速率控制器被布置在所述车辆内并被配置为控制该车辆的速度。该处理器被配置为接收控制命令阵列，该控制命令阵列包括针对当前时间和预览时间的车辆的转向角度位置和速度，并且基于针对当前时间和预览时间两者的该车辆的转向角度位置和速度来生成用于指示该转向控制器和该速率控制器的控制请求。

在参考附加于本说明书中并构成本说明书的一部分的附图和权利要求书查看以下描述后，本发明的其他目的、特征和优点对本领域的技术人员将变得显而易见。

附图说明

图1示出了具有用于控制车辆的速度和前进方向的系统的该车辆的框图；

图2示出转向控制系统的框图；

图3示出了节气门控制系统和制动器控制系统的框图；

图4示出了用于控制车辆的速度和前进方向的方法；以及

图5示出了用于使用预览信息确定沿车辆的前进方向的速度的图形表示。

具体实施方式

参考图1，示出了机动车辆100。应当理解，车辆100可以是能够将人或物品从一个点运输到另一个点的任何类型的车辆。因此，车辆可以是小汽车、卡车、商用车辆、牵引车拖车、农用牵引车、采矿车辆等。同样，车辆100可以是任何类型的车辆，只要其能够将人或物品从一个位置运输到另一个位置即可。

这里，车辆100包括处理器102。该处理器102可以是单个处理器，或者可以是协同工作的多个处理器。一般来讲，处理器被布置在车辆100的内部内。该处理器102可单独地连接到存储器设备103或可结合存储器设备103。在本文，存储器设备103被示出为集成在处理器102内，但应当理解，存储器设备103可与处理器102分开。该存储器设备103可以是能够存储数字信息的任何类型的存储器设备。因此，存储器设备103可以是固态存储器设备、光学存储器设备、磁存储器设备等。该存储器设备可包括指令105和/或其他数据，诸如查找表。就指令而言，指令可包括用于执行本说明书中公开的方法中的任一种方法的可执行代码。

处理器102可连接到用于感测车辆的不同物理参数的多个不同传感器。例如，处理器102可与速度传感器104通信。该速度传感器104可以是安装和布置在车辆100内的车轮速率传感器，以便能够确定车辆的至少一个道路行进车轮106的车轮速率。当然，应当理解，车辆100可具有用于车轮中的每个车轮的多个车轮速率传感器。

另外，车辆100可包括加速度计108，该加速度计也与处理器102通信。加速度计108能够确定车辆100的加速度并且安装在车辆中以完成该任务。加速度计108可测量多个方向中的任何一个方向的加速度，包括纵向加速度、侧向加速度和/或横向加速度。该车辆100还可包括方向盘角度传感器110，该方向盘角度传感器被配置为确定车辆100的方向盘角度。

处理器102可以连接到能够控制车辆100的多个不同车辆系统。例如，处理器102可与转向控制系统112通信。该转向控制系统112可以连接到转向系统，该转向系统基于来自处理器102的指令来基本上控制车辆100的转向。

处理器102还可与节气门控制系统114通信。该节气门控制系统114被配置为控制车辆的发动机的节气门位置。当车辆的发动机的节气门位置改变时，可以指示车辆来改变速率。

处理器102还可与制动器控制系统116通信，该制动器控制系统被配置用于控制车辆的制动器。车辆的制动器允许车辆减速和/或保持在停止位置。制动器控制系统116从处理器102接收指令并且能够致动车辆制动器，以便减慢车辆100或使其保持在停止位置。应当理解，制动器控制系统116中的节气门控制系统114可结合在单个控制单元内。这可能是因为控制车辆的制动器和/或节气门的能力都与控制车辆的速度相关。

处理器102还可与自主车辆控制系统120通信，该自主车辆控制系统向处理器提供指令以将这些指令中继到车辆控制系统中的任何一个车辆控制系统，诸如转向控制系统112、节气门控制系统114和/或制动控制系统116。例如，自主车辆控制系统120可以向处理器102提供指令以加速车辆、减慢车辆、应用制动器以及其他命令。这些命令可被布置作为命令阵列。

参见图2，示出了转向控制系统112的更详细的图。这里，该转向控制系统接收待转向的车辆的目标偏航率202。反向偏航增益模块204确定目标路轮角度206。转向比率模块208获取目标路轮角度206并创建目标手轮角度210。自此，转向角度控制器212获取目标手轮角度210并确定要施加到转向系统216的扭矩量214。

自此，当转向系统216使车辆转向时，手轮角度改变并被反馈回到转向角度控制器212中。自动化控制器220也可用于使车辆偏航率确定自动化。

参见图3，示出了节气门控制系统114和制动器控制系统116的更详细视图。可以理解，节气门控制系统114和制动器控制系统116可以是单独的部件或者可以集成在一起，如图3所示。

此处，滤波和估计模块304接收目标速率302。滤波估计模块304确定目标速率302并从目标速率302确定目标加速度306。此外，滤波估计模块304确定可由速度传感器104提供的实际速率308，如前所述，该速度传感器可以是车轮速率传感器。

还示出了切换装置310，该切换装置确定是否应控制节气门或制动器。该切换装置310可具有同时控制节气门和制动器两者的能力。这里，节气门控制器312与节气门箱314连通，该节气门主体然后调节车辆100的节气门踏板位置316。通过调节节气门位置，可以减慢或加速车辆。

如果利用了制动系统，则利用制动查找表318，以便基于目标速率302、目标加速度306和实际速率308来确定应当利用制动器的多少制动扭矩。该查找表向数据速率制动箱320提供适当量的制动压力，该数据速率制动箱继而调整车辆100的制动踏板位置322或者制动致动器的位置。该制动器查找表可以存储在图1的存储器设备103内。这样，可以施加和移除车辆的制动，并且可以向制动致动器施加一定量的压力。这最终导致车辆速率324，该车辆速率随后被反馈到滤波和估计模块304中。

参见图4，示出了用于控制车辆100的方法400。此处，在步骤402中，处理器102将接收控制命令阵列。这些控制命令可来自自主车辆控制系统120。在步骤404中，处理器被配置为当基于针对当前时间和预览时间两者的车辆的转向角度位置和速度指示转向控制系统112以及节气门控制系统114和/或116时生成控制请求。该转向角度位置可由转向轮角度传感器110确定，并且速度可由速度传感器104确定。

该预览时间是从当前时间到大约两秒的时间段。

此后，在步骤406中，102的处理器被配置为将控制请求传输到转向控制系统112和节气门控制系统114和/或116。此后，该方法然后返回到步骤402。

除了图4所示的步骤之外，处理器102还可被配置为通过对当前时间和预览时间两者的转向角度位置滤波来生成控制请求。处理器102还可被配置为通过对当前时间和预览时间两者的速度滤波来生成控制请求。

总体而言，如上所述，侧向和纵向控制不仅基于当前信息，而且还基于预览信息。控制命令阵列通常包括瞬时目标命令和对未来两秒的命令预期。基于预览信息修改控制请求以改善车辆的控制，使得车辆以更平稳且更像流体的方式操作。

利用本说明书中公开的系统和方法的优点包括：提供有效的计算方法以平滑来自运动规划的轨迹、模拟自然人类驾驶行为、容易适应不同的运动规划算法和车辆动态控制算法。

如前所述，该控制命令阵列包括瞬时目标命令和大约两秒的未来命令的预期。这些控制命令可表示为：

u_阵列＝{u_当前,u(t_i)},t_i＝t_当前+Δt·i│_{i＝1,…预览范围}

该阵列命令可通过以太网UDP(用户数据报协议)数据包传输。可基于预览信息来修改控制命令，以改善对此的控制平稳。这可表示为：

u_{阵列_f}＝滤波器(u_阵列)

参见图5，示出了预览控制的图形表示。这里，先前执行的多个控制命令被示出为元素502。当前命令被示出为元素504。预览控制命令被示为元素506。通过对未来进行预期，如未来控制元素508中所示，车辆能够以允许流畅且平稳引导车辆的转向和加速两者的方式进行驾驶。此外，处理器102可被配置为滤除看起来不在正常范围内的控制命令。因此，例如，如果示出控制命令510，则处理器102可将该命令滤除为不正确的，这仅仅是因为远离其他元素508。

本申请涉及车辆速率和速度两者。申请人承认，速度是具有方向和大小成分两者的矢量，而速率是标量。这些术语在说明书中可互换使用，以指定车辆的向前速率。

在另选的实施方案中，专用硬件具体实施诸如专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑阵列和其他硬件设备可被构造成实现本文所述的方法中的一个或多个方法。可包括各种实施方案的装置和系统的应用可广义地包括多种电子和计算机系统。本文所述的一个或多个实施方案可使用具有相关控制信号和数据信号的两个或更多个特定互连硬件模块或设备来实现功能，该相关控制信号和数据信号可在模块之间并通过模块进行传送，或者作为专用集成电路的部分进行传送。因此，本系统涵盖软件、固件和硬件具体实施。

根据本公开的各种实施方案，本文所述的方法可由能够由计算机系统执行的软件程序来实现。此外，在示例性非限制性实施方案中，具体实施可包括分布式处理、部件/对象分布式处理和并行处理。另选地，虚拟计算机系统处理可被构造成实现如本文所述的方法或功能中的一者或多者。

此外，本文所述的方法可体现在计算机可读介质中。术语“计算机可读介质”包括单个介质或多个介质，诸如集中式或分布式数据库，和/或存储一个或多个指令集的相关联的高速缓存和服务器。术语“计算机可读介质”还应包括能够存储、编码或携带用于由处理器执行或使得计算机系统执行本文所公开的方法或操作中的任何一个或多个方法或操作的指令集的任何介质。

本领域技术人员易于理解的是，以上描述的用意是举例说明本发明的原理。该描述并非旨在限制本发明的范围或应用，因为本发明易于改正、变更和改动，而不会脱离以下权利要求书所限定的本发明的实质。

Claims (10)

1.一种用于控制机动车辆的速度和前进方向的系统，所述系统包括：

处理器；

转向控制器，所述转向控制器与所述处理器通信并被布置在所述车辆内，所述转向控制器被配置为控制所述车辆的转向角度；

速率控制器，所述速率控制器与所述处理器通信并被布置在所述车辆内，所述速率控制器被配置为控制所述车辆的速率；

其中所述处理器被配置为接收控制命令阵列，所述控制命令阵列包括针对当前时间和预览时间的所述车辆的转向角度位置和速率；

其中所述处理器被配置为基于针对所述当前时间和所述预览时间两者的所述车辆的所述转向角度位置和所述速率来生成用于指示所述转向控制器和所述速率控制器的控制请求，其中所述处理器被配置为基于预览信息修改所述控制请求以生成经修改的控制请求；并且

其中所述处理器被配置为将所述经修改的控制请求传输到所述转向控制器和所述速率控制器。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器被进一步配置为通过对针对所述当前时间和所述预览时间两者的所述转向角度位置进行滤波来生成所述控制请求。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器被进一步配置为通过对针对所述当前时间和所述预览时间两者的所述速度进行滤波来生成所述控制请求。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述预览时间是从所述当前时间到大约两秒的时间段。

5.一种用于控制机动车辆的速度和前进方向的方法，所述方法包括以下步骤：

接收控制命令阵列，所述控制命令阵列包括针对当前时间和预览时间的所述车辆的转向角度位置和速率；

基于针对所述当前时间和所述预览时间两者的所述车辆的所述转向角度和所述速率来生成用于指示转向控制器和速率控制器的控制请求，其中基于预览信息修改所述控制请求以生成经修改的控制请求；

以及将所述经修改的控制请求传输到所述转向控制器和所述速率控制器。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括通过对针对所述当前时间和所述预览时间两者的所述转向角度位置进行滤波来生成所述控制请求的步骤。

7.根据权利要求5所述的方法，还包括通过对针对所述当前时间和所述预览时间两者的所述速率进行滤波来生成所述控制请求的步骤。

8.根据权利要求5所述的方法，其中所述预览时间是从所述当前时间到大约两秒的时间段。

9.根据权利要求5所述的方法，其中所述转向控制器被布置在所述车辆内，所述转向控制器被配置为控制所述车辆的所述转向角度。

10.根据权利要求5所述的方法，其中所述速率控制器被布置在所述车辆内，所述速率控制器被配置为控制所述车辆的所述速率。