CN114115260A - 自动驾驶铰接车的车辆模型搭建及路径跟踪控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种自动驾驶铰接车的车辆模型搭建及路径跟踪控制方法，其步骤包括：获取计算GPS安装位置坐标、车辆前后铰接角；根据车辆行驶方向确定GPS定位基准点；实时获取车辆前方规划的目标路径点；确定目标点与车辆坐标系原点的象限方位及目标角度；计算目标点与实车原点坐标的直线距离；计算目标点与原点的航向角；确定车辆坐标系下的目标点坐标、目标转向角实现车辆行驶方向控制。本发明所述的GPS定位基准点，确定前进时车头位置和倒退时车尾位置，防止车辆行驶超出路径行驶，实现自动驾驶的路径跟踪功能，及提高路径跟踪的控制精度，适用于前后双轴分别带驱动和转向系统的铰接车、前驱动前转向的铰接车、前后双驱前转向的铰接车等多种车型。
Description
技术领域
本发明属于自动驾驶铰接车领域，尤其是涉及一种自动驾驶铰接车的车辆模型搭建及路径跟踪控制方法。
背景技术
铰接车是用铰链装置连接在一起的两节或多节车身组成的轮式车辆和履带式车辆，使用专门的液压机构，能够使车身相对的在水平面或垂直纵断(或横断)面上移动，靠各车身之间的连接环的相互转动而改变前进方向。
对于铰接式的自动无人驾驶车辆在车辆直线行驶和转向行驶过程，由于前后两部分车体是通过铰接式进行连接的，所以会随着车辆的摆动导致前后两部分车体都在摆动，导致车辆无法按直线行驶和转向时走S弯甚至过渡转向。
尤其是车辆转向时，车辆的前半部分转向时，势必会导致车辆后半部分也同时向相同方向摆动转向，对自动无人驾驶来说车辆控制及路径的跟踪寻迹造成很大的影响。
基于车辆运动模型进行路径跟踪寻迹控制时，是以实际GSP点和目标路径GPS点的重合程度来控制车辆行驶的，如果不对车辆模型定位进行重新构建，势必会因为车辆GPS实际安装位置的影响导致车辆行驶超出路径直线和转向时，按图1的GPS安装位置会超出半个车身的长度，如果目标路径的周围环境有路基、障碍物、塌陷等情况，会导致车辆出现安全事故，同时也很大程度的影响路径跟踪的控制精度。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种自动驾驶铰接车的车辆模型搭建及路径跟踪控制方法，以了解决铰接车辆直线和转向行驶的性能，正确的进行路径规划，保证路径安全稳定的行驶。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
自动驾驶铰接车的车辆模型搭建及路径跟踪控制方法，其特征在于：具体步骤：
S1、构建车辆模型
S11、获取GPS安装位置的车辆经纬度、初始航向角HeadAng0，并将GPS安装位置经纬度转换成UTM坐标系下GPS安装位置坐标(X0，Y0)；
S12、获取车辆公共轴线与车辆前半部分中心线形成的前车铰接角α和车辆公共轴线与车辆后半部分中心线形成的后车铰接角β；
S13、根据车辆行驶方向对车辆模型进行重构，确定GPS定位基准点在车辆上的位置，并根据GPS安装位置坐标(X0，Y0)、初始航向角HeadAng0、铰接角α、铰接角β计算GPS定位基准点处的基准点坐标、基准点航向角；
S2、构建路径追踪模型
S21、输入路径规划中的目标路径点，实时获取车辆前方规划的目标路径点(Xr，Yr)；
S22、以GPS定位基准点为车辆坐标系的原点(X0’，Y0’)，确定目标点与车辆坐标系原点的象限方位及目标点度HeadAngr；
S23、计算目标点与实车原点坐标的直线距离S；
S24、目标航向角转换，以车辆坐标系原点为参考点，计算目标点与原点的航向角HeadAngr’；
S25、确定车辆坐标系下的目标点坐标(Xr’，Yr’)。
S26、根据车辆坐标系的原点(X0’，Y0’)和目标点坐标(Xr’，Yr’)，计算车辆目标转向角；
S3、实现车辆控制
将目标转向角转换为方向盘角度，并将方向盘角度输入转向系统，转向系统控制车辆转向机构达到期望的目标转向角。
进一步的，步骤S11中，GPS安装位置为车辆前半部分，并且接近车辆铰接点位置；设定GPS安装位置为初始原点，设定初始原点坐标为(X0，Y0)，初始航向角为HeadAng0；
步骤S12中，获取前车铰接角α和后车铰接角β均是通过转向传感器获取车辆的转向角度，所述车辆转向角度即为铰接点的铰接角。
进一步的，步骤S13中，确定车辆GPS定位基准点：当车辆向前行驶时，把车辆GPS定位基准点平移到车头位置，作为主定位点；当车辆倒退行驶时，把车辆GPS定位基准点平移到车尾位置，作为主定位点；
计算GPS定位基准点处的基准点坐标、基准点航向角方法：
在车辆前进时，由于GPS位置安装在车辆前半部分，而车辆的前半部分为刚性车，故可使用车辆长度来修正平移，获取GPS定位基准点的基准点坐标及基准点航向角，设定前进时重新构建的GPS基准点坐标为(X1，Y1)，基准点航向角为HeadAng1，车辆铰接角为α，车辆左转α为正，右转α为负；
车辆前进时，GPS定位基准点的基准点航向角为：
HeadAng1＝HeadAng0+α(HeadAng0+α<360)，
或者，HeadAng1＝(HeadAng0+α)-360(HeadAng0+α>360)
车辆前进时，车辆GPS定位基准点的基准点坐标为：
当0≤HeadAng1≤90时，
基准点坐标为X1＝X0+Lf*sin(HeadAng1)，Y1＝Y0+Lf*cos(HeadAng1)；
当90＜HeadAng1≤180时，
基准点坐标为X1＝X0+Lf*cos(HeadAng1-90)，
Y1＝Y0-Lf*sin(HeadAng1-90)；
当180＜HeadAng1≤270时，
基准点坐标为X1＝X0-Lf*sin(HeadAng1-180)，
Y1＝Y0-Lf*cos(HeadAng1-180)；
当270＜HeadAng1≤360时，
基准点坐标为X1＝X0-Lf*cos(HeadAng1-270)，
Y1＝Y0+Lf*sin(HeadAng1-270)；
在车辆倒退时，使用车辆长度来进行修正平移和铰接点的角度综合处理构建，获取GPS定位基准点的基准点坐标及基准点航向角，设定车辆倒退行驶时重新构建的GPS基准点坐标为(X2，Y2)，基准点航向角为HeadAng2，车辆铰接角为β，车辆左转β为正，右转β为负；
车辆倒退，GPS定位基准点的基准点航向角为：
HeadAng2＝HeadAng0+180-(α+β)(0＜HeadAng0≤180)，
HeadAng2＝HeadAng0-180-(α+β)(180＜HeadAng0≤360)；
车辆倒退，车辆GPS定位基准点的基准点坐标为：
当0≤HeadAng2≤90时，
基准点坐标为X2＝X0+Lf*sin(HeadAng2)，Y2＝Y0+Lf*cos(HeadAng2)；
当90<HeadAng2≤180时，
基准点坐标为X2＝X0+Lf*cos(HeadAng2-90)，
Y2＝Y0-Lf*sin(HeadAng1-90)；
当180<HeadAng2≤270时，
基准点坐标为X2＝X0-Lf*sin(HeadAng2-180)，
Y2＝Y0-Lf*cos(HeadAng2-180)；
当270<HeadAng2≤360时，
基准点坐标为X2＝X0-Lf*cos(HeadAng2-270)，Y2＝Y0+Lf*sin(HeadAng2-270)。
进一步的，步骤S22中，所述以GPS定位基准点为车辆坐标系的原点为：
设定车辆坐标系原点为(X0’，Y0’)，基于车辆坐标系控制把车辆模型重构后的GPS定位基准点作为车辆坐标系原点，即车辆前进时的原点为(X1,Y1)，则X0’＝X1、Y0’＝Y1；车辆后退时的原点为(X2,Y2)，则X0’＝X2、Y0’＝Y2；
所述确定目标点与车辆坐标系原点的象限方位及目标点度HeadAngr方法：
设定车辆的原点航向角为HeadAng0’，其中车辆前进时的原点航向角为HeadAng0’＝HeadAng1；车辆后退时的原点航向角为HeadAng0’＝HeadAng2；
当Xr-X0’>0，且Yr-Y0’>0时，目标点在车辆原点的第一象限，则目标点度HeadAngr＝atan(abs(Xr-X0’)/abs(Yr-Y0’))；
当Xr-X0’>0，且Yr-Y0’<0时，目标点在车辆原点的第二象限，则目标点度HeadAngr＝atan(abs(Yr-Y0’)/abs(Xr-X0’))+90；
当Xr-X0’<0，且Yr-Y0’<0时，目标点在车辆原点的第三象限，则目标点度HeadAngr＝atan(abs(Xr-X0’)/abs(Yr-Y0’))+180；
当Xr-X0’<0，且Yr-Y0’>0时，目标点在车辆原点的第四象限，则目标点度HeadAngr＝atan(abs(Yr-Y0’)/abs(Xr-X0’))+270。
进一步的，步骤S23中，计算目标点与车辆原点坐标的直线距离S的公式：
在车辆前进时，
S＝S1；
在车辆后退时，
S＝S2。
进一步的，步骤S24中，计算目标点与原点的航向角HeadAngr’方法：
当0≤HeadAng0’≤90时，
目标点在第一、第二象限时，目标点与原点的航向角为HeadAngr’＝HeadAngr，目标点在第四象限时，目标点与原点的航向角HeadAngr’＝HeadAngr-360；
当90＜HeadAng0’≤180时，
目标点在第一、第二、第三象限时，目标点与原点的航向角为HeadAngr’＝HeadAngr-90；
当180＜HeadAng0’≤270时，
目标点在第二、第三、第四象限时，目标点与原点的航向角为HeadAngr’＝HeadAngr-180；
当270＜HeadAng0’≤360时，
目标点在第三、第四象限时，目标点与原点的航向角为HeadAngr’＝HeadAngr-270，目标点在第一象限时，目标点与原点的航向角为HeadAngr’＝HeadAngr+90。
进一步的，步骤S25中，确定车辆坐标系下的目标点坐标(Xr’，Yr’)公式：
当0≤HeadAng0’≤90时，
HeadAng0’≥HeadAngr’，
目标点坐标为Xr’＝S*cos(HeadAng0’-HeadAngr’)，
Yr’＝S*sin(HeadAng0’-HeadAngr’)，
HeadAng0’＜HeadAngr’，
目标点坐标为Xr’＝S*cos(HeadAngr’-HeadAng0’)，
Yr’＝S*sin(HeadAngr’-HeadAng0’)；
当90＜HeadAng0’≤180时，
HeadAng0’-90≥HeadAngr’，
目标点坐标为Xr’＝S*cos(HeadAng0’-90-HeadAngr’)，
Yr’＝S*sin(HeadAng0’-90-HeadAngr’)；
HeadAng0’-90＜HeadAngr’，
目标点坐标为Xr’＝S*cos(HeadAngr’-(HeadAng0’-90))，
Yr’＝S*sin(HeadAngr’-(HeadAng0’-90))；
当180＜HeadAng0’≤270时，
HeadAng0’-180≥HeadAngr’，
目标点坐标为Xr’＝S*cos(HeadAng0’-180-HeadAngr’)，
Yr’＝S*sin(HeadAng0’-180-HeadAngr’)，
HeadAng0’-180＜HeadAngr’，
目标点坐标为Xr’＝S*cos(HeadAngr’-(HeadAng0’-180))，
Yr’＝S*sin(HeadAngr’-(HeadAng0’-180))；
当270＜HeadAng0’≤360时，
HeadAng0’-270≥HeadAngr’，
目标点坐标为Xr’＝S*cos(HeadAng0’-270-HeadAngr’)，
Yr’＝S*sin(HeadAng0’-270-HeadAngr’)，
HeadAng0’-90＜HeadAngr’，
目标点坐标为Xr’＝S*cos(HeadAngr’-(HeadAng0’-270))，
Yr’＝S*sin(HeadAngr’-(HeadAng0’-270))。
进一步的，步骤S26中，根据车辆原点(X0’，Y0’)和车辆坐标系目标点坐标(Xr’，Yr’)，计算车辆目标转向角方法：
车辆前进时：
当Yr’-Y0’≥0，说明目标点在车辆的右侧，故车辆前进向右转向行驶，转向角度为θ＝arctan(abs(Yr’-Y0’)/abs(Xr’-X0’))，
当Yr’-Y0’<0，说明目标点在车辆的左侧，故车辆前进向左转向行驶，转向角度为θ＝-arctan(abs(Yr’-Y0’)/abs(Xr’-X0’))；
车辆后退时：
当Yr’-Y0’≥0，说明目标点在车辆的右侧，故车辆倒退向右转向行驶，转向角度为θ＝-arctan(abs(Yr’-Y0’)/abs(Xr’-X0’))，
当Yr’-Y0’<0，说明目标点在车辆的左侧，故车辆倒退向左转向行驶，转向角度为θ＝arctan(abs(Yr’-Y0’)/abs(Xr’-X0’))。
进一步的，步骤S3中，将目标转向角θ转换为方向盘角度ang公式为：
ang＝θ*K，
K为转向系统的方向盘转角与车辆转角的比例系关系系数。
相对于现有技术，本发明所述的自动驾驶铰接车的车辆模型搭建及路径跟踪控制方法具有以下有益效果：
(1)本发明所述的对车辆模型定位进行重新构建，设置GPS定位基准点，确定前进时车头位置和倒退时车尾位置，防止车辆行驶超出路径行驶，提高路径跟踪的控制精度。
(2)本发明所述的搭建铰接车车辆模型，分别根据车辆前进和车辆后退两种模式进行计算，分别建立车辆坐标系，将GPS定位基准点设定为车辆坐标系原点，建立目标点坐标与车辆坐标系原点关系，简化计算，优化路径跟踪模型。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的铰接车示意图；
图2为本发明实施例所述的铰接车转向时以后车中心线为纵向的示意图；
图3为本发明实施例所述的铰接车直线行驶示意图；
图4为本发明实施例所述的铰接车转向时以公共轴线为纵向的示意图；
图5为本发明实施例所述的车辆GPS重构解析图；
图6为本发明实施例所述的路径目标点坐标与车辆坐标系原点关系图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1至图6所示，自动驾驶铰接车的车辆模型搭建及路径跟踪控制方法，其特征在于：具体步骤为：
S1、构建车辆模型
S11、获取GPS安装位置的车辆经纬度、初始航向角HeadAng0，并将GPS安装位置经纬度转换成UTM坐标系下GPS安装位置坐标(X0，Y0)；
S12、获取车辆公共轴线与车辆前半部分中心线形成的前车铰接角α和车辆公共轴线与车辆后半部分中心线形成的后车铰接角β；
S13、根据车辆行驶方向对车辆模型进行重构，确定GPS定位基准点在车辆上的位置，并根据GPS安装位置坐标(X0，Y0)、初始航向角HeadAng0、前车铰接角α、后车铰接角β计算GPS定位基准点处的基准点坐标、基准点航向角；
S2、构建路径追踪模型
S21、输入路径规划中的目标路径点，实时获取车辆前方规划的目标路径点(Xr，Yr)；
S22、以GPS定位基准点为车辆坐标系的原点(X0’，Y0’)，确定目标点与车辆坐标系原点的象限方位及目标点度HeadAngr；
S23、计算目标点与实车原点坐标的直线距离S；
S24、目标航向角转换，以车辆坐标系原点为参考点，计算目标点与原点的航向角HeadAngr’；
S25、确定车辆坐标系下的目标点坐标(Xr’，Yr’)。
S26、根据车辆坐标系的原点(X0’，Y0’)和目标点坐标(Xr’，Yr’)，计算车辆目标转向角；
S3、实现车辆控制
将目标转向角转换为方向盘角度，并将方向盘角度输入转向系统，转向系统控制车辆转向机构达到期望的目标转向角。
如图1、图2所示，步骤S11中，GPS安装位置为车辆前半部分，并且接近车辆铰接点位置；设定GPS安装位置为初始原点，设定初始原点坐标为(X0，Y0)，初始航向角为HeadAng0；
所述GPS可直接安装在铰接点正上方，GPS能够实时检测出车辆的坐标(经纬度)和初始航向角(车头前进方向，0-360度)，将经纬度转换成UTM坐标系的坐标；设定GPS安装位置为初始原点，设定初始原点坐标为(X0，Y0)，初始航向角为HeadAng0。
步骤S12中，获取前车铰接角α和后车铰接角β均是通过转向传感器获取车辆的转向角度，所述车辆转向角度即为铰接点的铰接角。
如图3、图4所示，车辆直线行驶时，公共轴线与车辆几何中心线重合；在铰接车转向过程中，车辆公共轴线不变，车体前后部分车辆中心线与公共轴线形成的夹角即为铰接角，通过转向传感器获取车辆公共轴线与车辆前半部分中心线形成的前车铰接角α和车辆公共轴线与车辆后半部分中心线形成的后车铰接角β。
如图1、图2所示，步骤S13中，确定车辆GPS定位基准点：当车辆向前行驶时，把车辆GPS定位基准点平移到车头位置，作为主定位点；当车辆倒退行驶时，把车辆GPS定位基准点平移到车尾位置，作为主定位点；
计算GPS定位基准点处的基准点坐标、基准点航向角方法：
在车辆前进时，由于GPS位置安装在车辆前半部分，而车辆的前半部分为刚性车，故可使用车辆长度来修正平移，获取GPS定位基准点的基准点坐标及基准点航向角，设定前进时重新构建的GPS基准点坐标为(X1，Y1)，基准点航向角为HeadAng1，车辆铰接角为α，车辆左转α为正，右转α为负；
车辆前进时，GPS定位基准点的基准点航向角为：
HeadAng1＝HeadAng0+α(HeadAng0+α<360)，
或者，HeadAng1＝(HeadAng0+α)-360(HeadAng0+α>360)
车辆前进时，车辆GPS定位基准点的基准点坐标为：
当0≤HeadAng1≤90时，
基准点坐标为X1＝X0+Lf*sin(HeadAng1)，Y1＝Y0+Lf*cos(HeadAng1)；
当90＜HeadAng1≤180时，
基准点坐标为X1＝X0+Lf*cos(HeadAng1-90)，
Y1＝Y0-Lf*sin(HeadAng1-90)；
当180＜HeadAng1≤270时，
基准点坐标为X1＝X0-Lf*sin(HeadAng1-180)，
Y1＝Y0-Lf*cos(HeadAng1-180)；
当270＜HeadAng1≤360时，
基准点坐标为X1＝X0-Lf*cos(HeadAng1-270)，
Y1＝Y0+Lf*sin(HeadAng1-270)；
在车辆倒退时，使用车辆长度来进行修正平移和铰接点的角度综合处理构建，获取GPS定位基准点的基准点坐标及基准点航向角，设定车辆倒退行驶时重新构建的GPS基准点坐标为(X2，Y2)，基准点航向角为HeadAng2，车辆铰接角为β，车辆左转β为正，右转β为负；
车辆倒退，GPS定位基准点的基准点航向角为：
HeadAng2＝HeadAng0+180-(α+β)(0＜HeadAng0≤180)，
HeadAng2＝HeadAng0-180-(α+β)(180＜HeadAng0≤360)；车辆倒退，
车辆GPS定位基准点的基准点坐标为：
当0≤HeadAng2≤90时，
基准点坐标为X2＝X0+Lf*sin(HeadAng2)，Y2＝Y0+Lf*cos(HeadAng2)；
当90<HeadAng2≤180时，
基准点坐标为X2＝X0+Lf*cos(HeadAng2-90)，
Y2＝Y0-Lf*sin(HeadAng1-90)；
当180<HeadAng2≤270时，
基准点坐标为X2＝X0-Lf*sin(HeadAng2-180)，
Y2＝Y0-Lf*cos(HeadAng2-180)；
当270<HeadAng2≤360时，
基准点坐标为X2＝X0-Lf*cos(HeadAng2-270)，Y2＝Y0+Lf*sin(HeadAng2-270)。
如图5、图6所示，步骤S22中，所述以GPS定位基准点为车辆坐标系的原点为：
设定车辆坐标系原点为(X0’，Y0’)，基于车辆坐标系控制把车辆模型重构后的GPS定位基准点作为车辆坐标系原点，即车辆前进时的原点为(X1,Y1)，则X0’＝X1、Y0’＝Y1；车辆后退时的原点为(X2,Y2)，则X0’＝X2、Y0’＝Y2；所述确定目标点与车辆坐标系原点的象限方位及目标点度HeadAngr方法：
设定车辆的原点航向角为HeadAng0’，其中车辆前进时的原点航向角为HeadAng0’＝HeadAng1；车辆后退时的原点航向角为HeadAng0’＝HeadAng2；
当Xr-X0’>0，且Yr-Y0’>0时，目标点在车辆原点的第一象限，则目标点度HeadAngr＝atan(abs(Xr-X0’)/abs(Yr-Y0’))；
当Xr-X0’>0，且Yr-Y0’<0时，目标点在车辆原点的第二象限，则目标点度HeadAngr＝atan(abs(Yr-Y0’)/abs(Xr-X0’))+90；
当Xr-X0’<0，且Yr-Y0’<0时，目标点在车辆原点的第三象限，则目标点度HeadAngr＝atan(abs(Xr-X0’)/abs(Yr-Y0’))+180；
当Xr-X0’<0，且Yr-Y0’>0时，目标点在车辆原点的第四象限，则目标点度HeadAngr＝atan(abs(Yr-Y0’)/abs(Xr-X0’))+270。
如图5、图6所示，步骤S23中，计算目标点与车辆原点坐标的直线距离S的公式：
在车辆前进时，
S＝S1；
在车辆后退时，
S＝S2。
如图5、图6所示，步骤S24中，计算目标点与原点的航向角HeadAngr’方法：
当0≤HeadAng0’≤90时，
目标点在第一、第二象限时，目标点与原点的航向角为HeadAngr’＝HeadAngr，目标点在第四象限时，目标点与原点的航向角HeadAngr’＝HeadAngr-360；
当90＜HeadAng0’≤180时，
目标点在第一、第二、第三象限时，目标点与原点的航向角为HeadAngr’＝HeadAngr-90；
当180＜HeadAng0’≤270时，
目标点在第二、第三、第四象限时，目标点与原点的航向角为HeadAngr’＝HeadAngr-180；
当270＜HeadAng0’≤360时，
目标点在第三、第四象限时，目标点与原点的航向角为HeadAngr’＝HeadAngr-270，目标点在第一象限时，目标点与原点的航向角为HeadAngr’＝HeadAngr+90。
在路径规划时，选取的目标点不会选取车辆正后方的目标点，从而出现在车辆追踪控制时出现车辆原地掉头的行驶现象，所以在坐标系转换时就只考虑目标点在原点的同象限及相邻象限的情况。
如图5、图6所示，步骤S25中，确定车辆坐标系下的目标点坐标(Xr’，Yr’)公式：
当0≤HeadAng0’≤90时，
HeadAng0’≥HeadAngr’，
目标点坐标为Xr’＝S*cos(HeadAng0’-HeadAngr’)，
Yr’＝S*sin(HeadAng0’-HeadAngr’)，
HeadAng0’＜HeadAngr’，
目标点坐标为Xr’＝S*cos(HeadAngr’-HeadAng0’)，
Yr’＝S*sin(HeadAngr’-HeadAng0’)；
当90＜HeadAng0’≤180时，
HeadAng0’-90≥HeadAngr’，
目标点坐标为Xr’＝S*cos(HeadAng0’-90-HeadAngr’)，
Yr’＝S*sin(HeadAng0’-90-HeadAngr’)；
HeadAng0’-90＜HeadAngr’，
目标点坐标为Xr’＝S*cos(HeadAngr’-(HeadAng0’-90))，
Yr’＝S*sin(HeadAngr’-(HeadAng0’-90))；
当180＜HeadAng0’≤270时，
HeadAng0’-180≥HeadAngr’，
目标点坐标为Xr’＝S*cos(HeadAng0’-180-HeadAngr’)，
Yr’＝S*sin(HeadAng0’-180-HeadAngr’)，
HeadAng0’-180＜HeadAngr’，
目标点坐标为Xr’＝S*cos(HeadAngr’-(HeadAng0’-180))，
Yr’＝S*sin(HeadAngr’-(HeadAng0’-180))；
当270＜HeadAng0’≤360时，
HeadAng0’-270≥HeadAngr’，
目标点坐标为Xr’＝S*cos(HeadAng0’-270-HeadAngr’)，
Yr’＝S*sin(HeadAng0’-270-HeadAngr’)，
HeadAng0’-90＜HeadAngr’，
目标点坐标为Xr’＝S*cos(HeadAngr’-(HeadAng0’-270))，
Yr’＝S*sin(HeadAngr’-(HeadAng0’-270))。
如图5、图6所示，步骤S26中，根据车辆原点(X0’，Y0’)和车辆坐标系目标点坐标(Xr’，Yr’)，计算车辆目标转向角方法：
车辆前进时：
当Yr’-Y0’≥0，说明目标点在车辆的右侧，故车辆前进向右转向行驶，转向角度为θ＝arctan(abs(Yr’-Y0’)/abs(Xr’-X0’))，
当Yr’-Y0’<0，说明目标点在车辆的左侧，故车辆前进向左转向行驶，转向角度为θ＝-arctan(abs(Yr’-Y0’)/abs(Xr’-X0’))；
车辆后退时：
当Yr’-Y0’≥0，说明目标点在车辆的右侧，故车辆倒退向右转向行驶，转向角度为θ＝-arctan(abs(Yr’-Y0’)/abs(Xr’-X0’))，
当Yr’-Y0’<0，说明目标点在车辆的左侧，故车辆倒退向左转向行驶，转向角度为θ＝arctan(abs(Yr’-Y0’)/abs(Xr’-X0’))。
任何时间下都是基于车辆为车辆坐标系的原点，故车辆原点坐标(X0’，Y0’)为(0，0),同时目标点坐标也是基于车辆坐标系的转换而来(Xr’，Yr’)。
如图5、图6所示，步骤S3中，将目标转向角θ转换为方向盘角度ang公式为：
ang＝θ*K，
K为转向系统的方向盘转角与车辆转角的比例系关系系数。
把步骤2中计算出来的目标转向角θ转换成方向盘角度ang，并将方向盘角度ang输入转向系统，转向系统控制器通过其转向闭环控制算法控制转向机构达到目标期望转向角ang，实车车辆转向控制。同时自动驾驶系统根据设计的目标车速给底盘控制器VCU，VCU控制发动机(或电机)、变速箱实现目标车速的控制，从而达到车辆按目标路径行驶的路径跟踪控制目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.自动驾驶铰接车的车辆模型搭建及路径跟踪控制方法，其特征在于：具体步骤：
S1、构建车辆模型，其步骤如下：
S11、获取GPS安装位置的车辆经纬度、初始航向角HeadAng0，并将经纬度转换成UTM坐标系下GPS安装位置坐标(X0，Y0)；
S12、获取车辆公共轴线与车辆前半部分中心线形成的前车铰接角α和车辆公共轴线与车辆后半部分中心线形成的后车铰接角β；
S13、根据车辆行驶方向对车辆模型进行重构，确定GPS定位基准点在车辆上的位置，并根据GPS安装位置坐标(X0，Y0)、初始航向角HeadAng0、铰接角α、铰接角β计算GPS定位基准点处的基准点坐标、基准点航向角；
S2、构建路径追踪模型，其步骤如下：
S21、输入路径规划中的目标路径点，实时获取车辆前方规划的目标路径点(Xr，Yr)；
S22、以GPS定位基准点为车辆坐标系的原点(X0’，Y0’)，确定目标点与车辆坐标系原点的象限方位及目标点角度HeadAngr；
S23、计算目标点与实车原点坐标的直线距离S；
S24、目标航向角转换，以车辆坐标系原点为参考点，计算目标点与原点的航向角HeadAngr’；
S25、确定车辆坐标系下的目标点坐标(Xr’，Yr’)；
S26、根据车辆坐标系的原点(X0’，Y0’)和目标点坐标(Xr’，Yr’)，计算车辆目标转向角；
S3、实现车辆控制，其具体内筒如下：
将目标转向角转换为方向盘角度，并将方向盘角度输入转向系统，转向系统控制车辆转向机构达到期望的目标转向角。
2.根据权利要求1所述的自动驾驶铰接车的车辆模型搭建及路径跟踪控制方法，其特征在于：步骤S11中，GPS安装位置为车辆前半部分，并且接近车辆铰接点位置；设定GPS安装位置为初始原点，设定初始原点坐标为(X0，Y0)，初始航向角为HeadAng0；
步骤S12中，获取前车铰接角α和后车铰接角β均是通过转向传感器获取车辆的转向角度，所述车辆转向角度即为铰接点的铰接角。
3.根据权利要求2所述的自动驾驶铰接车的车辆模型搭建及路径跟踪控制方法，其特征在于：步骤S13中，确定车辆GPS定位基准点：当车辆向前行驶时，把车辆GPS定位基准点平移到车头位置，作为主定位点；当车辆倒退行驶时，把车辆GPS定位基准点平移到车尾位置，作为主定位点；
计算GPS定位基准点处的基准点坐标、基准点航向角方法：
在车辆前进时，使用车辆长度来修正平移，获取GPS定位基准点的基准点坐标及基准点航向角，设定前进时重新构建的GPS基准点坐标为(X1，Y1)，基准点航向角为HeadAng1，车辆铰接角为α，车辆左转α为正，右转α为负；
车辆前进时，GPS定位基准点的基准点航向角为：
HeadAng1＝HeadAng0+α(HeadAng0+α<360)，
或者，HeadAng1＝(HeadAng0+α)-360(HeadAng0+α>360)
车辆前进时，车辆GPS定位基准点的基准点坐标为：
当0≤HeadAng1≤90时，
基准点坐标为X1＝X0+Lf*sin(HeadAng1)，Y1＝Y0+Lf*cos(HeadAng1)；
当90＜HeadAng1≤180时，
基准点坐标为X1＝X0+Lf*cos(HeadAng1-90)，
Y1＝Y0-Lf*sin(HeadAng1-90)；
当180＜HeadAng1≤270时，
基准点坐标为X1＝X0-Lf*sin(HeadAng1-180)，
Y1＝Y0-Lf*cos(HeadAng1-180)；
当270＜HeadAng1≤360时，
基准点坐标为X1＝X0-Lf*cos(HeadAng1-270)，
Y1＝Y0+Lf*sin(HeadAng1-270)；
在车辆倒退时，使用车辆长度来进行修正平移和铰接点的角度综合处理构建，获取GPS定位基准点的基准点坐标及基准点航向角，设定车辆倒退行驶时重新构建的GPS基准点坐标为(X2，Y2)，基准点航向角为HeadAng2，车辆铰接角为β，车辆左转β为正，右转β为负；
车辆倒退，GPS定位基准点的基准点航向角为：
HeadAng2＝HeadAng0+180-(α+β)(0＜HeadAng0≤180)，
HeadAng2＝HeadAng0-180-(α+β)(180＜HeadAng0≤360)；
车辆倒退，车辆GPS定位基准点的基准点坐标为：
当0≤HeadAng2≤90时，
基准点坐标为X2＝X0+Lf*sin(HeadAng2)，Y2＝Y0+Lf*cos(HeadAng2)；
当90<HeadAng2≤180时，
基准点坐标为X2＝X0+Lf*cos(HeadAng2-90)，
Y2＝Y0-Lf*sin(HeadAng1-90)；
当180<HeadAng2≤270时，
基准点坐标为X2＝X0-Lf*sin(HeadAng2-180)，
Y2＝Y0-Lf*cos(HeadAng2-180)；
当270<HeadAng2≤360时，
基准点坐标为X2＝X0-Lf*cos(HeadAng2-270)，
Y2＝Y0+Lf*sin(HeadAng2-270)。
4.根据权利要求3所述的自动驾驶铰接车的车辆模型搭建及路径跟踪控制方法，其特征在于：步骤S22中，以GPS定位基准点为车辆坐标系的原点为：
设定车辆坐标系原点为(X0’，Y0’)，基于车辆坐标系控制把车辆模型重构后的GPS定位基准点作为车辆坐标系原点，即车辆前进时的原点为(X1,Y1)，则X0’＝X1、Y0’＝Y1；车辆后退时的原点为(X2,Y2)，则X0’＝X2、Y0’＝Y2；
确定目标点与车辆坐标系原点的象限方位及目标点度HeadAngr方法：
设定车辆的原点航向角为HeadAng0’，其中车辆前进时的原点航向角为HeadAng0’＝HeadAng1；车辆后退时的原点航向角为HeadAng0’＝HeadAng2；
当Xr-X0’>0，且Yr-Y0’>0时，目标点在车辆原点的第一象限，则目标点度HeadAngr＝atan(abs(Xr-X0’)/abs(Yr-Y0’))；
当Xr-X0’>0，且Yr-Y0’<0时，目标点在车辆原点的第二象限，则目标点度HeadAngr＝atan(abs(Yr-Y0’)/abs(Xr-X0’))+90；
当Xr-X0’<0，且Yr-Y0’<0时，目标点在车辆原点的第三象限，则目标点度HeadAngr＝atan(abs(Xr-X0’)/abs(Yr-Y0’))+180；
当Xr-X0’<0，且Yr-Y0’>0时，目标点在车辆原点的第四象限，则目标点度HeadAngr＝atan(abs(Yr-Y0’)/abs(Xr-X0’))+270。
5.根据权利要求4所述的自动驾驶铰接车的车辆模型搭建及路径跟踪控制方法，其特征在于：步骤S23中，计算目标点与车辆原点坐标的直线距离S的公式：
在车辆前进时，
在车辆后退时，
6.根据权利要求5所述的自动驾驶铰接车的车辆模型搭建及路径跟踪控制方法，其特征在于：步骤S24中，计算目标点与原点的航向角HeadAngr’方法：
当0≤HeadAng0’≤90时，
目标点在第一、第二象限时，目标点与原点的航向角为HeadAngr’＝HeadAngr，目标点在第四象限时，目标点与原点的航向角HeadAngr’＝HeadAngr-360；
当90＜HeadAng0’≤180时，
目标点在第一、第二、第三象限时，目标点与原点的航向角为HeadAngr’＝HeadAngr-90；
当180＜HeadAng0’≤270时，
目标点在第二、第三、第四象限时，目标点与原点的航向角为HeadAngr’＝HeadAngr-180；
当270＜HeadAng0’≤360时，
目标点在第三、第四象限时，目标点与原点的航向角为HeadAngr’＝HeadAngr-270，目标点在第一象限时，目标点与原点的航向角为HeadAngr’＝HeadAngr+90。
7.根据权利要求6所述的自动驾驶铰接车的车辆模型搭建及路径跟踪控制方法，其特征在于：步骤S25中，确定车辆坐标系下的目标点坐标(Xr’，Yr’)公式：
当0≤HeadAng0’≤90时，
HeadAng0’≥HeadAngr’，
目标点坐标为Xr’＝S*cos(HeadAng0’-HeadAngr’)，
Yr’＝S*sin(HeadAng0’-HeadAngr’)，
HeadAng0’＜HeadAngr’，
目标点坐标为Xr’＝S*cos(HeadAngr’-HeadAng0’)，
Yr’＝S*sin(HeadAngr’-HeadAng0’)；
当90＜HeadAng0’≤180时，
HeadAng0’-90≥HeadAngr’，
目标点坐标为Xr’＝S*cos(HeadAng0’-90-HeadAngr’)，
Yr’＝S*sin(HeadAng0’-90-HeadAngr’)；
HeadAng0’-90＜HeadAngr’，
目标点坐标为Xr’＝S*cos(HeadAngr’-(HeadAng0’-90))，
Yr’＝S*sin(HeadAngr’-(HeadAng0’-90))；
当180＜HeadAng0’≤270时，
HeadAng0’-180≥HeadAngr’，
目标点坐标为Xr’＝S*cos(HeadAng0’-180-HeadAngr’)，
Yr’＝S*sin(HeadAng0’-180-HeadAngr’)，
HeadAng0’-180＜HeadAngr’，
目标点坐标为Xr’＝S*cos(HeadAngr’-(HeadAng0’-180))，
Yr’＝S*sin(HeadAngr’-(HeadAng0’-180))；
当270＜HeadAng0’≤360时，
HeadAng0’-270≥HeadAngr’，
目标点坐标为Xr’＝S*cos(HeadAng0’-270-HeadAngr’)，
Yr’＝S*sin(HeadAng0’-270-HeadAngr’)，
HeadAng0’-90＜HeadAngr’，
目标点坐标为Xr’＝S*cos(HeadAngr’-(HeadAng0’-270))，
Yr’＝S*sin(HeadAngr’-(HeadAng0’-270))。
8.根据权利要求7所述的自动驾驶铰接车的车辆模型搭建及路径跟踪控制方法，其特征在于：步骤S25中，根据车辆原点(X0’，Y0’)和车辆坐标系目标点坐标(Xr’，Yr’)，计算车辆目标转向角方法：
车辆前进时：
当Yr’-Y0’≥0，说明目标点在车辆的右侧，故车辆前进向右转向行驶，转向角度为θ＝arctan(abs(Yr’-Y0’)/abs(Xr’-X0’))，
当Yr’-Y0’<0，说明目标点在车辆的左侧，故车辆前进向左转向行驶，转向角度为θ＝-arctan(abs(Yr’-Y0’)/abs(Xr’-X0’))；
车辆后退时：
当Yr’-Y0’≥0，说明目标点在车辆的右侧，故车辆倒退向右转向行驶，转向角度为θ＝-arctan(abs(Yr’-Y0’)/abs(Xr’-X0’))，
当Yr’-Y0’<0，说明目标点在车辆的左侧，故车辆倒退向左转向行驶，转向角度为θ＝arctan(abs(Yr’-Y0’)/abs(Xr’-X0’))。
9.根据权利要求8所述的自动驾驶铰接车的车辆模型搭建及路径跟踪控制方法，其特征在于：步骤S3中，将目标转向角θ转换为方向盘角度ang公式为：ang＝θ*K，
K为转向系统的方向盘转角与车辆转角的比例关系系数。
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