CN114620033A - 一种基于前轮反馈控制的泊车入库控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于前轮反馈控制的泊车入库控制方法，包含以下步骤：（1）将车辆后轴中心点作为控制点，再根据车辆与路径规划系统生成的期望路径之间相对几何关系，同时考虑横向位移误差反馈、航向角误差反馈和曲率前馈，设计横向控制系统的非线性前馈‑反馈函数，从而实现车辆期望状态和位置的准确跟踪；（2）根据路径规划系统生成的期望加速度和期望速度，纵向控制系统设计基于条件积分的纵向速度跟踪方法，考虑积分运算饱和/未饱和的控制算法切换，实现泊车速度的精确控制。与现有技术相比，本发明充分利用车辆运动学和动力学参数，使横向控制和纵向控制模型更加准确和鲁棒，使智能驾驶汽车在自主泊车过程中更加精确。

Description

一种基于前轮反馈控制的泊车入库控制方法

技术领域

本发明涉及汽车控制领域，尤其是涉及一种基于前轮反馈控制的泊车入库控制方法。

背景技术

汽车保有量的逐年上升，造成车位数量不足，车位尺寸小，泊车入位困难等问题。自主泊车入库技术已经成为研究热点。无人驾驶车辆的运动控制技术是无人驾驶车辆架构体系中最基础的技术和最重要的组成部分之一。运动控制的表现直接反映了无人驾驶车辆的行驶状态。并且由于其处于架构体系的底层，可以说是无人驾驶车辆行驶安全的最后一道闸门，所以其重要性对于自主泊车系统不言而喻。

但泊车运动控制仍存在一定问题。基于泊车运动控制是低速稳定的运动过程这一假设，车辆动力学模型被简化为刚体运动。在进行泊车入库时，车辆可以适当提高车速，提升泊车效率，但是会忽视车辆的稳定性。当期望路径曲率过大时，出现跟踪误差较大等问题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述困难，着眼于无人驾驶汽车泊车入库动作的研究与实现，通过路径跟踪以及速度跟踪，使车辆准确停入库位。该过程需要依赖于路径跟踪控制、路径规划、速度控制、转角跟踪控制等多个子系统协同完成。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于前轮反馈控制的泊车入库控制方法，包括以下步骤：

(1)将车辆后轴中心点作为控制点，再根据车辆与路径规划系统生成的期望路径之间相对几何关系，同时考虑横向位移误差反馈、航向角误差反馈和曲率前馈，设计横向控制系统的非线性前馈-反馈函数，从而实现路径跟踪的横向误差逐渐收敛至零，以及航向角误差收敛至零，从而实现车辆期望状态和位置的准确跟踪；

(2)根据路径规划系统生成的期望加速度和期望速度，纵向控制系统设计基于条件积分的纵向速度跟踪方法，考虑积分运算饱和/未饱和的控制算法切换，实现泊车速度的精确控制。

进一步地，步骤(1)具体包括以下步骤：

(101)根据当前所述车辆的位姿与所述期望路径的相对几何关系，进行车辆运动学模型分析；

(102)基于车辆运动学模型分析和规划路径信息，设计前轮转角非线性前馈-反馈控制算法。

进一步地，步骤(101)中，根据所述车辆的位置、姿态与所述期望路径的相对几何关系，分别得到车辆方向盘转角控制变量，包含横向位移误差和航向角误差；

在所述相对几何关系中，首先在车辆正前方固定距离的位置设定预瞄点，并将所述期望路径上与所述预瞄点距离最近的点设为路径跟踪的目标点；在不考虑横向跟踪误差的情况下，所述车辆的前轮转角方向与所述目标点的切线方向始终保持一致；所述车辆的惯导系统可实时得到所述车辆的航向角，与所述目标点的预先规划的目标航向角计算求出航向角误差；

根据车辆当前位置，计算所述预瞄点与所述目标点的横向位移误差；所述横向位移误差为所述控制点与所述目标点的切线的距离，而所述目标点的切线是通过与所述目标点前后两个点拟合得到；在不考虑航向角误差的影响下，计算出由于横向位移误差；将所述目标点预设的曲率设置为目标曲率，计算由于曲率带来的前馈控制转角。

进一步地，步骤(102)中，基于车辆运动学模型分析设计前轮转角前馈-反馈控制算法：同时考虑所述车辆与所述期望路径的所述横向位移误差、所述航向角误差和所述目标曲率，前轮转角计算公式可概括为：

δ＝k₁·e₁+k₂·e₂+k₃·e₃ (1)

其中，e₁为横向位移误差；e₂为航向角误差；e₃为目标曲率；k₁为横向位移增益系数；k₂为航向角增益系数；k₃为曲率增益系数；增益系数的大小决定收敛速度，协调增益系数使车辆快速跟踪至目标轨迹。

进一步地，步骤(2)包括以下步骤：

(201)基于滑移率公式和利普西茨条件，得到以轮速为自变量的利普西茨条件，进一步完成车轮动力学模型分析；

(202)基于所述车轮动力学模型分析结果以及车轮纵向非线性特性，结合车辆不同控制模式下的接口，完成纵向控制律的设计，输出纵向控制模式以及对应的控制量。

进一步地，步骤(201)中，根据所述车轮动力学模型，计算驱动轴的车轮动力学方程：

其中，J_Ri为绕第i车轴的车轮转动惯量之和；ω_Ri为第i车轴上车轮的轮速；T_Ri为第i车轴上的驱制动力矩；i＝f为前轴，i＝r为后轴；R为车轮有效半径；F_X为在单个轮胎在轮胎印迹上的轮胎纵向力，利用基于魔术公式的轮胎纵向力表达式进行计算：

F_X(λ)＝(Dsin(Carctan(BX₁-E(BX₁-arctan(BX₁)))))-S_V (3)

其中，X₁表示计算回正力矩的自变量：X₁＝(α+S_h)，α为轮胎侧偏角；C表示曲线形状因子；D为峰值因子，表示曲线的最大值，由轮胎的载荷决定；B表示刚度因子：F为回正力矩零点处的扭转刚度，则B＝F/(C×D)，由轮胎的侧倾角和载荷决定；E为曲率因子，表示曲线最大值附近的形状，由轮胎的侧倾角和载荷决定；S_V表示曲线的垂直方向漂移；S_h表示曲线的水平方向漂移；X₁是车轮的滑移率；

根据魔术公式以及车辆所用轮胎型号计算轮胎纵向动力学特性，对轮胎纵向力函数在不稳定区域的利普西茨条件进行分析，得到不同垂向载荷下的利普西茨常数随轮速的变化关系，从而完成车轮动力学模型分析。

进一步地，步骤(202)中，包括：

将车辆速度定义为纵向控制跟踪误差，利用期望纵向车速下的空气阻力和滚动阻力之和估算行驶阻力，同时考虑行驶阻力的误差将车轮动力学系统转变为镇定系统；

考虑车辆底盘系统电机能力，设计电机力矩控制输入调节范围，基于条件积分算法设计纵向控制率表达式；根据上层纵向规划的车辆目标控制模式，设置车辆纵向控制算法切换条件；控制模式包括ACC控制模式和APA控制模式。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、在横向控制系统的非线性前馈-反馈函数设计过程中，充分利用车辆运动学和动力学参数，同时考虑横向位移误差反馈、航向角误差反馈和曲率前馈，准确调整车辆的位姿状态，从而实现快速准确的轨迹跟踪；

二、纵向控制系统设计基于条件积分的纵向速度跟踪方法，考虑积分运算饱和/未饱和的控制算法切换，可实现泊车速度的精确控制。

附图说明

图1为本发明一种基于前轮反馈控制的泊车入库控制方法的流程图；

图2为本发明各模块信息组分图；

图3为目标点设置示意图；

图4为本发明的几何关系示意图；

图5为泊车试验结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明提供一种基于前轮反馈控制的泊车入库控制方法。包括下列步骤：

(1)根据车辆与期望路径的相对几何关系，基于后轴中心点为控制点，设计非线性反馈函数，实现横向路径跟踪误差收敛至零，即实现车辆期望状态和位置的准确跟踪。

(101)根据期望路径与车辆位姿的相对几何关系，进行运动学模型分析。

(102)基于车辆运动学模型分析设计前轮转角反馈控制算法。

(2)根据期望加速度与期望速度，设计纵向速度跟踪方法，实现泊车速度的精确控制。

(201)根据车辆行驶条件，设置纵向控制控制模式。

(202)根据车辆目标加速度和前馈控制量，设计反馈控制算法。

实施例：

本实施例中，根据上述方法实现的泊车入库的流程具体为：

步骤一、如图2所示，控制模块接收定位信息，定位信息包括：大地坐标系下的车辆坐标、车辆速度、车辆航向角、车辆横摆角速度等。控制模块接收的规划路径，路径由离散的目标点组成，目标点信息包含：目标点的位置、目标点的速度、目标点的加速度、目标点的曲率、目标点的控制模式、目标点的序号等信息。控制模块接收底盘反馈的信息包括：方向盘转角反馈，车辆底盘通信状态等信息。如图3所示首先根据车辆定位坐标信息设置预瞄距离和预瞄点。预瞄距离的设置可以有效的减缓车辆发生抖动。预瞄点计算公式：

PosX＝veh_x+ls_forward*cos(Veh_heading) (4)

PosY＝veh_y+ls_forward*sin(Veh_heading) (5)

式中，veh_x代表车辆在X方向的坐标，veh_y代表车辆在Y方向的坐标，

代表航向角，PosY代表预瞄点在Y方向上的坐标，PosX代表预瞄点在X方向上的坐标。ls_forward代表预瞄距离，需要根据实际情况标定，Veh_heading代表车辆航向角，由定位模块提供。同理如果向后预瞄时，将相关坐标减去预瞄距离。

预瞄点设置完成后，通过预瞄点去寻找路径上的目标点。遍历路径上的每一个点，求解每一个点与预瞄点之间的距离，距离最短的点即我们所要追踪的目标点。基于路径规划算法，接收定位信息，车辆状态信息，设计横向跟踪控制预瞄距离，寻找路径上与预瞄点(x_r,y_r)最近距离的路径点(x,y)。

期望路径由一系列离散点组成，每个离散点包含该点的坐标、航向角、速度、加速度等信息。根据预瞄距离设置寻找到的最近的目标点，计算最近点与车辆之间的航向角误差。根据车辆与期望路径点的几何关系计算预瞄点与目标点之间的横向位移误差。控制模块接收组合定位信息、规划路径信息以及底盘反馈信息。首先根据自车定位坐标信息设置预瞄距离和预瞄点。预瞄距离的设置可以有效的减缓车辆发生抖动。综合考虑泊车时车辆状态、实车调试难易程度等问题，本项目采用一种基于前轮转角反馈控制的路径跟踪控制算法。该方法是一种基于横向跟踪误差的非线性反馈函数，如图3所示，e为前轴中心到最近路径点(P_x,P_y)的距离，并且能实现横向跟踪误差指数收敛于0。如图4所示，根据车辆位姿与给定路径的相对几何关系可以直观的获得控制车辆方向盘转角的控制变量，其中包含横向偏差e和航向偏差θ_e。

式中，δ_e(t)表示由于横向位移误差所需转动的角度；

表示由于航向角误差所需转动的角度。在不考虑航向跟踪偏差的情况下，横向跟踪误差越大，前轮转向角越大，假设车辆预期轨迹在距离前轮d(t)处与给定路径上最近点切线相交，根据几何关系得出如下非线性比例函数：

其中，d(t)与车速相关，可用车速v(t)与增益参数k表示。随着横向误差的增加，arctan函数产生一个直接指向期望路径的前轮偏角，并且收敛受车速v(t)限制。

考虑泊车时路径曲率变化较大，在进行泊车入库时，还需要考虑曲率对路径跟踪控制的影响。在综合横向位移误差和航向角误差的基础上，增加曲率比例控制，使的路径跟踪更加精确。

步骤二、车辆通过实时接收组合定位模块信息确定车辆实际速度、加速度、横摆角速度等信息。通过纵向预瞄距离设置纵向预瞄点和目标点。从目标点中获得车辆目标速度和目标加速度和控制模式。当控制模式为ACC模式时，纵向控制接口为加速度。在纵向控制率设计中引入积分运算时，如果控制器收到外部干扰、参数不确定性和执行器约束的影响而导致系统不能镇定，积分运算持续增加并发散，最终导致执行器饱和并进一步导致控制算法失效，损害系统瞬态响应甚至是稳定性。

接收路径规划发送的路径点的期望速度和期望加速度和底盘反馈的车辆速度信息。计算车辆当前最大加速度：

其中，u代表路面附着系数，g代表重力加速度，a_y代表侧向加速度。根据车辆俯仰角设计速度控制前馈控制量：

a_fore＝k*g*sinθ (10)

当积分运算未饱和时，纵向运动控制率为：

当积分运算饱和时，纵向运动控制率为：

式中，u₁为控制约束减去前馈控制以后，给反馈控制剩余的控制余量。σ为积分运算的中间变量，在这里起到条件积分器的作用。sgn为符号函数。x为控制变量的误差。

Claims (6)

1.一种基于前轮反馈控制的泊车入库控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将车辆后轴中心点作为控制点，再根据车辆与路径规划系统生成的期望路径之间相对几何关系，同时考虑横向位移误差反馈、航向角误差反馈和曲率前馈，设计横向控制系统的非线性前馈-反馈函数，从而实现路径跟踪的横向误差逐渐收敛至零，以及航向角误差收敛至零，从而实现车辆期望状态和位置的准确跟踪；

(2)根据路径规划系统生成的期望加速度和期望速度，纵向控制系统设计基于条件积分的纵向速度跟踪方法，考虑积分运算饱和/未饱和的控制算法切换，实现泊车速度的精确控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于前轮反馈控制的泊车入库控制方法，其特征在于，所述的步骤(1)具体包括以下步骤：

(101)根据当前所述车辆的位姿与所述期望路径的相对几何关系，进行车辆运动学模型分析；

(102)基于车辆运动学模型分析和规划路径信息，设计前轮转角非线性前馈-反馈控制算法。

3.根据权利要求2所述的一种基于前轮反馈控制的泊车入库控制方法其特征在于，所述的步骤(101)中，根据所述车辆的位置、姿态与所述期望路径的相对几何关系，分别得到车辆方向盘转角控制变量，包含横向位移误差和航向角误差；

在所述相对几何关系中，首先在车辆正前方固定距离的位置设定预瞄点，并将所述期望路径上与所述预瞄点距离最近的点设为路径跟踪的目标点；在不考虑横向跟踪误差的情况下，所述车辆的前轮转角方向与所述目标点的切线方向始终保持一致；所述车辆的惯导系统可实时得到所述车辆的航向角，与所述目标点的预先规划的目标航向角计算求出航向角误差；

根据车辆当前位置，计算所述预瞄点与所述目标点的横向位移误差；所述横向位移误差为所述控制点与所述目标点的切线的距离，而所述目标点的切线是通过与所述目标点前后两个点拟合得到；在不考虑航向角误差的影响下，计算出由于横向位移误差；将所述目标点预设的曲率设置为目标曲率，计算由于曲率带来的前馈控制转角。

4.根据权利要求2所述的一种基于前轮反馈控制的泊车入库控制方法，其特征在于，所述的步骤(102)中，基于车辆运动学模型分析设计前轮转角前馈-反馈控制算法：同时考虑所述车辆与所述期望路径的所述横向位移误差、所述航向角误差和所述目标曲率，前轮转角计算公式可概括为：

δ＝k₁·e₁+k₂·e₂+k₃·e₃ (1)

其中，e₁为横向位移误差；e₂为航向角误差；e₃为目标曲率；k₁为横向位移增益系数；k₂为航向角增益系数；k₃为曲率增益系数；增益系数的大小决定收敛速度，协调增益系数使车辆快速跟踪至目标轨迹。

5.根据权利要求1所述的一种基于前轮反馈控制的泊车入库控制方法，其特征在于，所述的步骤(2)包括以下步骤：

(201)基于滑移率公式和利普西茨条件，得到以轮速为自变量的利普西茨条件，进一步完成车轮动力学模型分析；

(202)基于所述车轮动力学模型分析结果以及车轮纵向非线性特性，结合车辆不同控制模式下的接口，完成纵向控制律的设计，输出纵向控制模式以及对应的控制量。

6.根据权利要求5所述的一种基于前轮反馈控制的泊车入库控制方法，其特征在于，在所述的步骤(201)中，根据所述车轮动力学模型，计算驱动轴的车轮动力学方程：

其中，J_Ri为绕第i车轴的车轮转动惯量之和；ω_Ri为第i车轴上车轮的轮速；T_Ri为第i车轴上的驱制动力矩；i＝f为前轴，i＝r为后轴；R为车轮有效半径；F_X为在单个轮胎在轮胎印迹上的轮胎纵向力，利用基于魔术公式的轮胎纵向力表达式进行计算：

F_X(λ)＝(Dsin(Carctan(BX₁-E(BX₁-arctan(BX₁)))))-S_V (3)

其中，X₁表示计算回正力矩的自变量：X₁＝(α+S_h)，α为轮胎侧偏角；C表示曲线形状因子；D为峰值因子，表示曲线的最大值，由轮胎的载荷决定；B表示刚度因子：F为回正力矩零点处的扭转刚度，则B＝F/(C×D)，由轮胎的侧倾角和载荷决定；E为曲率因子，表示曲线最大值附近的形状，由轮胎的侧倾角和载荷决定；S_V表示曲线的垂直方向漂移；S_h表示曲线的水平方向漂移；X₁是车轮的滑移率；

根据魔术公式以及车辆所用轮胎型号计算轮胎纵向动力学特性，对轮胎纵向力函数在不稳定区域的利普西茨条件进行分析，得到不同垂向载荷下的利普西茨常数随轮速的变化关系，从而完成车轮动力学模型分析。

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