CN114859936A - 路径跟踪控制方法、装置、系统和车辆 - Google Patents

路径跟踪控制方法、装置、系统和车辆 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种路径跟踪控制方法、装置、系统和车辆，涉及辅助驾驶技术领域。该方法包括：计算车辆前轮的目标转角；识别工况对车辆运行产生的干扰量，并基于干扰量生成补偿量；根据车辆前轮的目标转角与实际转角的差值、以及补偿量，经过PID运算，得到方向盘控制量；以及根据方向盘控制量，控制车辆前轮的转向器。本公开能够有效补偿复杂工况对路径跟踪的干扰，保证作业跟踪的精度。

Description

路径跟踪控制方法、装置、系统和车辆
技术领域
本公开涉及辅助驾驶技术领域，尤其涉及一种路径跟踪控制方法、装置、系统和车辆。
背景技术
近年来，农业机械智能化进程发展迅速，辅助驾驶技术在各农业生产过程中扮演了重要的角色，该技术的应用大大减轻了驾驶员的劳动强度。但是，农田中多变的复杂工况会产生诸多动态干扰，对农机辅助驾驶路径跟踪的效果影响显著，因此，提供适用于复杂工况下的路径跟踪技术显得尤为重要。
发明内容
本公开要解决的一个技术问题是，提供一种路径跟踪控制方法、装置、系统和车辆，能够有效补偿复杂工况对路径跟踪的干扰，保证作业跟踪的精度。
根据本公开一方面，提出一种路径跟踪控制方法，包括：计算车辆前轮的目标转角；识别工况对车辆运行产生的干扰量，并基于干扰量生成补偿量；根据车辆前轮的目标转角与实际转角的差值、以及补偿量，经过比例积分微分PID运算，得到方向盘控制量；以及根据方向盘控制量，控制车辆前轮的转向器。
在一些实施例中，根据车辆位置信息、惯性测量数据和路径规划类型，识别干扰量，并基于干扰量生成补偿量。
在一些实施例中，在路径规划类型为直线的情况下，干扰量包括车辆产生第一横摆角速度；基于第一横摆角速度和第一补偿放大倍数，确定第一补偿量。
在一些实施例中，在路径规划类型为曲线的情况下，确定车辆的理想横摆角速度；干扰量包括车辆的理想横摆角速度与车辆产生的第二横摆角速度存在差值；基于理想横摆角速度与第二横摆角速度的差值，以及第二补偿放大倍数，确定第二补偿量。
在一些实施例中，车辆的理想横摆角速度，根据车辆位置信息和速度信息确定。
在一些实施例中，干扰量包括车辆的横滚角，基于横滚角和第三补偿放大倍数，确定第三补偿量。
在一些实施例中，识别干扰量还包括：判断车辆是否入线；若已入线，则基于车辆产生的横摆角速度确定干扰量；若未入线，则干扰量为零。
在一些实施例中，根据车辆的后桥中心与跟踪线的最短距离，以及车辆航向角与跟踪线航向角的差值，确定车辆是否入线。
在一些实施例中，计算车辆前轮的目标转角包括：基于车辆规划轨迹信息和车辆位置信息，利用预瞄跟踪算法，得到目标转角。
根据本公开的另一方面，还提出一种路径跟踪控制装置，包括：跟踪模块，被配置为计算车辆前轮的目标转角；干扰识别与补偿模块，被配置为识别工况对车辆运行产生的干扰量，并基于干扰量生成补偿量；以及控制模块，被配置为根据车辆前轮的目标转角与实际转角的差值、以及补偿量，经过比例积分微分PID运算，得到方向盘控制量，根据方向盘控制量，控制车辆前轮的转向器。
根据本公开的另一方面，还提出一种路径跟踪控制装置，包括：存储器；以及耦接至存储器的处理器，处理器被配置为基于存储在存储器的指令执行如上述的路径跟踪控制方法。
根据本公开的另一方面，还提出一种路径跟踪控制系统，包括：定位模块，被配置为获取车辆位置信息；规划模块，被配置为记录车辆的关键坐标信息，并计算车辆的路径信息；惯性测量单元，被配置为提供惯性测量数据；以及上述的路径跟踪控制装置。
根据本公开的另一方面，还提出一种车辆，包括：上述的路径跟踪控制系统。
在一些实施例中，车辆为农用车辆。
根据本公开的另一方面，还提出一种非瞬时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，该指令被处理器执行时实现如上述的路径跟踪控制方法。
本公开实施例中，精准识别干扰量，并基于干扰量生成补偿量，根据车辆前轮的目标转角与实际转角的差值、以及补偿量，经过PID运算，得到方向盘控制量来控制前轮的转向器，进而控制车辆的转向，能够有效补偿复杂工况对路径跟踪的干扰，保证作业跟踪的精度。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
图1为本公开的路径跟踪控制方法的一些实施例的流程示意图；
图2为本公开的计算目标转角的原理示意图；
图3为本公开的路径跟踪算法示意图；
图4为本公开的路径跟踪控制方法的另一些实施例的流程示意图；
图5为本公开的横摆角速度求解原理示意图；
图6为本公开的路径跟踪控制装置的一些实施例的结构示意图；
图7为本公开的路径跟踪控制装置的另一些实施例的结构示意图；以及
图8为本公开的路径跟踪控制系统的一些实施例的结构示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
相关技术中，基于双天线GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)和预瞄追踪模型的农机自动导航控制，仅适用于直线跟踪，并且，不能自适应各种复杂工况。基于重置控制的拖拉机路径跟踪控制，不具有普遍适用性，并且，算法复杂，仅通过仿真确定相关控制参数，在实际工程应用时，控制参数难整定，不利于工程实际应用。而有的路径跟踪算法，仅适用于履带式农机车辆，不具有农机跟踪控制的普遍性。
图1为本公开的路径跟踪控制方法的一些实施例的流程示意图。
在步骤110，计算车辆前轮的目标转角。
在一些实施例中，基于车辆规划轨迹信息和车辆位置信息，利用预瞄跟踪算法，得到前轮的目标转角。
在一些实施例中，车辆选择自行车运动学模型，采用预瞄跟踪算法，来计算车辆的目标转角。如图2所示，前轮的目标转角为：
Figure BDA0003672651770000051
其中，L为车辆轴距，δ为前轮的转角，α为到车辆后桥中心到路径预瞄点的夹角，ld为预瞄距离，ld＝vt，v为车辆的行驶速度，t为预瞄时间，t可在测试中确定最优值。
在一些实施例中，该车辆为农用车辆。例如，大小型拖拉机、平整土地机械等设备。
在步骤120，识别工况对车辆运行产生的干扰量，并基于干扰量生成补偿量。
在一些实施例中，为了保证该农机跟踪控制算法在各种复杂田地场景的跟踪效果，包括泥泞、颠簸、横坡、机具左右负载不均匀等情况，需要识别复杂工况产生的干扰量，进而基于干扰量产生相对等的补偿量。
在一些实施例中，根据车辆位置信息、惯性测量数据和路径规划类型，识别该干扰量，并基于干扰量生成补偿量。惯性测量数据包括车辆实时的三轴姿态信息、角速度、加速度信息等。
在一些实施例中，该补偿量为转速补偿量。
在步骤130，根据车辆前轮的目标转角与实际转角的差值、以及补偿量，经过PID(比例积分微分)运算，得到方向盘控制量。
在一些实施例中，在没有任何外部环境干扰的情况下，即补偿值为零，利用常规PID算法即可得到方向盘控制量，即根据车辆前轮的目标转角与实际转角的差值，得到前轮转角的变化量误差Err，将Err作为PID算法的输入量，PID算法的输出量u为方向盘力矩电机的控制量，通过控制方向盘，进而操控前轮的转向器。第n时刻的方向盘控制量的表示式为：
Figure BDA0003672651770000052
其中，Kp、Ki、Kd分别为比例、积分、微分系数，T为程序的采样周期。以入线距离短、跟踪横向误差小为目标，确定具体的Kp、Ki、Kd值。
在存在外部环境干扰的情况下，即补偿值不为零，单一的Kp、Ki、Kd值，并不能保证农机都具有良好的跟踪效果。因此，对工况产生的干扰进行准确的识别、进而对控制参数整定补偿显得格外重要。如图3所示，将前轮的目标转角与实际转角的差值，与复杂工况的干扰补偿量作为PID控制算法的输入量，经运算后，得到方向盘控制量。
在步骤140，根据方向盘控制量，控制车辆前轮的转向器。
在上述实施例中，精准识别干扰量，并基于干扰量生成补偿量，根据车辆前轮的目标转角与实际转角的差值、以及补偿量，经过PID运算，得到方向盘控制量来控制前轮的转向器，进而控制车辆的转向，能够有效补偿复杂工况对路径跟踪的干扰，保证作业跟踪的精度。
图4为本公开的路径跟踪控制方法的另一些实施例的流程示意图。
在步骤410，判断车辆是否入线，若为入线，则执行步骤420，若已入线，则执行步骤430。
在一些实施例中，根据车辆的后桥中心与跟踪线的最短距离，以及车辆航向角与跟踪线航向角的差值，确定车辆是否入线。例如，车辆的后桥中心与跟踪线的最短距离ΔDis小于距离阈值，且，车辆航向角与跟踪线航向角差值Δθ小于角度差阈值，则确定车辆已入线。
在步骤420，将车辆前轮的目标转角与实际转角的差值，作为PID算法的输入，得到方向盘控制量。
在一些实施例中，当车辆在入线过程中时，根据入线距离短，平稳性好等因素，通过现场测试确定一组Kp、Ki、Kd，干扰量为零。
在步骤430，基于车辆产生的横摆角速度和横滚角，确定干扰量。
在步骤440，基于干扰量生成补偿量。
在一些实施例中，当车辆入线后，将会实时地对干扰进行识别补偿，补偿量具体地体现在Ki、Kd值上。
由于颠簸路面的左右摆动、泥泞路面的侧滑、机具左右负载不均匀等诸多原因，会对车辆运行产生干扰，无论是何种原因引起的动态干扰，都会先导致车辆横摆角速度上的变化，进而才会导致车辆横向误差的增大，因此选择横摆角速度作为前馈对干扰值进行监测。
在一些实施例中，在路径规划类型为直线的情况下，干扰量包括车辆产生第一横摆角速度，基于第一横摆角速度和第一补偿放大倍数，确定第一补偿量。入线后理想情况下的横摆角速度应该为0，但是由于动态干扰，会导致横摆角速度产生，因此将Kd＝k*ω进行补偿即可，ω为IMU监测到的车辆横摆角速度，k为补偿放大倍数，k可通过现场测试确定最优值。
在一些实施例中，在路径规划类型为曲线的情况下，确定车辆的理想横摆角速度，干扰量包括车辆的理想横摆角速度与车辆产生的第二横摆角速度存在差值，基于理想横摆角速度与第二横摆角速度的差值，以及第二补偿放大倍数，确定第二补偿量。入线后理想情况下的横摆角速度应该为ω1，IMU监测到的车辆真实横摆角速度为ω2，因此，干扰引起的横摆角速度为ω1-ω2，将Kd＝k*(ω1-ω2)进行补偿即可。
在一些实施例后，车辆的理想横摆角速度，根据车辆位置信息和速度信息确定。如图5所示，采用的曲线路径规划为间隔固定的离散轨迹，行驶方向以向右为例，车辆的速度为v，根据车辆的位置以及路径上距离车辆最近的两点(即点1、点2、点3)，可以确定一个圆，得到圆的半径r，进而得到
Figure BDA0003672651770000071
在一些实施例中，干扰量还包括车辆横滚角，基于横滚角和第三补偿放大倍数，确定第三补偿量。例如，车辆在田地行驶过程中，会产生稳态误差，即横滚角θ，Ki＝θ*t，t为补偿放大倍数，t可通过现场测试确定最优值。
在步骤450，将前轮的目标转角与实际转角的差值，与复杂工况的干扰补偿量作为PID控制算法的输入量，经运算后，得到方向盘控制量。
在步骤460，通过控制转向器来控制车辆的转向。
在上述实施例中，通过参数自整定的方式，有效识别、补偿地形工况对路径跟踪带来的干扰，精准跟踪直线、曲线的规划路径，降低了路径跟踪横向误差、提高了路径跟踪的准确性、提高了农机辅助驾驶的作业质量、节省传感器件成本。
图6为本公开的路径跟踪控制装置的一些实施例的结构示意图，该装置包括跟踪模块610、干扰识别与补偿模块620和控制模块630。
跟踪模块610被配置为计算车辆前轮的目标转角。
在一些实施例中，跟踪模块610基于车辆规划轨迹信息和车辆位置信息，利用预瞄跟踪算法，得到前轮的目标转角。
干扰识别与补偿模块620被配置为识别工况对车辆运行产生的干扰量，并基于干扰量生成补偿量。
在一些实施例中，根据车辆位置信息、惯性测量数据和路径规划类型，识别该干扰量，并基于干扰量生成补偿量。
在一些实施例中，在路径规划类型为直线的情况下，干扰量包括车辆产生第一横摆角速度，基于第一横摆角速度和第一补偿放大倍数，确定第一补偿量。
在一些实施例中，在路径规划类型为曲线的情况下，确定车辆的理想横摆角速度；干扰量包括车辆的理想横摆角速度与车辆产生的第二横摆角速度存在差值；基于理想横摆角速度与第二横摆角速度的差值，以及第二补偿放大倍数，确定第二补偿量。其中，车辆的理想横摆角速度，根据车辆位置信息和速度信息确定。
在一些实施例中，干扰量还包括车辆横滚角，基于横滚角和第三补偿放大倍数，确定第三补偿量。
在一些实施例中，判断车辆是否入线；若已入线，则基于车辆产生的横摆角速度和横滚角，确定干扰量；若未入线，则干扰量为零。
在一些实施例中，根据车辆的后桥中心与跟踪线的最短距离，以及车辆航向角与跟踪线航向角的差值，确定车辆是否入线。
控制模块630被配置为根据车辆前轮的目标转角与实际转角的差值、以及补偿量，经过PID运算，得到方向盘控制量，根据方向盘控制量，控制车辆前轮的转向器。
在一些实施例中，将前轮的目标转角与实际转角的差值，与复杂工况的干扰补偿量作为PID控制算法的输入量，经运算后，得到方向盘控制量。
在上述实施例中，精准识别干扰量，并基于干扰量生成补偿量，根据车辆前轮的目标转角与实际转角的差值、以及补偿量，经过PID运算，得到方向盘控制量来控制前轮的转向器，进而控制车辆的转向，能够有效补偿复杂工况对路径跟踪的干扰，能够保证作业跟踪的精度。
图7为本公开的路径跟踪控制装置的另一些实施例的结构示意图。该装置700包括存储器710和处理器720。其中：存储器710可以是磁盘、闪存或其它任何非易失性存储介质。存储器710用于存储上述实施例中的指令。处理器720耦接至存储器710，可以作为一个或多个集成电路来实施，例如微处理器或微控制器。该处理器720用于执行存储器中存储的指令。
在一些实施例中，处理器720通过BUS总线730耦合至存储器710。该装置700还可以通过存储接口740连接至外部存储系统750以便调用外部数据，还可以通过网络接口760连接至网络或者另外一台计算机系统(未标出)。此处不再进行详细介绍。
在该实施例中，通过存储器存储数据指令，再通过处理器处理上述指令，能够保证作业跟踪的精度。
图8为本公开的路径跟踪控制系统的一些实施例的结构示意图。该系统包括定位模块810、规划模块820、惯性测量单元830和上述实施例中的装置，例如装置中包括跟踪模块610、干扰识别与补偿模块620和控制模块630，该装置已在上述实施例中进行了详细介绍，此处不再进一步阐述。
定位模块810被配置为获取车辆位置信息。
在一些实施例中，定位模块810实时地提供农机在全球坐标系下的位置。
规划模块820被配置为记录车辆的关键坐标信息，并计算车辆的路径信息。
在一些实施例中，规划模块820具有存储和运算功能，农机在农田里运动过程中，规划模块820会记录并存储农机关键的坐标信息，经计算输出适合农机跟踪的路径信息。
惯性测量单元830被配置为提供惯性测量数据。
在一些实施例中，惯性测量单元830提供农机实时的三轴姿态信息、角速度、加速度信息。
本公开的路径跟踪控制系统适用于各种复杂田地、各种农机车辆(泥泞、颠簸、横坡、机具左右负载不均匀等)的路径跟踪控制，能精准识别复杂工况田地干扰，并且，通过参数自整定的方式，保证农机路径跟踪的精准度。
在本公开的另一些实施例中，还保护一种车辆，该车辆例如为农用车辆。
在另一些实施例中，一种非瞬时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，该指令被处理器执行时实现上述所对应实施例中的方法的步骤。本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用非瞬时性存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
至此，已经详细描述了本公开。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (15)

1.一种路径跟踪控制方法，包括：
计算车辆前轮的目标转角；
识别工况对车辆运行产生的干扰量，并基于所述干扰量生成补偿量；
根据车辆前轮的目标转角与实际转角的差值、以及所述补偿量，经过比例积分微分PID运算，得到方向盘控制量；以及
根据所述方向盘控制量，控制所述车辆前轮的转向器。
2.根据权利要求1所述的路径跟踪控制方法，其中，
根据车辆位置信息、惯性测量数据和路径规划类型，识别所述干扰量，并基于所述干扰量生成补偿量。
3.根据权利要求2所述的路径跟踪控制方法，其中，识别所述干扰量，并基于所述干扰量生成补偿量包括：
在所述路径规划类型为直线的情况下，所述干扰量包括所述车辆产生第一横摆角速度；
基于所述第一横摆角速度和第一补偿放大倍数，确定第一补偿量。
4.根据权利要求2所述的路径跟踪控制方法，其中，识别所述干扰量，并基于所述干扰量生成补偿量包括：
在所述路径规划类型为曲线的情况下，确定所述车辆的理想横摆角速度，所述干扰量包括所述车辆的理想横摆角速度与所述车辆产生的第二横摆角速度存在差值；
基于所述理想横摆角速度与所述第二横摆角速度的差值，以及第二补偿放大倍数，确定第二补偿量。
5.根据权利要求4所述的路径跟踪控制方法，其中，
所述车辆的理想横摆角速度，根据车辆位置信息和速度信息确定。
6.根据权利要求2所述的路径跟踪控制方法，其中，识别所述干扰量，并基于所述干扰量生成补偿量包括：
所述干扰量包括所述车辆的横滚角，基于所述横滚角和第三补偿放大倍数，确定第三补偿量。
7.根据权利要求2所述的路径跟踪控制方法，其中，识别所述干扰量还包括：
判断所述车辆是否入线；
若已入线，则基于所述车辆产生的横摆角速度和横滚角，确定干扰量；
若未入线，则所述干扰量为零。
8.根据权利要求7所述的路径跟踪控制方法，其中，
根据所述车辆的后桥中心与跟踪线的最短距离，以及车辆航向角与跟踪线航向角的差值，确定所述车辆是否入线。
9.根据权利要求1至8任一所述的路径跟踪控制方法，其中，计算车辆前轮的目标转角包括：
基于车辆规划轨迹信息和车辆位置信息，利用预瞄跟踪算法，得到所述目标转角。
10.一种路径跟踪控制装置，包括：
跟踪模块，被配置为计算车辆前轮的目标转角；
干扰识别与补偿模块，被配置为识别工况对车辆运行产生的干扰量，并基于所述干扰量生成补偿量；以及
控制模块，被配置为根据车辆前轮的目标转角与实际转角的差值、以及所述补偿量，经过比例积分微分PID运算，得到方向盘控制量，根据所述方向盘控制量，控制所述车辆前轮的转向器。
11.一种路径跟踪控制装置，包括：
存储器；以及
耦接至所述存储器的处理器，所述处理器被配置为基于存储在所述存储器的指令执行如权利要求1至9任一项所述的路径跟踪控制方法。
12.一种路径跟踪控制系统，包括：
定位模块，被配置为获取车辆位置信息；
规划模块，被配置为记录车辆的关键坐标信息，并计算车辆的路径信息；
惯性测量单元，被配置为提供惯性测量数据；以及
权利要求要求10或11所述的路径跟踪控制装置。
13.一种车辆，包括：
权利要求12所述的路径跟踪控制系统。
14.根据权利要求13所述的车辆，其中，
所述车辆为农用车辆。
15.一种非瞬时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，该指令被处理器执行时实现如权利要求1至9任一项所述的路径跟踪控制方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117002479A (zh) * 2023-09-18 2023-11-07 上海联适导航技术股份有限公司 一种基于横摆角速度的履带式车辆轨迹跟踪方法

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