CN116745190A

CN116745190A - 用于控制自主机动车辆移动的控制方法

Info

Publication number: CN116745190A
Application number: CN202180084978.9A
Authority: CN
Inventors: H·阿图伊; J-J·马丁内斯; V·米兰尼斯; O·塞纳姆
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2020-12-17
Filing date: 2021-12-17
Publication date: 2023-09-12
Also published as: FR3117972A1; EP4263311A1; KR20230117221A; WO2022129564A1; FR3117972B1; JP2023553555A

Abstract

本发明涉及一种用于控制自主机动车辆(10)沿参考轨迹(T)移动的控制方法。该控制方法包括确定作为参考距离(L)的函数的期望偏航速度(W_des)的步骤(E5)以及确定偏航误差的步骤(E6)。参考距离(L)以该偏航误差小于或等于预定的偏航误差阈值(S1)的方式被选择。

Description

用于控制自主机动车辆移动的控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制自主机动车辆移动的控制方法、一种用于控制这种移动的控制设备、一种包括可以由所述控制设备操作的程序指令的计算机程序产品、以及一种包括所述控制设备的自主机动车辆。

背景技术

近年来，在机动车辆装备的驾驶辅助系统方面取得的进展大大提高了道路安全。未来的挑战是设计自主机动车辆。自主机动车辆是被适配为在开阔道路上行进而几乎没有或没有驾驶员干预的机动车辆。该概念的目的是开发和生产这样一种车辆：其最终可以在公共公路上完全安全地行进，并且无论由存在于公路上的其他车辆或障碍物(人类、动物、树木等)引起的交通状况如何，都是如此。这里自主机动车辆的概念涵盖完全自主机动车辆，在这种情况下不需要人类操作者干预所述车辆的驾驶。该概念也是所谓的“半自主”机动车辆，这种车辆具有自动驾驶辅助系统，但人类操作者的干预总体上仍然很重要。

自主机动车辆的操作通常由嵌入式导航设备和定义参考轨迹的设备来共同管理。嵌入式导航设备被设计为在大规模上(也就是说，在道路网络的规模上)规划路线。该路线包括被适配为将起点位置和目的地链接的一系列连续的路段。这一系列路段可能会根据检测到的交通状况或道路网络上预定义的移动约束(例如，某些路段因正在进行的作业而封闭)而动态地变化。

就其本身而言，参考轨迹定义设备被设计为自动处理局部规模(即，大约几十米或几百米)上的车辆位移轨迹。该参考轨迹定义设备被适配为实施由导航系统编程的路线。这种实施是通过根据移动约束确定车辆随时间推移的位置、方向和速度来实现的，这些移动约束比如是机动车辆的动态约束(最大速度、纵向加速度、方向盘角度等)、环境约束(道路上的障碍物等)或优化约束(例如，最小化机动车辆的侧向加速度)。

在自主驾驶的上下文中，机动车辆被设置为通过在由嵌入式导航设备确定的一系列路段上行进来遵循预定义的市区或市区外路线。参考轨迹由笛卡尔坐标定义，这些坐标在时间上是可变的并根据预定义路线所经过的路段和环境参数而进行实时计算。这种计算的实施可以使用道路标记识别设备、雷达或激光检测装置、障碍物识别设备等来完成。在运行时，机动车辆遵循真实轨迹，该轨迹可能与参考轨迹不同。事实上，在运行时，机动车辆会经历一定数量的约束(车轮压力、道路水平差异、风力等)，这些约束可能未被参考轨迹定义设备整合。因此，在该真实轨迹与参考轨迹之间可能存在侧向偏移，该侧向偏移必须被最小化。侧向偏移被理解为意指在参考轨迹的法向轴线上所测量的、真实轨迹与所述参考轨迹之间的非零距离。可以通过侧向控制系统的适当控制来校正该偏移，以修正机动车辆的转向角。

文献US2016107682披露了一种用于控制自主机动车辆转向的方法。在这种方法中，参考轨迹的点是通过预期来选择的。确定在时刻t处自主机动车辆与所选择的参考轨迹的点之间的参考距离。然后，根据该参考距离控制车辆的转向。

尽管文献US2016107682中披露的方法改善了对车辆转向的控制，但其并没有防止真实轨迹围绕参考轨迹变动的现象对乘客带来的不适感，甚至没有防止不稳定性的问题。这些不适感在高速和/或控制系统发生故障时(传感器故障、地图初始化)会更加严重。

因此，需要提出一种用于控制自主机动车辆转向的控制方法，该控制方法的实施简单且符合实际并且可以提高这种自主车辆的乘客对舒适度的感知。

发明内容

本发明旨在至少部分地解决这种需要。

更特别地，本发明旨在改善自主车辆中乘客的体验。

本发明的第一个目的涉及一种用于控制自主机动车辆沿参考轨迹移动的控制方法。该控制方法包括：

-确定自主机动车辆的期望偏航速度的步骤，所述期望偏航速度是在时刻t处所述车辆与所述参考轨迹之间的参考距离的函数；

-确定偏航误差的步骤，该偏航误差对应于该期望偏航速度与自主机动车辆的真实偏航速度的比较；

-将方向盘角加速度传输给致动器的步骤，所述方向盘角加速度是根据偏航误差确定的；

参考距离被选择为使得偏航误差小于或等于预定的偏航误差阈值。

因此，本发明要求自主机动车辆保持低的偏航误差。更特别地，该控制方法选择在时刻t处参考轨迹的点的多项式中的理想点，以最小化该偏航误差。更特别地，该方法选择车辆的位置与该理想点之间的参考距离，以最小化偏航误差。因此，在实施遵循真实轨迹时出现颠簸的风险被大大限制，并且无论自主机动车辆的速度或所述车辆可能存在的故障如何，都是如此。因而乘客的体验得到了改善。

在特定实施例中，当侧向误差y_L高于某个侧向误差阈值时，偏航误差保持小于或等于所述偏航误差阈值，所述侧向误差y_L是在参考距离L下根据参考轨迹和车辆的位置确定的。

在特定实施例中，当自主车辆的速度大于某个速度时，偏航误差保持小于或等于所述偏航误差阈值。

在特定实施例中，期望偏航速度是根据以下等式确定的：

其中，y_L是参考距离L下的侧向误差，并且v_x是自主机动车辆的速度。

在特定实施例中，参考距离是根据以下等式确定的：其中，K_LAS是控制函数，p是取决于车辆的速度v_x、侧向误差y_L和在时刻t-1处确定的参考距离L’的参数，并且δ°°是方向盘角加速度。

在特定实施例中，该控制方法被适配为控制机动车辆的侧向移动。

本发明的另一个目的涉及一种用于经由致动器控制自主机动车辆沿参考轨迹移动的控制设备，所述控制设备包括：

-侧向控制器，该侧向控制器被适配为向所述致动器提供方向盘角加速度，所述方向盘角加速度是根据偏航误差确定的，该偏航误差对应于期望偏航速度与所述自主机动车辆的真实偏航速度之间的比较；

-智能参考优化器，该智能参考优化器被适配为将该期望偏航速度提供给该控制器，所述期望偏航速度是在时刻t处所述自主机动车辆与所述参考轨迹之间的参考距离的函数，所述参考距离被选择为使得偏航误差小于或等于预定的偏航误差阈值。

该控制设备适用于自主机动车辆的动态模型和所使用的任何类型的侧向控制器。因此，自主机动车辆能自动适应它必须面对的不同情况。

本发明的另一个主题涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括可以由前述主题所述的控制设备操作的程序指令，这些程序指令当由所述控制设备执行或解译时触发在自主机动车辆中实施前述另一主题所述的控制方法。

通过阅读作为非限制性示例的并通过附图所展示的实施例的详细说明，将更好地理解本发明，在附图中：

图1是展示了根据本发明的自主机动车辆的示意图；

图2展示了图1的自主机动车辆在道路上的情况。

图3展示了用于控制图1和图2中的自主机动车辆移动的控制设备；

图4详细说明了图3的控制设备的智能参考优化器模块的内容；

图5详细说明了图3的控制设备的侧向控制模块；

图6是展示了控制设备控制图1和图2中的机动车辆移动的各个步骤的简图；

图7提供了图1和图2中的自主机动车辆的响应与现有技术中的车辆的包括的比较。

本发明不限于所呈现的实施例和变型，并且其他实施例和变型对于本领域的技术人员将显而易见。

在不同的附图中，相同或相似的元素具有相同的附图标记。

图1示意性地表示了根据本发明的机动车辆10的俯视图。该机动车辆10包括车辆前部部分、车辆后部部分、车顶、车辆内部、以及转向装置(未表示)。机动车辆还包括底盘和安装或固定在所述底盘上的一个或多个车身面板。

机动车辆10在这里是自主车辆。自主车辆被理解为是全自主或半自主机动车辆。实际上，机动车辆有几个自主性级别。

在第一级别(称为级别1)中，机动车辆负责与所述机动车辆相关联的有限数量的驾驶操作。此时驾驶员仍然负责大部分驾驶控制操作。在级别1中，加速和/或制动控制操作(速度调节器等)由机动车辆控制。该级别1对应于驾驶辅助级别。

在第二级别(称为级别2)中，机动车辆被适配为(例如，经由一个或几个驾驶辅助系统、传感器等)收集关于外部环境(机动车辆周围的道路、车行道、道路交通状况、周围环境条件)的信息。在该级别2中，自主车辆被适配为使用所收集的信息来控制某些驾驶操作(例如，转向、加速和/或制动)。该级别2是机动车辆的部分自动化级别。应当注意，对于级别1和级别2，驾驶员必须保持对由自主机动车辆执行的驾驶操作的完全监控。

在第三级别(称为级别3)中，除了机动车辆要求驾驶员采取行动或进行干预以控制这些驾驶操作中的一个或多个驾驶操作的情况之外，驾驶员将所有驾驶操作都委托给所述机动车辆。该级别3是有条件的自动化级别。

在第四级别(称为级别4)中，驾驶员不再管理任何驾驶操作。此时，机动车辆本身控制所有的驾驶操作，包括当驾驶员未对干预请求做出响应时。级别4是高自动化级别。

在第五级别(称为级别5)中，机动车辆控制所有的驾驶操作。因此，机动车辆在行驶的同时监测道路交通状况、在道路上移动的行动者(人类、动物)、道路上静止的障碍物、车行道。在该级别5处，不需要与人类驾驶员交互。级别5是完全自动化级别。应当注意，对于级别3至级别5，机动车辆被适配为监测驾驶操作并监测所述机动车辆外部的环境。

为了能够在这些不同的自主性级别下执行各种驾驶操作，机动车辆10包括一定数量的传感器，比如：

-前部雷达11A、11B；

-后部雷达12A、12B；

-超声波传感器13；

-摄像机14；

-LIDAR 15；

-GPS天线16。

前部雷达包括两个前部雷达元件11A、11B，这两个前部雷达元件设置在车辆前部部分上、位于所述机动车辆10的对称轴两侧。前部雷达在机动车辆的前部具有检测区111。因此，前部雷达适合于检测周围物体的位置。前部雷达可以测量机动车辆的速度。由前部雷达11A、11B收集的信息对于实施某些驾驶操作(比如紧急制动或防止穿越中间带)特别有用。

后部雷达包括两个后部雷达元件12A、12B，这两个后部雷达元件设置车辆后部部分上、位于所述机动车辆10的对称轴两侧。后部雷达在机动车辆的后部具有检测区112。因此，后部雷达适合于检测周围物体的位置。后部雷达可以测量所述机动车辆10之后的其他机动车辆的速度。由后部雷达12A、12B收集的信息对于实施某些驾驶操作(比如紧急制动或防止穿越中间带)特别有用。

超声波传感器13设置在车辆的前部部分上、介于两个前部雷达元件11A、11B之间。超声波传感器13具有比前部雷达11A、11B的检测区111小得多的检测区113。因此，该超声波传感器13适合于检测非常接近的障碍物。所收集的信息对于实施如与所述机动车辆10正前方的另一机动车辆保持安全距离等驾驶操作特别有用。

摄像机14位于后视镜后方。由该摄像机14收集的信息对于实施某些驾驶操作(比如解密信号传送板、识别路肩和中间带、检测道路上移动的行动者(人类、动物))特别有用。

LIDAR 15(“光探测和测距”)传感器是这里位于机动车辆10的车顶上的传感器。其可以执行激光远程检测测量。激光远程检测是一种基于对返回其发射器的光束的属性的分析而建立的距离测量技术。LIDAR具有相当宽的检测区115，例如，其直径大约为50米。其可以持续对环境进行360°扫描，以取得其3D地图。由LIDAR 15收集的信息对于实施某些驾驶操作(比如检测障碍物(包括在夜间))是有用的。

GPS 16位于机动车辆10的后部部分上。其可以接收GPS(“全球定位系统”)信号。然后，可以根据这些GPS信号在机动车辆10中更新导航数据。

机动车辆还包括适合于处理来自传感器11A、11B、12A、12B、13、14、15的各种数据的中央计算机17。中央计算机17和传感器11A、11B、12A、12B、13、14、15在机动车辆中通过一个或多个CAN(“控制器局域网”)总线类型的网络(未表示)链接，以传递来自传感器的所述数据。

图2展示了图1的自主机动车辆10在道路20上的情况。该自主机动车辆10包括重心23。为了简化图22，图2中未表示出传感器11A、11B、12A、12B、13、14、15、16。道路24由两个边界21界定。该道路还被划分成由多个中间带22隔开的两个车道。在图2中，车辆遵循真实轨迹在右侧车道上行驶。这里，该真实轨迹偏移了重心与参考轨迹T之间的侧向偏移D。该参考轨迹是先前通过机动车辆10的导航系统(特别是根据来自GPS天线16接收到的GPS信号的数据)计算出的。该参考轨迹T在边界21与中间带22之间的中点距离处延伸。该参考轨迹由多个点A0、......、Ai......An形成。

本发明的目的是最小化侧向偏移D。为此，机动车辆10包括控制设备20，该控制设备将从形成参考轨迹T的这组点中选择一个理想点Ai。该理想点Ai将视为预期点。然后，确定重心23与预期点Ai之间的参考距离L。取决于自主车辆周围的外部约束(例如，环境约束或交通约束)，控制设备20将选择距离重心23更远或更近的预期点Ai。因此，如果外部环境简单且交通不复杂，则中央设备将选择距离重心23较远的预期点。参考距离L将因此很大。这将可以校正侧向偏移，以使自主机动车辆平缓地进入参考轨迹T，同时限制颠簸。相反，如果外部环境复杂(下雨等)和/或交通繁忙，则控制设备将选择距重心23较近的预期点，以便迫使自主机动车辆快速返回参考轨迹T。在优选实施例中，该控制设备20直接并入图1中的机动车辆的中央计算机17中。因此，在优选实施例中，控制设备20可以控制自主机动车辆10的侧向移动。

图3展示了用于控制自主机动车辆10移动的控制设备20。

控制设备20包括：

-速度块201；

-参考轨迹块202；

-车辆位置块203；

-偏航速度块204；

-智能参考优化器模块205；

-侧向控制模块206；

-方向盘角加速度块207。

速度块201被适配为测量机动车辆10的速度v_x。

参考轨迹块202被适配为存储机动车辆10的参考轨迹T的数据。

车辆位置块203被适配为确定车辆在任一时刻t的位置P。

偏航速度块204被适配为确定机动车辆的真实偏航速度W。

智能参考优化器模块205被适配为根据速度v_x、参考轨迹T的数据、车辆的位置P和方向盘角加速度δ°°来确定期望偏航速度W_des。

侧向控制模块206被适配为根据期望偏航速度W_des和真实偏航速度W来提供侧向控制命令K_lat。

方向盘角加速度块207被适配为根据侧向控制命令K_lat来提供方向盘角加速度δ°°。

图4详细说明了智能参考优化器模块205的内容。该模块205包括：

-侧向误差块2051；

-控制函数块2052；

-参考距离块2053；

-期望偏航速度块2054。

侧向误差块2051被适配为接收参考轨迹T、车辆的位置P和在时刻t-1处确定的参考距离L′。该侧向误差块2051递送侧向误差y_L。

控制函数块2052被适配为接收车辆10的速度v_x、侧向误差y_L、参考距离L′和方向盘角加速度δ°°。该块2052包括侧向函数K_LAS，被适配为递送在时刻t处确定的参考距离L。

参考距离块2053被适配为接收在时刻t处确定的参考距离L。该块2053将该参考距离L递送到期望偏航速度块2054。块2053还将在时刻t-1处确定的参考距离L′递送到侧向误差块2051和控制函数块2052。

期望偏航速度块2054接收在时刻t处确定的参考距离L。该期望偏航速度块递送期望偏航速度W_des作为输出。

图5详细描述了侧向控制模块206。该模块206包括：-

-偏航误差块2061；

-侧向控制块2062；

-方向盘角速度块2063；

-微分器块2064。

偏航误差块2061被适配为将期望偏航速度W_des与真实偏航速度W进行比较。该偏航块2061提供偏航误差Err_Lacet。在本发明中，该偏航误差Err_Lacet小于或等于预定的偏航误差阈值S1。优选地，该偏航误差阈值S1对应于期望偏航速度W_des的10％。

侧向控制块2062被适配为接收偏航误差Err_Lacet并确定方向盘角速度δ°。

方向盘角速度块2063被适配为接收方向盘角速度δ°并将该方向盘角速度提供给微分器块2064。

在下文中结合图1至图5以及图6来描述用于控制自主机动车辆10移动的控制方法。

在图6中，在确定步骤E1中，确定关于车辆10的速度v_x、参考轨迹T和车辆位置P的输入数据。

在步骤E2中，模块205的块2051根据参考轨迹T、车辆位置P和在时刻t-1处确定的参考距离L′来确定侧向误差y_L。

在步骤E3中，模块205的块2052根据车辆10的速度v_x、侧向误差y_L、在时刻t-1处确定的参考距离L′、以及方向盘角加速度δ°°来确定在时刻t处的参考距离L。在优选实施例中，适用以下等式：

其中，作为提醒，K_LAS是控制函数，ρ是取决于车辆的速度v_x、侧向误差y_L和在时刻t-1处确定的参考距离L′的参数，并且δ°°是方向盘角加速度。

在步骤E4中，模块205的块2053将参考距离L′传输到块2051和2052。在该步骤E4中，块2053还传输在时刻t处确定的参考距离L。

在步骤E5中，块2054确定期望偏航速度W_des。该期望偏航速度W_des是在时刻t处车辆与参考轨迹之间的参考距离L的函数。在特定实施例中，期望偏航速度W_des是根据以下等式确定的：

其中，作为提醒，y_L是参考距离L下的侧向误差，并且v_x是自主机动车辆的速度。

在步骤E6中，模块206的块2061确定偏航误差Err_lacet。该偏航误差Err_lacet对应于期望偏航速度W_des与机动车辆的真实偏航速度W的比较。

在步骤E7中，模块206的块2062根据偏航误差Err_lacet确定方向盘角速度δ°。

在步骤E8中，模块206的块2064确定方向盘角加速度δ°°并将其传输到被适配为控制自主机动车辆的致动器。因此，该方向盘角加速度是经由步骤E7和E8根据偏航误差Err_Lacet来确定的。致动器例如是自主机动车辆的转向柱。

将注意到，当侧向误差高于某个侧向误差阈值S2时，偏航误差保持小于或等于偏航误差阈值S1。

在替代性实施例中，当自主车辆的速度v_x大于某个速度(例如，80Km/h的速度)时，偏航误差保持小于或等于偏航误差阈值S1。

相关联的控制方法和控制设备20在包括直线和弯曲的混合部分的萨托里测试电路上进行验证。图7是参考轨迹T发生急剧变化期间第一轨迹31与第二轨迹32之间的比较。第一轨迹31表示根据现有技术的自主车辆的响应。该响应围绕参考轨迹变动。第二轨迹32表示根据本发明的自主机动车辆10的响应。该响应呈现较小的变动。因此，自主车辆的真实轨迹更快速地“贴近”参考轨迹T。

因此，用于控制自主机动车辆移动的控制方法和相关联的控制设备20可以实现：

-找到参考轨迹中的最佳预期点来提供给侧向控制器；

-控制设备可以适用于任何自主侧向操纵(变道、动态变化、驻车操纵等)；

-控制设备与任何轨迹导航系统兼容并且可以连接到任何ADAS/AD侧向控制器；

-在期望轨迹可能不一致甚至不可能以车辆的能力实现的危急情况下对自主车辆进行人为类型的驾驶；

-在传感器或道路状况引起显著噪声或误差的情况下灵活驾驶车辆；

-控制设备也可以用于在出现显著初始侧向误差的情况下启动自主模式；

-控制设备可以根据致动器的状态和能力对期望的方向盘角加速度进行验证。

本发明还涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括可以由控制设备20操作的程序指令，这些程序指令当由所述控制设备20执行或解译时触发实施如图5所述的控制方法。

本发明还涉及一种包括控制设备20的自主机动车辆10。该自主机动车辆是私家客车，如图1和图2所表示的。作为变型，机动车辆是如公共汽车或卡车等任何其他车辆。

本发明不限于所呈现的实施例和变型，并且其他实施例和变型对于本领域的技术人员将变得显而易见。

Claims

1.一种用于控制自主机动车辆(10)沿参考轨迹(T)移动的控制方法，所述方法包括：

-确定该自主机动车辆的期望偏航速度(W_des)的步骤(E5)，所述期望偏航速度(W_des)是在时刻t处该车辆与该参考轨迹(T)之间的参考距离(L)的函数；

-确定偏航误差(Err_lacet)的步骤(E6)，该偏航误差对应于该期望偏航速度(W_des)与该自主机动车辆的真实偏航速度(W)的比较；-将方向盘角加速度(δ°°)传输给适合于控制该自主机动车辆的致动器的步骤(E7)，所述方向盘角加速度是根据该偏航误差(Err_Lacet)确定的；

其特征在于，该参考距离(L)被选择为使得该偏航误差小于或等于预定的偏航误差阈值(S1)。

2.如权利要求1所述的控制方法，其中，当侧向误差(yL)高于某个侧向误差阈值(S2)时，该偏航误差(Err_lacet)保持小于或等于所述偏航误差阈值(S1)，所述侧向误差(y_L)是在该参考距离(L)下根据该参考轨迹(T)和该车辆(10)的位置(P)确定的。

3.如权利要求1和2中任一项所述的控制方法，其中，当该自主车辆的速度(v_x)大于某个速度时，该偏航误差(Err_lacet)保持小于或等于所述偏航误差阈值(S1)。

4.如权利要求1至3中任一项所述的控制方法，其中，该期望偏航速度(W_des)是根据以下等式确定的：

其中，yL是该参考距离L下的侧向误差，并且vx是该自主机动车辆的速度。

5.如权利要求1至4中任一项所述的控制方法，其中，该参考距离是根据以下等式确定的：

其中，K_LAS是控制函数，ρ是取决于该车辆的速度v_x、该侧向误差y_L和在时刻t-1处确定的参考距离L’的参数，并且δ°°是方向盘角加速度。

6.如权利要求1至5中任一项所述的控制方法，其中，所述控制方法被适配为控制该自主机动车辆的侧向移动。

7.一种用于经由致动器控制自主机动车辆沿参考轨迹移动的控制设备，

所述控制设备包括：

-侧向控制器(206)，该侧向控制器适合于向所述致动器提供方向盘角加速度(δ°°)，所述方向盘角加速度(δ°°)是根据偏航误差(Err_lacet)确定的，该偏航误差对应于期望偏航速度(W_des)与所述自主机动车辆(10)的真实偏航速度(W)之间的比较；

-智能参考优化器(205)，该智能参考优化器适合于将该期望偏航速度(W_des)提供给该控制器，所述期望偏航速度(W_des)是在时刻t处所述自主机动车辆与所述参考轨迹之间的参考距离(L)的函数，所述参考距离(L)被选择为使得该偏航误差(Err_lacet)小于或等于预定的偏航误差阈值(S1)。

8.一种计算机程序产品，包括能够由如权利要求7所述的控制设备(20)操作的程序指令，这些程序指令当由所述控制设备(20)执行或解译时触发在自主机动车辆(10)中实施如权利要求1至6中任一项所述的控制方法。

9.一种包括如权利要求7所述的控制设备(20)的自主机动车辆。