CN117320951A - 用于重型车辆的自适应路径跟随算法 - Google Patents

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CN117320951A CN202280036040.4A CN202280036040A CN117320951A CN 117320951 A CN117320951 A CN 117320951A CN 202280036040 A CN202280036040 A CN 202280036040A CN 117320951 A CN117320951 A CN 117320951A
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蒂莫西·戈登
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Abstract

一种用于控制重型车辆(100)跟随参考路径(P)的方法，所述方法包括：获得(S1)所述车辆(100)将要跟随的所述参考路径(P)；从在所述路径(P)附近的车辆位置(x)确定(S2)沿着所述路径(P)的目标点(G)以用作转向参考，其中所述目标点(G)沿着所述路径(P)距与所述车辆位置(x)相关联的参考位置(x,G0)测量的距离为预瞄距离(Dp)，其中至少部分地基于所述车辆位置(x)相对于所述参考路径(P)的横向偏差(y)来确定所述预瞄距离(Dp)，使得所述预瞄距离(Dp)随着相对于所述参考路径(P)的横向偏差(y)增大而增大，并且随着横向偏差(y)减小而减小；以及基于所述目标点(G)来控制(S3)所述车辆(100)。

Description

用于重型车辆的自适应路径跟随算法
技术领域
本公开主要涉及重型车辆，诸如卡车和半挂车车辆，但本文公开的技术也可用于其他类型的车辆。本公开具体涉及用于在车辆控制中使用的基于预瞄距离或前瞻距离的路径跟随方法。
背景技术
高级驾驶员辅助系统(ADAS)和用于控制自主车辆自主驾驶(AD)的方法通常基于某种形式的路径跟随算法来控制车辆。控制系统首先例如基于当前运输任务以及指示可能采取的路线的地图数据来确定车辆将跟随的期望路径，以便将车辆从一个位置导航到另一位置。
路径跟随是涉及如何确定每个时刻的车辆速度和转向以使车辆遵循要跟随的特定目标路径的过程。文献中有许多不同类型的路径跟随算法可用，每种路径跟随算法都有其相应的优点和缺点。
纯追踪是一种众所周知的路径跟随算法，其可以以相对较低的复杂度来实施，例如，其在以下文献中进行了描述：RC Coulter，“Implementation of the pure pursuitpath tracking algorithm”，卡内基梅隆大学，匹兹堡宾夕法尼亚机器人研究所，1992年。该算法计算包括转向角在内的一组车辆控制，车辆通过该一组车辆控制从其当前位置朝向沿着要跟随的路径的相距预定“预瞄”距离的点移动。纯追踪方法使车辆“追逐”沿着路径的与车辆相隔预瞄距离的点，故以此得名。
矢量场引导是另一种路径跟随算法，其替代地基于矢量场来控制车辆，所述矢量场也是基于预瞄距离或预瞻参数确定的。例如，Gordon、Best和Dixon在以下论文中讨论了矢量场引导方法：“An Automated Driver Based on Convergent Vector Fields”，机械工程学报学会，D部分，第216卷，第329-347页，2002年。
US2014180543A1公开了一种车辆控制装置，其中基本转向量计算部计算在沿着行驶车道的基本路线上驾驶本车辆的基本转向量。姿势检测部检测由横向位置和偏航角度指示的车辆姿势状态。偏移距离检测部检测基本路线与横向位置之间的偏移距离。校正转向量计算部计算校正转向量作为用于沿着虚拟校正路线驾驶本车辆的转向控制量。通过使用虚拟校正路线将本车辆的姿势与预定虚拟目标点处的预定目标姿势对齐。指令转向量计算部基于基本转向量和校正转向量来计算指令转向量。
EP2251238A1公开了一种即使在车道标记的辨识精度已经下降的情况下也能够继续操作的车辆行驶支持装置。
预瞄距离参数在这些类型的路径跟随过程的行为中起着重要作用。需要改进确定该参数的方法，以使路径跟随方法更适合与铰接式重型车辆一起使用。
发明内容
本公开的目的是提供用于在路径跟随操作期间控制重型车辆的方法和控制单元。该目的通过一种用于控制重型车辆跟随参考路径的方法来实现。所述方法包括获得所述车辆将要跟随的所述参考路径。所述方法还包括从所述路径附近的车辆位置确定沿着所述路径的目标点以用作转向参考，其中所述目标点沿着所述路径距所述路径上与所述车辆位置相关联的参考位置测量的距离为预瞄距离。根据所公开的方法，至少部分地基于所述车辆位置相对于所述参考路径的横向偏差来确定所述预瞄距离，使得所述预瞄距离随着与所述参考路径的横向偏差增大而增大，并且随着横向偏差减小而减小。所述方法还包括基于所述目标点来控制所述车辆。这样，有利地，所述车辆将根据其与所述目标路径的横向偏差来调整其路径跟随行为。如果所述车辆横向远离所述目标路径，则与所述车辆横向更接近所述目标路径时相比，所述车辆将瞄准所述目标路径上更远的点。这种行为将提高所述车辆的路径跟踪性能。
根据各方面，在所述车辆被控制朝向所述目标点的意义上，或者在所述车辆被至少间歇性地控制朝向所述目标点的意义上，基于所述目标点来控制所述车辆。
根据各方面，所述方法还包括至少部分地基于所述车辆的纵向速度来确定所述预瞄距离，使得所述预瞄距离随着纵向速度增大而增大。这种对速度的附加依赖性进一步改善了所述车辆的路径跟踪行为。
根据各方面，所述方法还包括还基于第一调谐参数来确定所述预瞄距离，其中用于控制所述车辆跟随所述路径的控制力度随着所述第一调谐参数的增大而增大。该调谐参数可用于定制车辆行为。所述车辆路径跟踪行为也可针对不同的车辆类型进行微调。而且，所述路径跟随行为可根据例如车辆负载来调整。例如，所述第一调谐参数也可根据所述参考路径的曲率来调整。这样，可调整在弯道中的车辆路径跟随，以改善路径跟随行为。
所公开的方法还可包括确定在所述参考位置处与所述参考路径相关联的向心横向加速度分量，以及基于所述向心横向加速度分量调整所述第一调谐参数。通过根据形式a＝f(κ)的等式调适所述第一调谐参数a，其中κ是所述目标路径的曲率的任何度量并且f(κ)可以是递增函数，每当需要更高的精度时，就有利地将增大的控制力度应用于路径跟踪。
预瞄距离可例如被确定为
其中U是车辆的纵向速度，y是横向偏差，a是第一调谐参数，并且b≥0是第二调谐参数。这个相对简单的表达式可用有限的计算工作量实时评估，这是优点。可通过将所述预瞄距离限制为最小预瞄距离L0来获得进一步的优点，例如根据以下表达式
其中同样地，U是车辆(100)的纵向速度，y是横向偏差，a是第一调谐参数，b≥0是第二调谐参数，并且L0是最小预瞄距离。参数b是可用于修改接近目标路径的行为的调整参数。当然，也可使用涉及一个或多个参数的其他表达式f(·)来确定预瞄距离，如
Dp＝max(f(·)，L0)
在一些实施方案中，第二调谐参数b是常数。在其他实施方案中，第二调谐参数b是车辆的纵向速度U的函数。具体地，第二调谐参数可由下式给出
本文公开的方法可有利地与矢量场路径跟随方法组合，其中人工流引导方法表示子集。对于直线目标路径，矢量场直接指向预瞄点。更一般地，在弯道上，参考路径可任选地被确定为
其中t1是在所述参考位置处评估的所述参考路径的单位长度切矢量，t2是在目标点处评估的所述参考路径的单位长度切矢量，t3是从车辆位置指向目标点的单位长度矢量，并且角度θ是两个切矢量t1和t2之间的角度的一半。这改善了转弯时的车辆控制。在本公开的后续部分中，表达式w1将被称为第一流场。优选地，为了计算矢量t2和t3，根据在不强制实施任何最小预瞄距离L0的情况下计算出的预瞄距离(Dp)来确定目标点。
在应用人工流引导方法的实施方案的进一步发展中，基于当前横向偏差来选择性地控制所述车辆。更准确地，当横向偏差(y)超过阈值(ymax)时，可根据第一流场的方向w1来控制车辆，并且根据第二流场的方向w2来控制车辆，其中第二流场具有比第一流场弱的恢复动作。这补救了在特定情况下观察到的振荡行为，例如在曲率变化的参考路径的部分中。在本公开的后续部分中，由|y|≤ymax定义的区域将被称为参考路径的边界区域。
本文公开的方法有利地与例如基于纯追踪的路径跟随算法(其中参考位置等于车辆位置)或基于矢量场引导的路径跟随算法(其中参考位置是路径上与穿过车辆位置的在参考位置处正交于路径的直线相交的位置)组合。本文公开的路径跟随方法还可有利地用于包括车道保持辅助(LKA)功能、半自主驾驶和/或自主驾驶的车辆应用中。
本文还公开了与上文讨论的优点相关联的车辆、计算机可读介质和计算机程序产品。
通常，除非本文另外明确定义，否则在权利要求中使用的所有术语应当根据它们在本技术领域中的普通含义来解释。除非另外明确声明，否则所有提及的“一种/一个/该元件、设备、部件、装置、步骤等”将被开放性地解释为是指该元件、设备、部件、装置、步骤等的至少一个实例。除非明确声明，否则本文公开的任何方法的步骤并非必须按所公开的确切顺序来执行。当研究所附权利要求和以下描述时，本发明的进一步特征和优势将变得显而易见。本领域技术人员认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可组合本发明的不同特征以产生不同于以下描述的那些实施方案的实施方案。
附图说明
下文将参考附图更详细地描述作为示例引用的本发明的实施方案。在附图中：
图1示意性地示出了示例性重型车辆；
图2示出了车辆运动控制系统；
图3示出了基于纯追踪的方法的路径跟随；
图4示出了基于矢量引导的方法的路径跟随；
图5例示了针对不同预瞄距离设置的路径跟随行为；
图6示意性地示出了车辆控制功能架构；
图7示出了在转弯时的重型车辆；
图8示出了弯曲路径的路径跟随；
图9是示出方法的流程图；
图10示意性示出了控制单元；并且
图11示出了示例性计算机程序产品。
具体实施方式
现在将在下文参考附图更完整地描述本发明，在附图中示出了本发明的某些方面。然而，本发明可以许多不同形式体现并且不应当被解释为限于本文阐述的实施方案和方面；而是，以举例方式提供这些实施方案，使得本公开将是透彻的并且完整的，并且将本发明的范围全面传达给本领域技术人员。贯穿本说明书，相同的附图标记指代相同的元件。
应当理解，本发明不限于本文描述和附图中所示的实施方案；而是，本领域技术人员将认识到可在所附权利要求的范围内进行许多改变和修改。
图1示出了用于货物运输的示例性车辆100，其中可有利地应用本文公开的技术。车辆100包括被配置为以已知方式牵引挂车单元120的卡车或牵引车辆110。图1中的示例性牵引车110包括车辆控制单元(VCU)130，其被配置为执行各种车辆控制功能，诸如路径跟随和车辆运动管理。挂车单元120还可任选地包括VCU 140。车辆100任选地经由无线链路连接到远程服务器150，该远程服务器也包括控制单元。本文公开的技术可由控制单元130、140、150中的任一者或者由一个或多个控制单元的组合来执行。车载VCU 130、140也可由远程服务器150参数化。
图2示意性地示出了用于通过一些示例性运动支持装置(MSD)来控制例如牵引车110上的车轮210的功能性200，所述运动支持装置在此处包括动力转向装置230和推进装置220，诸如电机(EM)。动力转向装置230和推进装置220是可由一个或多个MSD控制单元240控制的致动器的示例。
交通状况管理(TSM)功能270计划以例如1至10秒左右的时间范围进行驾驶操作。该时间范围对应于例如车辆100通过弯道所花费的时间。由TSM计划和执行的车辆操纵可与加速度曲线和曲率曲线相关联，该加速度曲线和曲率曲线描述针对给定操纵的期望车辆速度和转弯。TSM不断地从车辆运动管理(VMM)功能250请求期望的加速度曲线areq和曲率曲线creq，该VMM功能执行力分配来以安全稳健的方式满足来自TSM的请求并且向不同的MSD传达请求。VMM功能250管理力产生和MSD协调两者，即，其确定在车辆单元处需要什么力才能满足来自TSM功能270的请求，例如根据由TSM请求的所请求的加速度曲线来使车辆加速和/或产生也由TSM请求的车辆的特定曲率运动。力可包括例如横摆力矩Mz、纵向力Fx和横向力Fy，以及施加在不同车轮处的不同类型的扭矩。
MSD控制单元240、VMM功能250和TSM功能270都能访问来自各种车载车辆传感器260的传感器数据，车辆控制可基于该传感器数据。这些传感器可包括例如全球定位系统(GPS)接收器、基于视觉的传感器、车轮速转速传感器、雷达传感器和/或激光雷达传感器。传感器尤其被配置为确定相对于参考路径的车辆位置。
图3和图4示出了两个示例性路径跟随方法，其中可有利地使用本文公开的技术中的至少一些。
图3示出了纯追踪算法可如何控制车辆跟随预期路径或参考路径P的示例300。车辆位于与参考路径P偏离横向偏差y的车辆位置x处。应当理解，可用多种不同的方式来确定与参考路径的横向偏差。本文使用的定义是沿着与路径P正交的线y从车辆位置x到参考路径P的距离，如图3所示。本文公开的一般概念当然也适用于横向偏差的其他定义。
在示例300中，车辆具有轴距长度L。纯追踪方法背后的一般思想是计算将车辆从其当前位置x带到参考路径P上的目标点G的曲率。目标点通过定义半径为R的圆来确定，使得该圆既经过目标点又经过当前车辆位置x。然后，通过相对于该圆确定的转向角a来控制车辆，如图3所示。目标点P的选择在纯追踪算法的行为中起着重要作用。选择目标点，使得从车辆位置x到目标点的距离始终等于预瞄距离Dp。
与这种类型的纯追踪算法相关的更多细节在以下文献中给出：R.C.Coulter，“Implementation of the pure pursuit path tracking algorithm”，卡内基梅隆大学，匹兹堡宾夕法尼亚州机器人研究所，1992年，以及Park,Myung-Wook、Sang-Woo Lee及Woo-Yong Han的“Development of lateral control system for autonomous vehicle basedon adaptive pure pursuit algorithm”，第14届国际控制、自动化与系统会议(ICCAS2014)，IEEE，2014年。
图4示出了基于矢量场引导的路径跟随方法的示例400。在该方法中，生成矢量场410，并且根据当前车辆位置x处的矢量w来控制车辆。确定每个矢量w，使得它从位置x指向参考路径P上的相应目标点G。同样基于预瞄距离Dp来确定参考点，但是现在预瞄距离是沿着参考路径P测量的距参考路径P上的参考位置G0的距离。该参考位置G0是路径P上与在参考位置G0处正交于路径P的直线相交的位置，该直线也穿过车辆位置x，如图4所示。Gordon、Best和Dixon在以下文献中讨论了基于矢量场引导的方法：“An Automated Driver Basedon Convergent Vector Fields”，机械工程学报学会，D部分，第216卷，第329-347页(2002)。作者Song M、Wang N、Gordon T和Wang J.还在以下文献中讨论了基于矢量场的方法：“Flow-field guided steering control for rigid autonomous ground vehiclesin low-speed manoeuvring”，发布于Vehicle System Dynamics，2019年8月3日；57(8):1090-107。一些与基于矢量场的引导相关的其他细节由以下文献给出：Elham等人，“Multi-objective platoon maneuvering using artificial potential fields”，IFAC-PapersOnLine50.1(2017)，第15006-15011页。
下面将结合图7讨论基于矢量场引导的路径跟随方法的稍微更高级的版本。
纯追踪和基于矢量场的路径跟随方法都依赖于预瞄距离Dp，该预瞄距离有时也称为前瞻距离。预瞄距离与目标点沿着参考路径P距车辆位置的距离有关。直观上，较短的预瞄距离Dp导致控制力度增大，即，转向控制动作更强，以便更快地减小横向偏差y。相反，较长的预瞄距离Dp导致与减少的控制力度相关联的更平滑更缓慢的控制动作。较长的预瞄距离Dp当然会降低车辆100成功通过弯道和更急转弯的能力，这是缺点。
在本文，术语控制力度应被解释为使车辆更接近轨迹所花费的努力量。控制力度可例如根据横向加速度、车辆横摆率、产生的侧滑、所施加的转向角量值、车辆上的致动器所消耗的总能量等来测量。
图5示出了在跟随直线参考路径P时从与路径P偏离横向偏差y的车辆位置x开始的预瞄距离Dp的两种不同设置的效果。示例510示出了如果预瞄距离被选择为相对较大会发生的情况，而示例520示出了如果预瞄距离被选择为较短会发生的情况。
本文公开的技术通过根据相对于预期路径P的横向偏移(或偏差)y调整预瞄距离Dp来改进自动或半自动车辆的引导。还可通过根据纵向方向(即，车辆前进方向)上的车辆速度改变预瞄距离来获得进一步改进。
当前的路径跟随方法存在用于设置预瞄距离Dp的不完整和临时算法的问题。例如，已经提出将Dp设置为与速度成比例，或者设置为一些道路曲率标准的函数。执行这些调适以便在曲率较高时减少预瞄距离，并且在曲率较低时增大预瞄距离。然而，当前的方法没有考虑到相对于目标路径P的横向偏移y。当车辆接近目标路径时，即，当跟踪误差相对较小时，这导致控制力度减少和偏离跟踪性能较差。这对铰接式车辆(诸如车辆100)的偏离跟踪性能具有负面影响。
为了提高当车辆接近参考路径P时的路径跟随性能，提出基于一组扩展的标准来连续调整预瞄距离，该扩展的标准还包括相对于参考路径的横向偏差y。这减少了参考路径附近控制力度低的问题。事实上，对于一些情况，可配置预瞄距离，以便独立于相对于参考路径P的当前横向偏差而产生稳定的控制力度。
本文公开的新颖技术特征之一是基于多个标准来调适预瞄距离，其中设计参数与控制力度密切相关。路径跟随方法任选地基于矢量场引导，其构造矢量场以提供目标运动方向(或加速度)，如上面在图4中例示。
本文公开的方法的另一个特征在于控制力度可朝向某个期望的控制力度调节，或者至少保持低于最大期望控制力度。该控制力度可根据车辆状态或类型来确定，并且还可能根据道路条件(诸如道路摩擦力是低还是高)来确定。例如，在道路摩擦力低的情况下以及在车辆承载重负载的情况下，可减少控制力度。
本文描述的技术可被布置为作为“预瞄点监督器”进行操作，其根据速度、曲率和横向偏移(或偏差)实时地起作用，如图6中例示的控制架构600所示。从车辆620到预瞄点调整模块610的反馈回路被示出为虚线；这表明仅使用缓慢变化的变量，诸如速度和横向偏移；不使用动态状态，诸如横摆率和车身侧滑角度，因为根据这些状态来调适Dp可能会干扰下层控制环路中的动态稳定性，即，由VMM 250和或在车辆100的MSD控制单元240中执行的控制功能。在诸如人工流引导(AFG)的基于矢量场引导的方法中，仅在虚线上反馈与流动图相关联的车辆状态。
所确定的预瞄距离Dp被发送到路径跟随器模块640，该路径跟随器模块可例如实施基于矢量场的路径跟随方法。然后，可基于所生成的参考数据以已知的方式来控制车辆100。因此，作为该控制的一部分，路径跟随器模块将控制信号传输到各个车辆控制单元。在基于纯追踪的路径跟随策略中，控制信号包括转向角命令，而更一般地，它可包括曲率请求和/或流矢量方向。
预瞄点调整模块610基于来自地图功能630的几何数据和车辆状态信号来确定要使用的当前预瞄距离Dp。该预瞄距离至少部分地基于相对于参考路径P的横向偏差y来确定，使得预瞄距离Dp随着相对于参考路径P的横向偏差y的增大而增大，并且随着横向偏差y的减小而减小。在纯追踪算法中，横向偏差y如图3所指示那样确定，而在基于矢量场的方法中，横向偏差如图4所指示那样确定。当然，定义横向偏差的其他方式也是可能的，其中所有方法的共同点是横向偏差y指示以某种方式从参考路径横向向外到车辆位置x测量的横向控制误差。
图7示出了当转弯时(即，当参考路径P表现出曲率时)的路径跟随。本文公开的方法可有利地用于矢量场引导方法。具体地，矢量场中矢量w的方向可根据路径曲率进行调整，以避免“切割曲线”。例如，可使用以下关系(第一流场)来调整车辆在转弯时的优选方向
这里，t3是直接指向预瞄点或目标点G的单位长度矢量，而t1和t2分别是本地点和目标点G处的单位长度切矢量。角度θ是目标路径上两个切矢量之间的角度的一半。这导致流矢量w1在特殊情况下变得与目标路径相切，其中：
(i)x位于目标路径上，并且
(ii)目标路径的曲率在G0和G之间是恒定的。
优选地，为了计算矢量t2和t3，根据其中不强制实施任何最小预瞄距离L0的预瞄距离(Dp)来计算目标点。应当理解，添加
是对矢量场的方向调整，其应对路径曲率。在特殊情况t1＝t2中，矢量t3的方向没有曲率，也没有调整。该等式的形式是根据以下条件得出的：在车辆位于目标路径上并且曲率恒定的所有情况下(包括零曲率的情况)，w与目标路径相切。尽管可能会出现与切线的微小偏差，但上述等式在可变曲率的情况下仍然有效。Gordon、Best和Dixon在以下文献中讨论了类似概念：“An Automated Driver Based on Convergent Vector Fields”，机械工程学报学会，D部分，第216卷，第329-347页，2002。
在应用人工流引导方法的实施方案的进一步发展中，基于两个不同的流场来选择性地控制车辆，其中该选择由车辆的当前横向偏差y引导。更准确地，当横向偏差(y)超过阈值(ymax)时，可根据第一流场的方向w1来控制车辆，并且根据第二流场的方向w2来控制车辆，其中第二流场具有比第一流场弱的恢复动作。因此，将根据由下式给出的与偏差相关的方向W(y)来控制车辆
显然，W(y)还可取决于车辆的纵向位置，为了简单起见，该纵向位置在本文使用的符号中没有明确说明。可通过对第一流场和在参考位置(G0)处评估的参考路径(P)的切矢量t1进行插值S11来生成第二流场w2。在一些实施方案中，可通过对在阈值横向偏差ymax处评估的第一流场w1和在参考位置(G0)处评估的切矢量t1进行插值来生成第二流场w2。此外，可以这样的方式生成第二流场w2，使得随着横向偏差(y)减小到零，该第二流场渐近地趋向于所述切矢量t1。在具体示例中，第二流场的方向由下式给出
w2＝(cosΓ，sinΓ)，
其中取向r由下式给出
∠t1是在参考位置(G0)处评估的所述切矢量的取向，并且是针对阈值横向偏差(ymax)评估的第一流场的取向。因此，第二流场w2将始终取向在第一流场与在参考位置(G0)处评估的切矢量t1之间。
图8示出了示例性场景800，其中重型车辆100沿着参考路径P操纵通过弯道。车辆100具有纵向速度U，并且以初始横向偏差y1开始，该横向偏差然后减小到y2并进一步减小到y3。
图9是示出总结上述讨论的方法的流程图。示出了一种用于控制重型车辆100跟随参考路径P的方法。该方法包括获得S1车辆100将要跟随的参考路径P。参考路径P可例如基于地图数据和要完成的运输任务来确定，如上所讨论。车辆相对于路径P的位置x可使用车辆车载传感器(诸如GPS接收器、雷达收发器、基于视觉的传感器等)来确定。例如，图2所示的TSM功能270可期望通过与给定曲率相关联的转弯操纵来控制车辆。该曲率然后确定在转弯操纵期间要遵循的参考路径P。
该方法还包括从路径P附近的车辆位置x确定S2沿着路径P的目标点G以用作转向参考，其中目标点G沿着路径P距与车辆位置x相关联的参考位置x，G0测量的距离为预瞄距离Dp。在该方法作为根据基于纯追踪的路径跟随算法或类似算法控制S31车辆100的一部分被执行的情况下，则参考位置x可简单地等于车辆位置。在该方法作为根据基于矢量场引导的路径跟随算法控制S32车辆100的一部分被执行的情况下，则参考位置G0可被确定为路径P上与在参考位置G0处正交于路径P且穿过车辆位置x的直线420相交的位置，如上面在图4中例示。应当理解，控制单元130、140、150可并行执行多于一种路径跟随算法，例如出于冗余目的。
该方法有利地应用于执行S33车道保持辅助(LKA)功能。这些功能可使用诸如相机和雷达的车辆车载传感器来确定车辆前方道路的几何形状，并且根据该道路几何形状来确定参考路径P。道路几何形状可例如根据车道标记等以已知的方式确定。
本文公开的方法当然也适用于铰接式车辆100的半自主或自主驾驶。
应注意，至少部分地基于车辆位置x相对于参考路径P的横向偏差y来确定预瞄距离Dp，使得预瞄距离Dp随着相对于参考路径P的横向偏差y增大而增大，并且随着横向偏差y减小而减小。这样，即使横向偏差变小(这是已知会影响先前提出的路径跟随算法的问题)，也能维持控制力度。
该方法还包括基于目标点G来控制S3车辆100。应当理解，本文公开的路径跟随算法可应用于使除了牵引车110之外的车辆单元转向。例如，铰接式车辆可包括其他可转向车辆单元，诸如自驱动拖台车辆单元或动力挂车。这些车辆单元也可根据本文公开的技术来控制。具体地，步骤S3可包括控制车辆100朝向目标点G。
根据各方面，该方法任选地包括还至少部分地基于车辆100的纵向速度U来确定S21预瞄距离Dp，使得预瞄距离随着纵向速度U的增大而增大。这意味着与车辆更缓慢地移动时相比，在车辆以高速行驶的情况下配置了更平滑的车辆控制。当然，在高速下不期望突然转向操纵。
在确定预瞄距离的策略中可引入一个或多个调谐参数。例如，该方法可包括还基于第一调谐参数a来确定S22预瞄距离Dp，其中用于控制车辆100跟随路径P的控制力度随着第一调谐参数a的增大而增大。因此，该第一调谐参数a表示用于调整使用预瞄距离的路径跟随算法的控制力度的手段。控制力度通常是指旨在使车辆更加遵循参考路径P的车辆运动管理操作的量值。例如，与较小的控制力度相比，较大的控制力度更有可能产生更高的车辆横向加速度。可有利地根据参考路径P的曲率来调整第一调谐参数a。例如，可通过确定S23在参考位置处与参考路径P相关联的向心横向加速度分量并基于向心横向加速度分量调整第一调谐参数来应对不同的路径曲率。
第一调谐参数还可根据车辆状态或车辆类型来调整，诸如车辆100是否重载，以及可能还有车辆100是否具有新轮胎。第一调谐参数可从诸如远程服务器150的远程实体进行配置，或者由技术人员在维修期间配置。驾驶员还可根据个人偏好或操作场景手动地配置参数。
可通过根据目标路径的曲率或平均曲率进行调适Dp，来获得益处，例如，以提高在受限空间中操纵时的精度。这通过减速间接地发生，但可通过根据形式a＝f(κ)的等式调适加速度参数a来实现进一步的优点。这里，κ是目标路径的曲率的任何度量，并且f(κ)可以是递增函数，使得每当需要更高的精度时，就将增大的控制力度应用于路径跟踪。
根据示例，该方法包括将预瞄距离Dp确定S24为
其中U是车辆100的纵向速度(如图8所指示)，y是横向偏差，a是第一调谐参数，并且b≥0是第二调谐参数。参数b是可用于控制接近目标路径的路径跟随的行为的调整参数。参数b在大于零时可具有在接近目标路径时减少非线性的效果。第二调谐参数b可以是可配置的常数。替代地，第二调谐参数b是车辆的纵向速度U的函数。具体地，第二调谐参数是速度的二次函数，诸如
发明人已经证明，b的这种选择致使车辆以恒定角度进入边界区域，而与纵向速度无关。
还可将最小距离添加到预瞄距离确定中，这确定了预瞄距离的下限，即，
这应对当变小时(例如，当速度U非常小时或当路径偏差量值y趋于零时)可能出现的不稳定转向。使用L0降低了转向致动器对时间延迟的敏感度，并且考虑到大型车辆的物理操纵限制。当然，预瞄距离的其他表达式f(·)也是可能的，以便以这种方式确定下限。
图10在多个功能单元方面示意性地示出了根据本文讨论的实施方案的控制单元130、140、150、1000的部件。该控制单元可被包括在车辆100中，例如以VMM或TSM单元的形式。使用能够执行存储在例如呈存储介质1030的形式的计算机程序产品中的软件指令的合适的中央处理单元CPU、多处理器、微控制器、数字信号处理器DSP等中的一者或多者的任何组合来提供处理电路1010。处理电路1010可进一步被提供为至少一个专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA。
特别地，处理电路1010被配置为使控制单元1000执行一组操作或步骤，诸如结合图9讨论的方法。
因此，本文公开了用于控制重型车辆100跟随参考路径P的控制单元130、140、150。控制单元包括处理电路1010，该处理电路被配置为：获得车辆100将要跟随的参考路径P；从路径P附近的车辆位置x确定沿着路径P的目标点G以用作转向参考，其中目标点G沿着路径P距与车辆位置x相关联的参考位置x，G0测量的距离为预瞄距离Dp，其中至少部分地基于车辆位置x相对于参考路径P的横向偏差y来确定预瞄距离Dp，使得预瞄距离Dp随着相对于参考路径P的横向偏差y增大而增大并且随着横向偏差y减小而减小；以及基于目标点G来控制车辆100。
例如，存储介质1030可存储该组操作，并且处理电路1010可被配置为从存储介质1030中检索该组操作以使控制单元1000执行该组操作。该组操作可作为一组可执行指令来提供。因此，处理电路1010由此被布置为执行如本文所公开的方法。具体地，公开了用于控制铰接式车辆100、300的倒车的控制单元115、210、1000，该铰接式车辆包括牵引车110和一个或多个被牵引的车辆单元120、130、140、150，该控制单元包括处理电路1010、联接到处理电路1010的接口1020以及联接到处理电路1010的存储器1030，其中存储器包括机器可读计算机程序指令，所述机器可读计算机程序指令在由处理电路执行时致使控制单元执行上面结合图8讨论的方法。
存储介质1030还可包括持久性存储装置，其例如可以是磁存储器、光学存储器、固态存储器或甚至远程安装的存储器中的任何一种或组合。
控制单元1000还可包括用于与至少一个外部装置通信的接口1020。因而，接口1020可包括一个或多个发射器和接收器，包括模拟和数字部件以及用于有线或无线通信的合适数量的端口。
处理电路1010(例如，通过向接口1020和存储介质1030发送数据和控制信号、通过从接口1020接收数据和报告以及通过从存储介质1030中检索数据和指令)对控制单元1000的一般操作进行控制。控制节点的其他部件以及相关功能性被省略以免使本文呈现的概念变得模糊。
图11示出了承载计算机程序的计算机可读介质1110，该计算机程序包括用于当所述程序产品在计算机上运行时执行图8中所示的方法的程序代码装置1120。计算机可读介质和代码装置可一起形成计算机程序产品1100。

Claims (22)

1.一种用于控制重型车辆(100)跟随参考路径(P)的方法，所述方法包括：
获得(S1)所述车辆(100)将要跟随的所述参考路径(P)，
从在所述路径(P)附近的车辆位置(x)确定(S2)沿着所述路径(P)的目标点(G)以用作转向参考，其中所述目标点(G)沿着所述路径(P)距与所述车辆位置(x)相关联的参考位置(x,G0)测量的距离为预瞄距离(Dp)，
其中至少部分地基于所述车辆位置(x)相对于所述参考路径(P)的横向偏差(y)来确定所述预瞄距离(Dp)，使得所述预瞄距离(Dp)随着相对于所述参考路径(P)的横向偏差(y)增大而增大，并且随着横向偏差(y)减小而减小，以及
基于所述目标点(G)来控制(S3)所述车辆(100)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述控制(S3)包括至少间歇地控制(S3)所述车辆(100)朝向所述目标点(G)。
3.根据任一前述权利要求所述的方法，所述方法还包括至少部分地基于所述车辆(100)的纵向速度(U)来确定(S21)所述预瞄距离(Dp)，使得所述预瞄距离随着纵向速度(U)增大而增大。
4.根据任一前述权利要求所述的方法，所述方法包括还基于第一调谐参数(a)来确定(S22)所述预瞄距离(Dp)，其中用于控制所述车辆(100)跟随所述路径(P)的控制力度随着所述第一调谐参数(a)的增大而增大。
5.根据权利要求4所述的方法，其中根据所述参考路径(P)的曲率来调整所述第一调谐参数(a)。
6.根据权利要求5所述的方法，所述方法包括确定(S23)在所述参考位置处与所述参考路径(P)相关联的向心横向加速度分量，以及基于所述向心横向加速度分量调整所述第一调谐参数(a)。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，所述方法包括将所述预瞄距离(Dp)确定(S24)为
其中U是所述车辆(100)的所述纵向速度，y是所述横向偏差，a是所述第一调谐参数，并且b≥0是第二调谐参数。
8.根据任一前述权利要求所述的方法，所述方法包括将所述预瞄距离(Dp)确定(S25)为
其中U是所述车辆(100)的所述纵向速度，y是所述横向偏差，a是所述第一调谐参数，b≥0是第二调谐参数，并且L0是最小预瞄距离。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述第二调谐参数b取决于所述车辆(100)的所述纵向速度U。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第二调谐参数由下式给出
11.根据任一前述权利要求所述的方法，所述方法包括将与所述参考路径(P)相关联的第一流场的方向w确定(S26)为
其中t1是在所述参考位置(G0)处评估的所述参考路径(P)的单位长度切矢量，t2是在所述目标点(G)处评估的所述参考路径(P)的单位长度切矢量，t3是从所述车辆位置(x)指向所述目标点(G)的单位长度矢量，并且角度θ是两个切矢量t1和t2之间的角度的一半，其中根据所述第一流场的所述方向w1来控制(S3)所述车辆。
12.根据权利要求11所述的方法，其中根据其中不强制实施最小预瞄距离L0的预瞄距离(Dp)来确定所述目标点。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中当所述横向偏差(y)超过阈值横向偏差(ymax)时，根据所述第一流场的所述方向w1来控制(S3)所述车辆，并且根据第二流场的方向w2来控制所述车辆，其中所述第二流场具有比所述第一流场弱的恢复动作。
14.根据权利要求13所述的方法，所述方法还包括：
最初通过对所述第一流场和在所述参考位置(G0)处评估的所述参考路径(P)的所述切矢量t1进行插值来生成(S11)所述第二流场。
15.根据权利要求14所述的方法，其中通过对在所述阈值横向偏差(ymax)处的所述第一流场和在所述参考位置(G0)处评估的所述切矢量t1进行插值来生成所述第二流场。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中以这样的方式生成所述第二流场，使得随着所述横向偏差(y)减小到零，所述第二流场渐近地趋向于在所述参考位置(G0)处评估的所述切矢量t1。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，其中所述第二流场的所述方向由下式给出
w2＝(cosΓ，sinΓ)，
其中
∠t1是在所述参考位置(G0)处评估的所述切矢量的取向，并且是针对所述阈值横向偏差(ymax)评估的所述第一流场的取向。
18.根据任一前述权利要求所述的方法，所述方法包括根据基于纯追踪的路径跟随算法来控制(S31)所述车辆(100)，其中所述参考位置(x)等于所述车辆位置。
19.根据任一前述权利要求所述的方法，所述方法包括根据基于矢量场引导的路径跟随算法来控制(S32)所述车辆(100)，其中所述参考位置(G0)是所述路径(P)上与穿过所述车辆位置(x)的在参考位置(G0)处正交于所述路径(P)的直线相交的位置。
20.根据任一前述权利要求所述的方法，其中控制所述车辆包括执行(S33)车道保持辅助LKA功能、半自主驾驶应用或自主驾驶应用。
21.一种用于控制重型车辆(100)跟随参考路径(P)的控制单元(130、140、150)，所述控制单元包括处理电路(1010)，所述处理电路被配置为
获得所述车辆(100)将要跟随的所述参考路径(P)，
从在所述路径(P)附近的车辆位置(x)确定沿着所述路径(P)的目标点(G)以用作转向参考，其中所述目标点(G)沿着所述路径(P)距与所述车辆位置(x)相关联的参考位置(x,G0)测量的距离为预瞄距离(Dp)，
其中至少部分地基于所述车辆位置(x)相对于所述参考路径(P)的横向偏差(y)来确定所述预瞄距离(Dp)，使得所述预瞄距离(Dp)随着相对于所述参考路径(P)的横向偏差(y)增大而增大，并且随着横向偏差(y)减小而减小，以及
基于所述目标点(G)来控制所述车辆(100)。
22.一种重型车辆(100)，所述重型车辆包括根据权利要求21所述的控制单元(130、140、150)。
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