CN117519190B - 一种新的铰接车辆控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于自动控制类技术领域，公开了一种新的铰接车辆控制方法。该方法包括：S100：基于当前位姿及参考路径计算横向位置偏差及横摆角度偏差；S200：基于当前位姿及参考路径计算曲率偏差；S300：构建运动学误差模型解出控制量。该控制模型也是以车辆前轮中点为参考中心，但在误差模型中，除了横向位置偏差、横摆角度偏差等，还创造性地提出了曲率偏差的概念，该曲率偏差能够准确描述铰接车辆前后部分运动轨迹与规划曲线符合准确度的问题，从而通过较少的状态变量就可完整描述铰接车辆的控制误差模型，充分利用了“单中心”简单以及“双中心”能够解决车辆前后部分运动轨迹与规划曲线一致符合的优点。
Description
技术领域
本发明属于自动控制类技术领域，尤其涉及一种新的铰接车辆控制方法。
背景技术
农机、装卸车、矿区运输车等车辆的自主控制需要回答3个基础问题：我在哪？我去哪？怎么去？而对车辆进行转向控制的自动驾驶系统属于第3个问题的范畴。解决怎么去的问题。第1步就需要构建控制模型。对于铰接转向的车辆而言，因其特殊的2段铰接的结构特点，通用的“自行车模型”并不适用，因此需要基于运动及几何约束，单独构建合适的运动学控制模型。
对于铰接车辆的控制模型，一般是基于车辆的非完整性约束方程与2段刚体运动约束方程，构建基于铰接转向车辆前轮中点处的“单中心”误差模型，或是基于铰接转向车辆前轮中点与后轮中点的“双中心”误差模型。前者虽然简单，但当车辆沿曲线行驶的过程中，因其铰接转向结构，会导致车辆前半部分沿着曲线运动、而车辆后半部分明显偏离规划曲线的问题。而后者，非常容易导致模型变量冗余的问题，会给后续求解带来一定的难度。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种新的铰接车辆控制方法，包括以下步骤，
S100：基于当前位姿及参考路径计算横向位置偏差及横摆角度偏差；
S200：基于当前位姿及参考路径计算曲率偏差；
S300：构建运动学误差模型解出控制量。
优选的，所述的步骤S100中，
假设车辆的当前位姿为P0(xi,yi,θi)，参考路径为Γ(xr(s),yr(s))，其中s为参数，如果此时刻离当前点最近的点为P*(xr(s*),yr(s*))；
当前位姿为P0(xi,yi,θi)：xi-世界坐标系中的x坐标值，yi-世界坐标系中的y坐标值,θi-车辆坐标系(以车辆前轮中点为原点，以车头方向为X轴正，符合右手法则)在世界坐标系中的倾角，即车辆的当前姿态；
参考路径为Γ(xr(s),yr(s))：xr(s)-世界坐标系下的参考路径x坐标表达式，yr(s)-世界坐标系下的参考路径y坐标表达式,s-为自变量参数；
s*：参考路径中离当前点最近的点对应的自变量参数；
则P*(xr(s*),yr(s*))处的切线单位向量为
则P0(xi,yi,θi)处的绝对偏差向量为
则P0(xi,yi,θi)处的横向位置偏差εy为与/>的向量积：
则P0(xi,yi,θi)处的横摆角度偏差εθ：
优选的，所述的步骤S200中，
P*(xr(s*),yr(s*))处的路径曲率：
基于车辆前轮中点、后轮中点至铰接处的距离及铰接角度容易求出与两中点相切的近似圆，其半径为r，
则P0(xi,yi,θi)处的曲率偏差：
优选的，所述的步骤S300中，
非完整性约束方程：
2段刚体约束方程：
(x0，y0)、(x1，y1)分别为前轮中点、后轮中点在世界坐标系下的坐标值，θ0、θ1分别为前轮中点坐标系(以前轮中点为原点，以车辆正向为x正，符合右手法则)后轮中点坐标系(以后轮中点为原点，以车辆正向为x正，符合右手法则)在世界坐标下的倾角，即车辆前后两部分的当前姿态；
根据非完整性约束方程及铰接车辆2段刚体约束方程可得误差向量与其微分/>之间的关系为
其中L0为前轴距离(铰接点至前轮中点的距离)，L1为后轴距离，总轴距L＝L0+L1其为了消掉对状态变量稍作处理，得：
v0：车辆前部分的速度；
γ：铰接处的角度；
铰接处的角速度；
铰接处的角加速度；
对方程采用标准的LQR或MPC进行求解，得到控制量
与现有技术相比，本发明的有益效果是：为了解决铰车转向车辆前后部分运动轨迹与规划曲线一致符合的问题，同时也不希望控制模型中引入额外的约束从而降低后续求解的难度。充分考虑铰车转向车辆的结构特点，提出了一种新的控制模型。该控制模型也是以车辆前轮中点为参考中心，但在误差模型中，除了横向位置偏差、横摆角度偏差等，还创造性地提出了曲率偏差的概念，该曲率偏差能够准确描述铰接车辆前后部分运动轨迹与规划曲线符合准确度的问题，从而通过较少的状态变量就可完整描述铰接车辆的控制误差模型，充分利用了“单中心”简单以及“双中心”能够解决车辆前后部分运动轨迹与规划曲线一致符合的优点。
本发明的工作原理：车体通过安装GNSS天线或其他定位数据测量装置，以及检测车辆实时铰接角度的角度传感器，或者通过安装于车身的惯性测量单元估算出铰接处的实时角度及角速度，从而代入模型公式，解决在曲线行驶过程中，车辆前后部分运动轨迹与路径符合的问题。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供技术方案，具体流程图参照图1，该方法的具体执行过程如下。
车体上需安装有GNSS天线或其他定位数据测量装置，另外还需要安装检测车辆实时铰接角度的角度传感器，或者通过安装于车身的惯性测量单元估算出铰接处的实时角度及角速度。
1、基于当前位姿及参考路径计算横向位置偏差及横摆角度偏差：
假设车辆的当前位姿为P0(xi,yi,θi)，参考路径为Γ(xr(s),yr(s))，其中s为参数。如果此时刻离当前点最近的点为P*(xr(s*),yr(s*))；
当前位姿为P0(xi,yi,θi)：xi-世界坐标系中的x坐标值，yi-世界坐标系中的y坐标值,θi-车辆坐标系(以车辆前轮中点为原点，以车头方向为X轴正，符合右手法则)在世界坐标系中的倾角，即车辆的当前姿态；
参考路径为Γ(xr(s),yr(s))：xr(s)-世界坐标系下的参考路径x坐标表达式，yr(s)-世界坐标系下的参考路径y坐标表达式,s-为自变量参数；
s*：参考路径中离当前点最近的点对应的自变量参数；
则P*(xr(s*),yr(s*))处的切线单位向量为
则P0(xi,yi,θi)处的绝对偏差向量为
则P0(xi,yi,θi)处的横向位置偏差εy为与/>的向量积：
则P0(xi,yi,θi)处的横摆角度偏差εθ：
2、基于当前位姿及参考路径计算曲率偏差：
P*(xr(s*),yr(s*))处的路径曲率：
基于车辆前轮中点、后轮中点至铰接处的距离及铰接角度容易求出与两中点相切的近似圆，其半径为r。
则P0(xi,yi,θi)处的曲率偏差：
3、构建运动学误差模型：
非完整性约束方程：
2段刚体约束方程：
(x0，y0)、(x1，y1)分别为前轮中点、后轮中点在世界坐标系下的坐标值，θ0、θ1分别为前轮中点坐标系(以前轮中点为原点，以车辆正向为x正，符合右手法则)后轮中点坐标系(以后轮中点为原点，以车辆正向为x正，符合右手法则)在世界坐标下的倾角，即车辆前后两部分的当前姿态。
根据非完整性约束方程及铰接车辆2段刚体约束方程可得误差向量与其微分/>之间的关系为
其中L0为前轴距离(铰接点至前轮中点的距离)，L1为后轴距离，总轴距l＝l0+L1其为了消掉对状态变量稍作处理，得：
v0：车辆前部分的速度；
γ：铰接处的角度；
铰接处的角速度；
铰接处的角加速度。
4、求解模型：
上述模型属于典型的1阶线性状态方程，可采用标准的LQR或MPC进行求解，得到控制量
LQR(Linear Quadratic Regulator,线性二次型调节器)与MPC(ModelPredictive Control,模型预测控制)是求解1阶线性状态方程2种常用的方法，前者属于一种全状态反馈控制，后者属于滚动优化控制，都是基于状态向量与输入的加权代价函数最小为优化目标，找出最优控制解。在matlab中都有成熟的工具箱可调用。
本实施例是针对铰接转向车辆控制模型的构建。即简单方便，又能解决在曲线行驶过程中，前后部分运动轨迹与路径符合的问题。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (2)
1.一种新的铰接车辆控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100：基于当前位姿及参考路径计算横向位置偏差及横摆角度偏差；
S200：基于当前位姿及参考路径计算曲率偏差；
S300：构建运动学误差模型解出控制量；
所述的步骤S100中，
假设车辆的当前位姿为P0(xi,yi,θi)，参考路径为Γ(xr(s),yr(s))，其中s为参数，如果此时刻离当前点最近的点为P*(xr(s*),yr(s*))；
当前位姿为P0(xi,yi,θi)：xi-世界坐标系中的x坐标值，yi-世界坐标系中的y坐标值,θi-车辆坐标系，以车辆前轮中点为原点，以车头方向为X轴正，符合右手法则，在世界坐标系中的倾角，即车辆的当前姿态；
参考路径为Γ(xr(s),yr(s))：xr(s)-世界坐标系下的参考路径x坐标表达式，yr(s)-世界坐标系下的参考路径y坐标表达式,s-为自变量参数；
s*：参考路径中离当前点最近的点对应的自变量参数；
则P*(xr(s*),yr(s*))处的切线单位向量为
则P0(xi,yi,θi)处的绝对偏差向量为
则P0(xi,yi,θi)处的横向位置偏差εy为与/>的向量积：
则P0(xi,yi,θi)处的横摆角度偏差εθ：
所述的步骤S200中，
P*(xr(s*),yr(s*))处的路径曲率：
基于车辆前轮中点、后轮中点至铰接处的距离及铰接角度容易求出与两中点相切的近似圆，其半径为r，
则P0(xi,yi,θi)处的曲率偏差：
2.根据权利要求1所述的一种新的铰接车辆控制方法，其特征在于，所述的步骤S300中，
非完整性约束方程：
2段刚体约束方程：
(x0，y0)、(x1，y1)分别为前轮中点、后轮中点在世界坐标系下的坐标值，θ0、θ1分别为前轮中点坐标系，以前轮中点为原点，以车辆正向为x正，符合右手法则，后轮中点坐标系，以后轮中点为原点，以车辆正向为x正，符合右手法则，在世界坐标下的倾角，即车辆前后两部分的当前姿态；
根据非完整性约束方程及铰接车辆2段刚体约束方程可得误差向量 与
其微分之间的关系为
其中L0为前轴距离，铰接点至前轮中点的距离，L1为后轴距离，总轴距L＝L0+L1其为了消掉对状态变量稍作处理，得：
v0：车辆前部分的速度；
γ：铰接处的角度；
铰接处的角速度；
铰接处的角加速度；
对方程采用标准的LQR或MPC进行求解，得到控制量
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