CN117681870A

CN117681870A - 转向控制器和转向控制方法

Info

Publication number: CN117681870A
Application number: CN202310993945.7A
Authority: CN
Inventors: 铃木元哉
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2022-09-09
Filing date: 2023-08-08
Publication date: 2024-03-12
Also published as: JP2024039303A; JP7315080B1; US20240083496A1; DE102023121561A1

Abstract

本发明提供一种转向控制器，其包括：第一获取部(32)，其以预定间隔获取车辆的速度、转向角度、横向偏差、方位偏差以及道路表面的曲率；生成部(33)，其生成指示速度、转向角度、横向偏差、方位偏差和曲率之间的关系的车辆模型；计算部(34)，其计算最小化评估函数的输出值的转向角度，作为最优转向角度，该评估函数包括基于车辆模型计算的估计横向偏差和估计方位偏差、转向角度、转向角度的变化量、第一加权系数、第二加权系数、第三加权系数和第四加权系数；第二获取部(36)，其获取车辆加速或减速时所需的加速度；以及更新部(37)，其根据所需的加速度更新第一加权系数、第二加权系数、第三加权系数和第四加权系数中的至少一个加权系数。

Description

转向控制器和转向控制方法

技术领域

本公开涉及转向控制器和转向控制方法。

背景技术

已知一种自动转向系统，其中获取使车辆跟随目标轨迹的目标转向角度，并根据获取的目标转向角度驱动车辆(例如，参见日本特开2021-146920号公报)。

发明内容

发明所要解决的技术问题

在传统的自动转向系统中，使用线性车辆预测模型来获取转向角度，以便跟随目标轨迹。然而，当车辆速度因车辆的加速或减速而发生变化时，车辆可能会呈现非线性行为，从而导致车辆实际行为与车辆模型之间出现模型误差。这会导致控制精度的下降。

本公开重点关注这一点，其目标是在车辆加速或减速时防止跟随精度的降低。

用于解决问题的手段

本公开的第一方面提供一种转向控制器，其使车辆跟随目标轨迹；该转向控制器包括：第一获取部，其以预定间隔获取车辆的速度、车辆的转向角度、相对于车辆的目标轨迹的横向偏差、作为车辆的方向与车辆的目标方向之间的差异的方位偏差以及车辆所行驶的道路表面的曲率；生成部，其生成指示速度、转向角度、横向偏差、方位偏差和曲率之间的关系的车辆模型；计算部，其计算最小化评估函数的输出值的转向角度作为最优转向角度，该评估函数包括基于车辆模型计算的估计横向偏差和估计方位偏差、转向角度、转向角度的变化量、与估计横向偏差对应的项的第一加权系数、与估计方位偏差对应的项的第二加权系数、与转向角度对应的项的第三加权系数以及与变化量对应的项的第四加权系数；第二获取部，其获取车辆加速或减速时所需的加速度；以及更新部，其根据所需的加速度更新第一加权系数、第二加权系数、第三加权系数和第四加权系数中的至少一个加权系数。

更新部可以根据所需的加速度来更新第二加权系数和第四加权系数。此外，更新部可以在固定第一加权系数和第三加权系数的值的情况下，根据所需的加速度来更新第二加权系数和第四加权系数。

此外，更新部可以根据所需的加速度来更新第一加权系数、第二加权系数、第三加权系数和第四加权系数中的所有加权系数。

转向控制器还可以包括：存储部，其存储(i)所需的加速度的大小和(ii)第一加权系数、第二加权系数、第三加权系数和第四加权系数的更新范围彼此关联的对应信息，其中，更新部可以参考对应信息中包括的更新范围，并将加权系数更新为与由第二获取部获取的所需的加速度对应的加权系数的大小。此外，计算部可以通过在评估函数中将第一加权系数和第二加权系数设置为大于预定值，以及将第三加权系数和第四加权系数设置为小于预定值，来计算最优转向角度。此外，转向控制器还可以包括：行驶控制部，其通过将由更新部更新的加权系数应用于评估函数，基于由计算部计算的最优转向角度，来控制车辆的行驶。

本公开的第二方面提供一种由计算机执行的转向控制方法，用于使车辆跟随目标轨迹，该转向控制方法包括以下步骤：以预定间隔获取车辆的速度、车辆的转向角度、相对于目标轨迹的车辆横向偏差、作为车辆的方向与车辆的目标方向之间的差异的方位偏差以及车辆所行驶的道路表面的曲率；生成指示速度、转向角度、横向偏差、方位偏差和曲率之间的关系的车辆模型；计算最小化评估函数的输出值的转向角度作为最优转向角度，该评估函数包括基于车辆模型计算的估计横向偏差和估计方位偏差、转向角度、转向角度的变化量、与估计横向偏差对应的项的第一加权系数、与估计方位偏差对应的项的第二加权系数、与转向角度对应的项的第三加权系数以及与变化量对应的项的第四加权系数；获取车辆加速或减速时所需的加速度；以及根据所需的加速度来更新第一加权系数、第二加权系数、第三加权系数和第四加权系数中的至少一个加权系数。

发明的效果

根据本公开，能够在车辆加速或减速时防止路径跟随精度的降低。

附图说明

图1示出驾驶控制系统S的配置。

图2是示出车辆模型的示意图。

图3A和图3B示出模拟结果。

图4是示出转向角度计算过程的示例的流程图。

图5是示出更新加权系数的过程的示例的流程图。

附图标记说明

10 转向控制器

20 存储部

32 第一获取部

33 生成部

34 计算部

35 行驶控制部

36 第二获取部

37 更新部

具体实施方式

<驾驶控制系统的概况>

图1示出驾驶控制系统S的配置。驾驶控制系统S是通过控制车辆的转向角度使其沿着目标轨迹行驶的系统。驾驶控制系统S安装在车辆上。目标轨迹是预定轨迹，包括作为车辆的目标的多个行驶位置和作为车辆的目标的与多个行驶位置对应的方向。驾驶控制系统S包括状态识别装置1、行驶控制装置2和转向控制器10。

状态识别装置1以固定控制周期识别指示车辆状态的参数。指示车辆状态的参数包括例如速度、转向角度、横向偏差、方位偏差和道路表面的曲率。横向偏差是在与车辆行驶方向垂直的方向上，车辆行驶位置与车辆目标行驶位置之间的差异。方位偏差是车辆在车辆所行驶的位置的方向与对应于该位置的车辆目标方向之间的差异。

状态识别装置1获取通过例如速度传感器测量的车辆速度。此外，状态识别装置1获取通过例如转向角度传感器测量的车辆转向角度。状态识别装置1获取的转向角度是转向轮轴的旋转角度，或者是车辆方向与车辆轮胎方向之间的差异。

状态识别装置1例如通过获取GPS(全球定位系统)信号，来获取车辆的位置和方向。状态识别装置1基于获取的车辆位置和对应于车辆位置的车辆目标行驶位置，来识别车辆的横向偏差。状态识别装置1基于获取的车辆方向和对应于车辆位置的车辆目标方向，来识别车辆的方位偏差。

状态识别装置1基于例如存储在状态识别装置1的存储部中的地图信息，来识别与获取的车辆位置对应的道路表面的曲率。状态识别装置1以固定控制周期向转向控制器10输出速度、转向角度、横向偏差、方位偏差和道路表面的曲率。

行驶控制装置2控制车辆的速度和方向。在下一控制周期时，行驶控制装置2根据转向角度来控制车辆的方向。转向角度以固定控制周期由转向控制器10输出。

转向控制器10控制转向角度以使车辆跟随目标轨迹。转向控制器10生成与从状态识别装置1输入的车辆状态对应的车辆模型。转向控制器10使用生成的车辆模型，以固定控制周期计算转向角度，以使车辆沿目标方向行驶。固定控制周期是模型预测控制中的采样周期。转向控制器10将计算的转向角度输入至行驶控制装置2，从而使车辆沿目标方向行驶。以下将详细描述转向控制器10的配置和操作。

<转向控制器的配置>

如图1所示，转向控制器10包括存储部20和控制部30。

存储部20包括存储计算机等的基本输入输出系统(BIOS)的只读存储器(ROM)以及作为工作区域的随机存取存储器(RAM)。存储部20是大容量存储设备，如硬盘驱动器(HDD)、固态硬盘驱动器(SSD)等，用于存储操作系统(OS)、应用程序以及执行应用程序时要要参考的各种信息。

控制部30是处理器，例如中央处理单元(CPU)或图形处理单元(GPU)。控制部30通过执行存储在存储部20中的程序，作为第一获取部32、生成部33、计算部34、行驶控制部35、第二获取部36和更新部37发挥作用。

第一获取部32以预定间隔(控制周期)获取从状态识别装置1输出的车辆的状态量。具体而言，第一获取部32以预定间隔获取车辆的速度、车辆的转向角度、相对于车辆的目标轨迹的横向偏差、作为车辆的方向与车辆的目标方向之间的差异的方位偏差以及车辆所行驶的道路表面的曲率。第一获取部32将获取的车辆的状态量存储在存储部20中。

生成部33生成指示速度、转向角度、横向偏差、方位偏差和曲率之间的关系的车辆模型。例如，生成部33生成与图2中示出的参考点对应的车辆模型。生成部33将生成的车辆模型存储在存储部20中。

图2是示出车辆模型的示意图。与图2中示出的参考点对应的车辆运动可以使用车辆速度v、横向偏差e_z、方位偏差e_θ、曲率k_r，用以下等式1来表示。

假设在跟随目标轨迹时方位偏差非常小，车辆运动的方程可以如等式2所示进行线性化。

这里，如等式3所示，根据车辆的机械关系，可以导出任何曲率轨迹上行驶的车辆的转向角度，其中L表示车辆的轴距。

δ_r＝arctan(Lk_r) (3)

当将等式3中的转向角度输入至车辆时，在车辆沿着目标轨迹行驶时建立等式4的假设。

δ＝δ_r+Δδ (4)

然后，通过在δ_r附近进行tanδ的泰勒展开，可以得出等式5。

将等式5代入等式2中，车辆运动的方程可以线性化，如等式6所示。

假设采样时间非常小，并且通过向前欧拉方法对等式6进行离散化，可以得到等式7。通过基于等式7设计模型预测控制，可以实现能够处理从启动到停止的操作的转向控制系统。

计算部34计算最小化与由生成部33生成的车辆模型对应的评估函数的输出值的转向角度，作为最优转向角度。这里，评估函数包括基于车辆模型计算的估计横向偏差和估计方位偏差、转向角度、转向角度的变化量、与估计横向偏差对应的项的第一加权系数、与估计方位偏差对应的项的第二加权系数、与转向角度对应的项的第三加权系数以及与变化量对应的项的第四加权系数。

具体而言，计算部34首先将计算的估计横向偏差、估计方位偏差、转向角度和转向角度的变化量输入与基于由第一获取部32获取的车辆速度的车辆模型对应的评估函数。然后，计算部34计算最小化评估函数的输出值的转向角度，作为最优转向角度。

这里，当状态空间方程的状态变量x由以下等式8表示时，观测输出y由等式9表示，其中e_z为估计横向偏差，e_θ为估计方位偏差。

计算部34使用稳态卡尔曼滤波器来估计状态变量x，并使用以下等式10中示出的评估函数来计算模型预测控制的优化问题。在等式10中，p表示预测时域，δ表示转向角度输入，Δδ表示转向角度输入与前一控制周期的转向角度输入之间的差异，作为输入和输出变量的后缀的“max”和“min”表示信号的上限值和下限值。Q₁是与估计横向偏差e_z对应的项的第一加权系数，Q₂是与估计方位偏差e_θ对应的项的第二加权系数，R₁是与转向角度δ对应的项的第三加权系数，R₂是与转向角度的变化量Δδ对应的项的第四加权系数。

约束条件为δ_min≤δ[k+k_t]≤δ_max

Δδ_min≤Δδ[k+k_t]≤Δδ_max

计算部34对最小化等式10中示出的评估函数的输出值J进行优化计算，以实时计算转向角度，从而实现车辆跟随目标轨迹。通过使用计算部34以这种方式计算转向角度，转向控制器10可以在多个控制周期中的每一个的时机，使车辆在相对于目标轨迹的误差较小的位置行驶。

在优先收敛横向偏差和方位偏差到0的情况下，计算部34将加权系数Q₁和Q₂设定为大于预定值，或将加权系数R₁和R₂设定为小于预定值。例如，预定值可以是事先通过实验等设置的值。当优先减小转向角度的变化量时，计算部34将R₂设定为更小。

行驶控制部35使车辆基于由计算部34计算的转向角度行驶。例如，行驶控制部35以固定控制周期将由计算部34计算的转向角度输出到行驶控制装置2，从而使车辆以计算的转向角度行驶。

由于车辆速度v包括在系数矩阵中，所以等式7的状态方程是与车辆速度有关的线性参数。在车辆速度恒定的条件下，等式7的状态方程等效于线性时不变系统。另一方面，在假定车辆以诸如自动驾驶的方式行驶，其中车辆速度急剧变化，则基于等式7的模型预测控制可能会导致控制精度和稳定性的降低。相比之下，为了防止车辆加速或减速时出现路径跟随控制的劣化，如下所述，本实施例的转向控制器10根据车辆加速或减速时所需的加速度，实时更新评估函数的加权系数。转向控制器10包括第二获取部36和更新部37，以便更新加权系数。

第二获取部36获取车辆加速或减速时所需的加速度。例如，所需的加速度是与驾驶员为使车辆加速或减速而对加速器和制动器进行的操作对应的加速度。第二获取部36可以根据由状态识别装置1检测到的驾驶员对加速器和制动器的操作来识别所需的加速度。

根据第二获取部36获取的所需的加速度，更新部37更新由计算部34计算的评估函数作为最优转向角度的加权系数。在本实施例中，更新部37根据所需的加速度更新第一加权系数Q₁、第二加权系数Q₂、第三加权系数R₁和第四加权系数R₂中的至少一个加权系数。

更新部37在车辆行驶过程中(具体而言，在自动转向过程中)根据所需的加速度实时更新加权系数。通过将由更新部37更新的加权系数应用于评估函数，计算部34计算已反映更新的加权系数的最优转向角度。行驶控制部35使车辆基于已反映更新的加权系数的最优转向角度行驶。加权系数在车辆加速或减速时立即更新，因此车辆基于已反映更新的加权系数的最优转向角度进行转向。因此，能够防止车辆加速或减速时路径跟随控制的劣化。

更新部37可以根据所需的加速度来更新第二加权系数Q₂和第四加权系数R₂。具体而言，更新部37在第一加权系数Q₁和第三加权系数R₁的值固定的情况下，更新第二加权系数Q₂和第四加权系数R₂。仅更新第二加权系数Q₂和第四加权系数R₂的优势如下。作为轨迹跟随误差的形式，在行驶方向上车辆与目标轨迹之间会产生偏差(方位偏差)，如果车辆在行驶过程中不纠正行驶方向上的偏差，则会导致与目标轨迹产生横向偏移(横向偏差)。由此可见，如果能够减小方位偏差，则横向偏差也会减小。因此，在第一加权系数Q₁和第二加权系数Q₂中，第二更新部37优先更新第二加权系数Q₂。另一方面，当更新第二加权系数Q₂时，转向角度可能会发生急剧变化。因此，更新部37通过更新第四加权系数R₂来防止转向角度的急剧变化。

在更新第一加权系数Q₁、第二加权系数Q₂、第三加权系数R₁和第四加权系数R₂时，更新部37可以参考存储在存储部20中的查找表。存储部20存储了指示对应信息的查找表，其中(i)所需的加速度的大小和(ii)第一加权系数Q₁、第二加权系数Q₂、第三加权系数R₁和第四加权系数R₂的更新范围相互关联。通过参考对应信息中包括的更新范围，更新部37将加权系数更新为与由第二获取部36获取的所需的加速度对应的加权系数的大小。通过以这种方式参考查找表，可以容易地实时更新第一加权系数Q₁、第二加权系数Q₂、第三加权系数R₁和第四加权系数R₂。

更新部37可以根据所需的加速度更新第一加权系数Q₁、第二加权系数Q₂、第三加权系数R₁和第四加权系数R₂。也就是说，更新部37根据车辆速度的变化更新所有四个加权系数。通过以这种方式更新所有的加权系数，能够有效地防止车辆加速或减速时轨迹跟随控制的劣化。

在上述描述中，更新部37可以更新两个加权系数或四个加权系数，但本实施例不限于此。例如，更新部37可以更新四个加权系数中的一个或三个加权系数。

图3A和图3B示出模拟结果。在图3A中，横轴表示时间，纵轴表示横向偏差。在图3B中，横轴表示时间，纵轴表示方位偏差。在图3A和图3B中，虚线示出比较示例中的控制响应，其中加权系数未更新，实线表示加权系数像本实施例中一样进行了更新的控制响应。在比较示例中，控制精度在车辆启动时(时间为0)或车辆加速或减速时(时间约为70秒左右)劣化。另一方面，在像本实施例中更新了加权系数的情况下，即使在车辆启动时或车辆加速或减速时，横向偏差和方位偏差的精度也得到了改善。也就是说，通过根据车辆的加速和减速更新加权系数，能够实现良好的控制响应。

<转向控制器的操作示例>

图4是示出由转向控制器10执行的转向角度计算过程的示例的流程图。图4中所示的流程在车辆行驶时执行。

首先，第一获取部32从状态识别装置1获取车辆的状态量，例如车辆的速度、车辆的转向角度、车辆的横向偏差、车辆的方位偏差和道路表面的曲率(步骤S102)。接下来，生成部33生成与由第一获取部32获取的车辆的状态量对应的车辆模型(步骤S104)。

接下来，计算部34通过将速度、转向角度、横向偏差、方位偏差和曲率输入至与生成部33生成的车辆模型对应的状态空间模型来计算估计横向偏差和估计方位偏差(步骤S106)。

接下来，计算部34将由计算部34计算的估计横向偏差和估计方位偏差输入至与生成部33生成的车辆模型对应的评估函数，并计算最小化评估函数的输出值的转向角度(步骤S108)。转向控制器10重复上述步骤S102至S108的过程，直到车辆停止。通过这样做，在车辆行驶期间优化转向角度。

图5是示出由转向控制器10执行的更新加权系数的过程的示例的流程图。图5中的处理同样在车辆行驶时执行。首先，第二获取部36获取行驶车辆的所需加速度(步骤S122)。例如，第二获取部36从状态识别装置1获取车辆加速或减速时所需的加速度。

接下来，更新部37确定第二获取部36获取的所需加速度是否发生了变化(步骤S124)。当在步骤S124中，所需的加速度发生了变化(是)时，更新部37根据所需的加速度更新与生成部33生成的车辆模型对应的评估函数中的第一加权系数Q₁、第二加权系数Q₂、第三加权系数R₁和第四加权系数R₂中的至少一个加权系数(步骤S126)。

接下来，计算部34将更新后的加权系数应用于评估函数(步骤S128)。在步骤S108中，计算部34使用已反映更新后的加权系数的评估函数来计算转向角度。通过这样做，计算部34在更新加权系数的情况下计算最优转向角度。转向控制器10重复上述步骤S122到S128的过程，直到车辆停止。

<本实施例的效果>

本实施例的转向控制器10计算最小化与车辆模型对应的评估函数的输出值的转向角度，作为最优转向角度。此外，转向控制器10获取车辆加速或减速时所需的加速度，并根据获取的所需加速度来更新第一加权系数Q₁、第二加权系数Q₂、第三加权系数R₁和第四加权系数R₂中的至少一个加权系数。通过这样做，当车辆加速或减速时，转向控制器10通过将根据所需得加速度更新的加权系数应用于评估函数来计算最优转向角度。因此，与不更新加权系数的情况相比，能够防止车辆加速或减速时路径跟踪精度的劣化。

基于示例性实施例对本公开进行了说明。本公开的技术范围不限于上述实施例中所解释的范围，可以在本公开的范围内进行各种变化和修改。例如，所有或部分装置可以配置有任何在功能上或物理上分散或集成的单元。此外，由它们的任意组合形成的新实施例包括在实施例中。此外，由这些组合带来的新示例性实施例的效果也具有原始示例性实施例的效果。

Claims

1.一种使车辆跟随目标轨迹的转向控制器，所述转向控制器包括：

第一获取部，其以预定间隔获取所述车辆的速度、所述车辆的转向角度、所述车辆的相对于所述目标轨迹的横向偏差、作为所述车辆的方向与所述车辆的目标方向之间的差异的方位偏差以及所述车辆所行驶的道路表面的曲率；

生成部，其生成指示所述速度、所述转向角度、所述横向偏差、所述方位偏差和所述曲率之间的关系的车辆模型；

计算部，其计算最小化评估函数的输出值的转向角度，作为最优转向角度，所述评估函数包括基于所述车辆模型计算的估计横向偏差和估计方位偏差、所述转向角度、所述转向角度的变化量、与所述估计横向偏差对应的项的第一加权系数、与所述估计方位偏差对应的项的第二加权系数、与所述转向角度对应的项的第三加权系数以及与所述变化量对应的项的第四加权系数；

第二获取部，其获取所述车辆加速或减速时所需的加速度；以及

更新部，其根据所需的加速度更新所述第一加权系数、所述第二加权系数、所述第三加权系数和所述第四加权系数中的至少一个加权系数。

2.根据权利要求1所述的转向控制器，其中，

所述更新部根据所需的加速度更新所述第二加权系数和所述第四加权系数。

3.根据权利要求2所述的转向控制器，其中，

在所述第一加权系数和所述第三加权系数的值固定的情况下，所述更新部根据所需的加速度更新所述第二加权系数和所述第四加权系数。

4.根据权利要求1所述的转向控制器，其中，

所述更新部根据所需的加速度更新所述第一加权系数、所述第二加权系数、所述第三加权系数和所述第四加权系数中的所有加权系数。

5.根据权利要求1所述的转向控制器，还包括：

存储部，其存储其中(i)所需的加速度的大小和(ii)所述第一加权系数、所述第二加权系数、所述第三加权系数和所述第四加权系数的更新范围相互关联的对应信息，其中，

所述更新部参考所述对应信息中包括的更新范围，并将加权系数更新为与所述第二获取部获取的所需加速度对应的加权系数的大小。

6.根据权利要求1所述的转向控制器，其中，

所述计算部通过在所述评估函数中将所述第一加权系数和所述第二加权系数设置为大于预定值，并将所述第三加权系数和所述第四加权系数设置为小于所述预定值，来计算所述最优转向角度。

7.根据权利要求1所述的转向控制器，还包括：

行驶控制部，其通过将所述更新部更新的加权系数应用于所述评估函数，基于由所述计算部计算的最优转向角度，来控制所述车辆的行驶。

8.一种由计算机执行的转向控制方法，用于使车辆跟随目标轨迹，所述转向控制方法包括以下步骤：

以预定间隔获取所述车辆的速度、所述车辆的转向角度、所述车辆的相对于所述目标轨迹的横向偏差、作为所述车辆的方向与所述车辆的目标方向之间的差异的方位偏差以及所述车辆所行驶的道路表面的曲率；

生成指示所述速度、所述转向角度、所述横向偏差、所述方位偏差和所述曲率之间的关系的车辆模型；

计算最小化评估函数的输出值的转向角度，作为最优转向角度，所述评估函数包括基于所述车辆模型计算的估计横向偏差和估计方位偏差、所述转向角度、所述转向角度的变化量、与所述估计横向偏差对应的项的第一加权系数、与所述估计方位偏差对应的项的第二加权系数、与所述转向角度对应的项的第三加权系数以及与所述变化量对应的项的第四加权系数；

获取所述车辆加速或减速时所需的加速度；以及

根据所需的加速度更新所述第一加权系数、所述第二加权系数、所述第三加权系数和所述第四加权系数中的至少一个加权系数。