CN118317900A - 基于具有可配置带宽的级联控制器的车辆控制 - Google Patents

基于具有可配置带宽的级联控制器的车辆控制 Download PDF

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CN118317900A CN202180104578.XA CN202180104578A CN118317900A CN 118317900 A CN118317900 A CN 118317900A CN 202180104578 A CN202180104578 A CN 202180104578A CN 118317900 A CN118317900 A CN 118317900A
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Abstract

一种用于重型车辆(100)的运动管理的控制系统(130、140、301)，该控制系统包括高级控制系统(302)和低级控制系统(303)，其中高级控制系统(302)被布置为获得车辆(100)的期望运动行为，并将适于根据车辆(100)的期望运动行为控制至少一个运动支持装置(MSD)的一个或多个控制信号传输到低级控制系统(303)，其中从高级控制系统(302)传输到低级控制系统(303)的一个或多个控制信号包括指示用于控制至少一个MSD的期望控制带宽的数据，其中低级控制系统(303)被布置为接收控制信号并且根据期望控制带宽来控制至少一个MSD。

Description

基于具有可配置带宽的级联控制器的车辆控制
技术领域
本公开涉及适于自主或半自主重型车辆的路径规划和车辆运动管理，即，运动支持装置(诸如行车制动器、推进装置和动力转向装置)的协调控制。尽管本发明不限于特定类型的车辆，但是其可有利地应用于自主操作的重型车辆(诸如卡车、公共汽车)以及施工机械中。
背景技术
车辆在机械、气动、液压、电子和软件方面变得越来越复杂。现代重型车辆可包括各种不同的可控致动器，诸如燃烧发动机、电机、摩擦制动器、再生制动器、减振器、空气波纹管和动力转向装置。这些物理装置通常被称为运动支持装置(MSD)，并且它们通常由分布在车辆上的多个不同的控制单元来控制。
为了应对致动器的复杂性，通常使用分层控制架构，其中高级控制器向低级控制器发送命令，该低级控制器又将状态信息和致动器能力数据反馈给高级控制器。然而，让不同的控制器以高效可靠的方式协同工作通常面临挑战。例如，不同层处或者甚至同一层处的两个控制功能可能会开始彼此对抗，这当然是非期望的。
US2019361439A1涉及用于控制自主车辆的系统和方法。高级控制器选择感觉运动原始模块的特定组合，以针对特定的驾驶场景启用和执行。高级控制器决定使用哪些命令并向致动器发送指令。控制系统的所有层级都由高级控制器直接控制。
US10591914B2涉及用于自主车辆行为控制系统和方法。高级控制器向低级控制器生成控制各种致动器的控制信号。高级控制器发送指令以控制该控制系统的所有层级。
US9915950B2公开了一种自主车辆接口系统，该自主车辆接口系统设置有分布式系统节点以用于对低级传感器数据和/或高级系统数据进行独立数据处理。该自主车辆接口系统包括至少一条实时总线以用于系统节点之间的低级传感器数据和高级系统数据的数据通信。该系统还包括应用程序编程接口(API)，该API被配置为由系统节点访问在实时总线上发布并且可经由API访问的低级传感器数据和高级系统数据。
尽管迄今为止取得了一些进步，但是仍需要改进车辆控制系统，其中致动器控制在超过一个控制单元上执行，这些控制单元以高效可靠的方式协作来控制重型车辆。
发明内容
本公开的目的是提供有助于以安全、高效且稳健的方式进行重型车辆的车辆运动管理的控制系统、控制单元、车辆和方法。
该目的至少部分地通过一种用于重型车辆的运动管理的控制系统来实现。该控制系统包括高级控制系统和低级控制系统，其中该高级控制系统被布置为获得该车辆的期望运动行为，并且将适于根据该车辆的期望运动行为控制至少一个运动支持装置(MSD)的一个或多个控制信号传输到该低级控制系统。从该高级控制系统传输到该低级控制系统的一个或多个控制信号包括指示用于控制该至少一个MSD的期望控制带宽的数据，诸如车辆对控制命令的期望响应能力的测量值。该低级控制系统被布置为接收该控制信号并且根据该期望控制带宽来控制该至少一个MSD。
通过指示该高级控制系统与该低级控制系统之间共享的期望控制带宽的数据，该高级控制系统可根据当前驾驶场景和环境来调节车辆的响应能力。例如，如果控制命令是在没有时间约束的情况下且在正常驾驶条件下执行的变道命令，则该期望控制带宽可能相对较小，因为舒适性和能量效率等方面可能会被优先考虑。然而，如果控制命令替代地与紧急操纵有关，则期望控制带宽可能要大得多，即，最有可能需要响应更快的车辆，而舒适性和能量效率可能是次要考虑因素。
指示高级控制系统与低级控制系统之间共享的期望控制带宽的数据还允许控制级联控制器，否则这些级联控制器可能潜在地开始彼此干扰。通过根据控制堆栈中的高层的情况来控制低级控制算法的带宽，高级控制系统能够避免级联控制回路之间的干扰。配置的控制更新频率和相关联的控制回路带宽可例如通过分析(通过研究极点配置或类似方法)或迭代地确定，以在舒适性与车辆灵活性之间取得良好的权衡。
根据说明性示例，该高级控制系统具有预定数量的可用响应能力状态可供选择。该状态可例如包括用于在时间约束下可执行复杂操作的超级灵活状态，和与更慢的控制相关联的更舒适导向状态，并且可能还具有更高的能量效率。
根据一些方面，该高级控制系统对应于车辆运动管理(VMM)功能，并且该低级控制系统对应于MSD控制单元。因此，车辆运动管理系统有利地获得了微调MSD控制器(诸如电机控制器)如何对控制命令做出响应的能力。例如，诸如电机或行车制动器的扭矩生成装置可被置于灵活模式，在该灵活模式下，快速应用施加的扭矩的所请求变化，否则以节能操作模式操作，其目标可能是为了减少部件磨损或以更高的能量效率操作。
根据一些其他方面，该高级控制系统对应于自主驾驶(AD)控制功能，并且该低级控制系统对应于先前示例的VMM功能。因此，通过相同的机制，AD控制器能够配置VMM功能的响应能力。因此，如果车辆处于优先考虑舒适性和能量效率的正常驾驶模式，则可相应地配置期望控制带宽。然而，如果车辆遇到非期望情况，诸如紧急情况，则可将VMM功能配置为灵活操作模式，在该灵活操作模式下，车辆的响应速度快得多，但是对乘客来说可能不太舒适。高级控制系统还可使用该功能性来微调级联控制系统中的控制带宽，诸如以避免不同控制回路之间的干扰。高级控制系统可使用一组预定的期望控制带宽，或者迭代地调整控制带宽以从车辆获得目标行为。
应当理解，该机制可应用于超过一个层级。因此，AD控制功能可传输指示期望控制带宽的第一数据以供VMM功能使用，并且VMM功能可传输指示期望控制带宽的第二数据以供致动器或MSD层级使用。
根据各方面，该高级控制系统被布置为根据当前交通状况来确定用于控制该至少一个MSD的期望控制带宽。这意味着，例如高级控制系统也至少间接地访问指示车辆周围的当前环境的感知数据。例如，附近是否有障碍物或者车辆周围环境是否没有障碍物且有很大的操纵空间。该数据可用于确定期望控制带宽，类似于人类驾驶员将脚放在制动踏板上时注意力集中、或者更加放松。
根据各方面，该高级控制系统被布置为根据该至少一个MSD的所需响应时间来确定用于控制该至少一个MSD的期望控制带宽。例如，诸如如果在车辆需要在与车辆路径中的障碍物相撞之前完全停下来时触发紧急制动操作，则可能需要在最后期限之前完成操纵。该最后期限可用于确定车辆是否需要提高其响应能力以便满足最后期限，或者确定当前带宽配置是否足够。
根据各方面，该高级控制系统被布置为根据控制稳定性标准来确定用于控制该至少一个MSD的期望控制带宽。同样，复杂操纵期间的高级车辆稳定性控制可能需要快速响应的车辆。因此，操纵的类型和车辆的状态可用于确定期望控制带宽。
根据各方面，该高级控制系统包括车辆模型，该车辆模型被配置为对该车辆对控制信号的响应进行建模，该控制信号包括用于控制至少一个MSD的给定控制带宽，其中该高级控制系统被布置为响应于该车辆模型的输出与该车辆的期望响应的比较来确定该期望控制带宽。这样，高级控制系统维护实际车辆的模型，该模型可用于评估当前设置是否适合驾驶情况，或者是否需要进行一些调整以便成功完成操纵。当然，这种模型评估可离线执行，或者至少为一组给定场景做准备，该评估然后可产生预定的期望控制带宽，该期望控制带宽可在需要时毫不延迟地传输到低级控制系统。根据示例，AD控制功能可包括：第一车辆模型，该第一车辆模型被配置为对该车辆对控制信号的响应进行建模，该控制信号包括用于控制至少一个MSD的给定控制带宽；以及轨迹跟踪功能，该轨迹跟踪功能被配置为通过优化至少部分基于该第一车辆模型的输出的成本函数来跟踪期望车辆轨迹。
以这种方式，高级控制系统可维持车辆的模型，该模型由低级控制系统控制，该低级控制系统以控制带宽方面的给定参数化进行操作。该高级控制系统可通过执行该模型来评估当前行为是否符合预期。如果该模型行为与期望行为之间存在差异，则在给定当前参数化的情况下，车辆可能将无法在期望时间内完全停下来，高级控制系统可将更新的控制参数传输到低级控制系统，以便获得更接近期望车辆行为的车辆行为。
本文还公开了与上文讨论的优点相关联的控制单元、方法、计算机程序、计算机可读介质、计算机程序产品和车辆。
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其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。本文公开的任何方法的步骤不必按所公开的确切顺序执行，除非进行明确声明。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点将变得显而易见。技术人员认识到，在不背离本发明的范围的情况下，可组合本发明的不同特征以创建下文描述的实施方案之外的实施方案。
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示出了示例重型车辆；
图2示意性地示出了重型车辆控制系统；
图3A示出了示例运动支持装置控制布置；
图3B示意性地示出了示例分层控制架构；
图4是示出用于带宽控制的示例过程的流程图；
图5示出了示例分层车辆控制功能架构；
图6示意性示出了轨迹跟踪过程；
图7示出了车辆跟随期望的轨迹；
图8是示出方法的流程图；
图9示意性示出了控制单元；并且
图10示出了示例计算机程序产品。
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车辆100，其中可有利地应用本文公开的技术。车辆100包括支撑在前轮150和后轮160上的牵引车或拖曳车辆110，该前轮和后轮中的至少一些是从动轮并且至少一些是转向轮。通常但不一定，牵引车上的所有车轮都是制动轮。牵引车110被配置为以已知方式通过第五轮连接拖曳支撑在挂车车轮170上的第一挂车单元120。挂车车轮通常是制动轮，但是也可包括一个或多个车桥上的从动轮。一些挂车还包括转向轮以便提高可操纵性。
应当理解，本文公开的方法和控制单元也可以有利地应用于其他类型的重型车辆，诸如刚性卡车、具有牵引杆连接的卡车、施工设备、公共汽车等。车辆100还可包括多于两个车辆单元，即，拖台车辆单元可用于牵引多于一辆挂车。车辆单元的车辆组合当然可包括多于一个转向车桥。
牵引车110包括用于控制各种功能性、尤其是实现推进、制动和转向的车辆控制单元(VCU) 130。一些挂车单元120还包括用于控制挂车的各种功能(诸如挂车车轮的制动以及有时还有挂车车轮推进和转向)的VCU 140。VCU 130、140可集中或分布在若干处理电路上，通常被称为电子控制单元(ECU)。车辆控制功能的部分还可远程执行，例如在经由无线链路180和无线接入网络185连接到车辆100的远程服务器190上执行。
参考图2，牵引车110上的VCU 130 (以及还可能有挂车120上的VCU 140和/或远程服务器190)可被配置为执行根据用于车辆100的自主驾驶(AD)或至少半自主控制的分层功能架构(即，高级驾驶员辅助系统(ADAS))组织的车辆控制方法。一些功能可包括在高层AD控制功能270中，并且一些其他功能性可包括在驻留在较低功能层(更接近致动器物理控制信号)中的车辆运动管理(VMM)域260中。VMM功能任选地还处理车辆动力管理，在这种情况下，该功能可以被称为车辆运动和动力管理(VMPM)功能，尽管这里将不更详细地讨论这部分功能性。下面将结合图5更详细地讨论VMM功能。VMM功能性在文献中也可称为集成底盘控制。
AD控制器270执行诸如轨迹规划和轨迹跟踪271的功能。高级驾驶员辅助系统(ADAS)和用于控制自主车辆的自主驾驶(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200首先例如基于当前运输任务和车辆环境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。
AD控制器270还可响应于车辆环境中或在车辆100上发生的意外事件(诸如沿规划轨迹突然出现障碍物或某种形式的车辆故障)而执行情况规避操纵(SAM)。换句话说，SAM是紧急操纵，诸如紧急制动操纵，当需要避免的非期望情况即将发生时，就会触发该紧急制动操纵。应当理解，与正常驾驶操作相比，此类操纵在理想情况下将在更高的控制带宽下执行，即，由响应更快的车辆执行。
路径跟随是关于如何确定车辆在每个时刻的车辆速度和转向以跟随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：R.C. Coulter，“纯追踪路径跟踪算法的实施(Implementation of the pure pursuit path 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，该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至第347页，2002年。
预览距离的配置确定车辆对输入数据的变化(诸如路径跟随误差)的响应强度。较长的预览距离导致车辆控制更平稳且突然致动更少，而较短的预览距离提供更高的带宽控制，但运动会更加不平稳。
通常，路径跟随过程可被配置为以高控制带宽跟随期望路径，这可能导致车辆运动“不平稳”，该“不平稳”车辆运动紧密跟随期望路径且误差较小，但会给任何车辆乘员带来一些不适。替代地，路径跟随过程可被配置为在较低的控制带宽下操作，这将导致对输入变化的响应更慢，并且通常会导致更大的路径跟随误差，尽管车辆运动更舒适。因此，应当理解，控制带宽是为了获得期望车辆行为而要设定的重要参数。该控制带宽通常是固定的并经过精心配置，以便防止不同的控制器彼此干扰。然而，这种固定配置是非期望的，因为一些交通状况可能需要车辆做出快速响应和不舒适的响应，例如，以便使车辆能够及时停止或避开一些障碍物，同时需要较低的控制带宽以便获得更节能且舒适的车辆运动。
还应当理解，车辆行为会受到其悬架的影响。因此，在本文中，在一些情况下，主动悬架可被视为车辆MSD集合的一部分。
图6示出了矢量场引导轨迹跟踪过程600的示例。期望的车辆轨迹T (如虚线所示)首先向右转弯，然后向左转弯。与该期望车辆轨迹相关联的矢量场由附图标记610指示。用于重型车辆100的自主驾驶的控制系统130、140可被布置为通过调整车辆的转向和推进来使车辆100跟随期望的车辆轨迹T而不危及车辆安全。该矢量场可针对能量效率和/或驾驶员舒适性进行优化，但可能不足以成功执行紧急操纵等。此外，仅仅改变高层处的矢量场很可能是不够的，因为低层控制器带宽可能会被错误配置，这潜在地导致控制不稳定。
继续参考图2，AD控制器270生成运动控制请求275，该运动控制请求被发送到VMM功能260。该运动请求可包括与车辆100要跟随的期望加速度曲线和/或期望曲率相关的数据。这种运动请求信号的生成在本领域中是已知的，因此本文将不再详细讨论。VMM功能执行MSD协调261 (其示例将在下面结合图5更详细地讨论)。该MSD协调产生多个MSD设定点265，即，MSD控制分配，其可被馈送到车辆100上的不同MSD控制器，以便控制车辆上的物理致动器。
图3A示意性示出了用于通过一些示例MSD来控制车辆100上的示例车轮310的功能性300，在这里，该MSD包括摩擦制动器320 (诸如盘式制动器或鼓式制动器)、推进装置340和转向装置330。摩擦制动器320和推进装置是车轮扭矩生成装置的示例，其可以由一个或多个运动支持装置控制单元230控制。该控制基于例如从车轮转速传感器350和从其他车辆状态传感器370获得的测量数据，该其他车辆状态传感器诸如雷达传感器、激光雷达传感器，以及基于视觉的传感器(诸如相机传感器和红外检测器)。MSD控制单元230可被布置为控制一个或多个致动器。例如，MSD控制单元230被布置为控制车桥上的两个车轮并不少见。每个MSD都有多个设定点，这些设定点代表控制MSD行为的输入数据。VMM功能260被布置为协调各个MSD以获得与AD控制器270所期望的车辆行为一致的车辆行为。功能性300例如包括经由动力转向装置330来控制转向角d。MSD控制单元230直接从任选的转向角传感器360或者间接地经由作为由MSD控制单元230生成的转向角控制输入的函数的转向角模型来接收与当前转向角相关的信息。
AD控制器270计划以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通过弯道等所花费的时间。由AD控制器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，该曲线描述在车辆前进方向上的期望目标车辆速度以及对于给定操纵要维持的转向。AD控制器不断地从VMM功能260请求期望加速度曲线areq和转向角(或曲率曲线creq)，该VMM功能执行力分配来以安全稳健的方式满足来自AD控制器的请求。VMM功能260任选地不断将能力信息反馈给AD控制器270，该能力信息详细说明车辆当前例如在可生成的力、最大速度和加速度方面的能力。VMM功能260在低于一秒左右的时间尺度上操作。
图3B示意性地示出了更通用的分层控制架构300，其中高级控制器被布置为控制N个低级控制器的操作。然后，每个低级控制器控制一个或多个致动器或MSD，诸如推进装置、转向装置、悬架系统、制动器等(在图中指示为MSD A、MSD B和MSD C)。由于每个控制器都实施一些形式的控制回路，因此图3B中的系统可以被称为级联控制回路系统。在级联控制回路中，一个考虑因素需要是控制回路不会彼此“冲突”(抵消)，如果控制器以类似的时间常数或控制带宽操作，则可能会发生这种情况。
一般来说，在本文中，控制回路带宽或控制回路时间常数是指控制回路对回路的操作输入的变化的响应速度。与高带宽相关联的控制回路对输入信号的变化做出快速响应，而与较小的控制带宽相关联的控制回路需要更多时间来做出响应。与高带宽控制回路相比，低控制带宽通常与更好的噪声抑制效果相关联。
应当理解，用于控制至少一个MSD的期望控制带宽可包括不同类型的信息，所有这些信息的目的都是调节对从高层控制算法接收的控制命令的响应能力。例如，期望控制带宽可由滤波器常数(诸如一阶或二阶系统参数和/或回路滤波器特性的转折频率)指示。
期望控制带宽也可通过操纵的特征频率来指示，例如，可在请求的频率下优化控制相位延迟。
此外，期望控制带宽还可通过一个或多个车辆参数来指示，该一个或多个车辆参数诸如车辆轴距值、车辆单位惯性、或简化车辆模型的一些参数，诸如弹簧阻尼器系统。
期望控制带宽还可包括供下层使用的一组预定参数。这类似于使用低级控制系统来将软件驱动程序参数化以供高级控制系统使用。低层可被配置为与高层共享其参数化，连同对针对各种设置获得的行为的描述。
指定指示用于控制至少一个MSD的期望控制带宽的数据的最简单方法可能是使用一组预定的行为状态，诸如三个层级：舒适性、灵活性和紧急性。换句话说，从一组预定的控制带宽中选择指示期望控制带宽的数据。
在最高层级(“交通中的车辆”)上控制一切(可考虑控制动作对周围环境的影响)与主要在接近致动器的低层级上进行控制(这通常启用更快的且更有针对性的控制器)之间存在权衡。
这种权衡也取决于驾驶情况–接近致动器的较慢控制对于节能驾驶可能是可接受的，但是在紧急制动的情况下(例如，诸如在执行SAM等时)需要通过快速控制回路来超驰。
级联控制回路面临的问题通常通过以下方式解决：防止若干控制器被级联(仅在一个位置闭合回路)，或者精心地调谐控制回路(在控制回路带宽方面)，直到它们按预期协同工作，或者人为地减慢控制器的各部分，因此它们不会在同一时间尺度上致动。然而，这导致系统无法根据情况调节控制带宽。
为了改进涉及若干控制器协同工作的分层控制架构中的操作，在本文中提出传输用于控制器的时间常数、或控制带宽(低级控制器可闭合回路时的上限频率和下限频率)，以防止不同的控制器彼此抵消。在一个或多个控制器基于相应成本函数的优化的情况下，还可传输调谐的成本函数。调谐的成本函数可例如适于优先考虑车辆对运动控制命令的响应能力、舒适性和能量效率。
在高级控制器302与低级控制器303之间的接口中，可为堆栈中的高层定义附加信号，以塑造闭环控制器在低层级上的行为。通过设定时间常数或期望响应时间或替代地设定控制带宽，高层可塑造它们在给定交通状况下希望低层做出响应的方式。
这可能意味着请求尽可能快的响应、闭环，或者另一种极端是，禁用任何类型的反馈/闭环行为，甚至是极慢的参数估计器(以几十秒的时间常数工作)。
通常，高级控制器向低级控制器发送请求。在本文中提出了将与期望时间常数或控制环响应能力相关联的数据附加到该请求，因此高级控制器可加速或减慢低层级上的闭环控制动作。针对这种情况下制定的决策将基于所需的准确性，但是也受到安全级别的影响–可能需要在堆栈中的单个位置执行高完整性控制，但是在非安全关键情况下，可能需要在接近致动器的位置处应对更宽松的控制。
这种方法假设多层共享响应能力，以确保车辆动作是正确(且安全)的。控制回路的高层只能按照低层“允许”它们采取动作的速度来采取动作。这是期望的，因为它使得低层能够以更轻松且因此更高效或更舒适的方式进行控制。
图4中的流程图400概述了用于决策制定和调整所需控制响应的示例过程。
1：示例系统首先感知当前的交通状况，并决定车辆所需的制动/转向操纵能力以确保安全。如果车辆没有受到直接威胁，诸如障碍物或非期望车辆状态，则车辆的操纵能力不会特别明显。然而，如果检测到威胁，或者如果车辆即将进入需要避免的一些非期望状态(诸如大面积车轮滑移)，则可能需要更强的操纵能力。
2：然后系统计算所需的控制响应能力。例如，需要何种程度的减速才能及时停止，其包括一定的系统动态(任何响应都会很慢，但是在这些级联回路中，较低级别的响应可能比物理要求的还要慢)。这也可采取考虑到系统响应和最大减速度的总停车距离的形式，或类似形式。
3：然后系统将期望性能与当前性能进行比较，以便查看是否需要对车辆的控制响应特性进行调整。
5a：如果(在4中)确定当前系统响应足够，则使用现有的控制动态向低级控制器发出请求-这允许低级控制器以最舒适或最高效的方式继续控制。
5b：如果(在4中)替代地确定当前系统响应不足，则通过传输对变化的控制行为的请求来“锐化”针对低级控制器的请求-在控制方面，该变化的控制行为可能是响应时间、极点/零点配置或甚至是PID控制常数。
6. 然后观察车辆的响应并将其反馈到(3)中的比较中，以确定当前的控制响应作为持续决策制定的基础。
返回参考图2，在轨迹规划和轨迹跟踪期间，能够可靠地预测车辆对给定控制输入(诸如所应用的方向盘角度)的响应是有帮助的，以便更紧密地跟随期望的车辆轨迹。这里，如果没有明确说明，则转向角被定义为转向车桥的平均道路与车轮角度，即，考虑到由于阿克曼几何形状等导致的转向车桥的两个转向车轮的道路车轮角度差异。还应当理解，在一些车辆设计中，车轮可单独转向，即，转向车桥的两个车轮可彼此独立地转向，并且还可包括独立致动的轮端电动马达。为此，AD控制器270任选地包括第一车辆模型272，该第一车辆模型响应于针对给定的一组控制回路带宽的给定的一组输入命令(诸如请求的转向角)而对车辆行为进行建模。第一车辆模型可以是静态车辆模型或更高级的动态车辆模型。一般来说，如果车辆模型在给定时刻的行为不仅取决于当前输入而且还取决于过去的输入，则该车辆模型被分类为动态模型。动态模型被认为具有记忆或惯性。动态系统通常由一个或多个微分方程、一个或多个差分方程、一个或多个具有时滞的代数方程来描述。在静态车辆模型中，给定时刻的状态和输出仅取决于该时刻的输入。然后，输入与输出之间的关系由一个或多个代数方程给出。该第一车辆模型272允许高层控制功能评估传送到低层的当前带宽设置是否足以获得期望车辆运动，或者是否需要进行一些调整。例如，如果AD控制器270进入紧急操纵，诸如还包括转弯的紧急制动操纵，则可能需要增加在低层控制器处配置的控制带宽276，该第一模型将指示这一点。
类似地，VMM功能还包括任选的第二车辆模型262，该第二车辆模型可与由AD控制器270使用的第一车辆模型272对准。该车辆模型262允许VMM功能还确定期望车辆行为，即，AD控制器期望车辆响应于转向角请求或某个其他的运动控制请求275而如何表现。为了将不同的模型对准，两个模型可被布置为执行握手过程，其中它们交换和协商与车辆相关的模型参数以及潜在地还有车辆状态空间。例如，VMM功能260可拥有车辆数据，诸如车辆100的总货物重量和其他动态特性，然后它与第一车辆模型272共享这些数据，以便使两个模型彼此对准。这种对准可在车辆加电时执行，也可定期更新。例如，VMM功能260可连续更新第一车辆模型的车辆数据，诸如估计的轮胎磨损、车辆悬架的状态以及车辆上的运动支持装置的不同能力。该任选的第二车辆模型262可用于确定在MSD控制级别下使用的一组期望控制带宽266，以便获得在AD控制器级别下所需的车辆运动特性。VMM功能260考虑的实际车辆状态可包括单元上的点的横向位置、单元的横摆率、单元的横向加速度、单元的横向速度和单元的车身侧滑中的任一者。这些状态可由各种传感器直接测量或者基于相关状态间接估计。
根据各方面，VMM功能260可实施由AD控制器270使用的第一车辆模型272的本地副本。然后，VMM功能能够将给定的一组输入控制命令(诸如转向角请求)的预测车辆行为与作为处理转向角请求的结果而获得的实际车辆行为进行比较。VMM功能260然后可将校正因子传输到AD控制器，从而允许其对照车辆对输入控制命令的实际响应来校准其第一车辆模型。这将进一步减小AD控制器期望的车辆对某些控制输入的响应与对从车辆获得的对控制输入的响应之间的差异。
在以下论文中Tagesson讨论了重型车辆现代转向装置的机械原理和建模以及与重型车辆转向相关的一些误差源：“重型卡车的以驾驶员为中心的运动控制(Driver-centered Motion Control of Heavy Trucks)”，查尔姆斯理工大学，博士论文，2017年。
在以下文献中，Russel和Gerdes提出使用车辆模型来确定响应于人类驾驶员输入的期望车辆行为：“使用四轮线控转向的可变车辆应对特性的设计(Design of VariableVehicle Handling Characteristics Using Four-Wheel Steer-by-Wire)”，IEEE控制系统技术汇刊，第24卷，第5期，2015年。此处采用的方法可适于在当前的控制环境中、特别是在响应于不同控制带宽设置下的控制命令而对车辆行为建模中使用。
总结迄今为止的讨论，提出了用于重型车辆100的运动管理的控制系统130、140、301，其包括高级控制系统302和低级控制系统303。高级控制系统302被布置为获得车辆100的期望运动行为，并将适于根据车辆100的期望运动行为控制至少一个MSD的一个或多个控制信号传输到低级控制系统303。从高级控制系统302传输到低级控制系统303的一个或多个控制信号包括指示用于控制至少一个MSD的期望控制带宽的数据。低级控制系统303被布置为接收该控制信号并且根据该期望控制带宽来控制该至少一个MSD。因此，高级控制系统302需要响应更快的车辆，然后高级控制系统302可经由指示期望控制带宽的数据将此传送到低级控制器。
一般来说，车辆的期望运动行为可对应于适于紧急操纵的响应行为，或者更为轻松且响应较慢的节能行为，这也许还与车辆乘客的舒适性级别提高相关联。此外，一些类型的货物可对突然的不平稳和紧急加速敏感，除非是需要确保车辆的安全，否则这可能是非期望的。
高级控制系统302可例如对应于VMM功能260，并且低级控制系统303可对应于MSD控制单元230。替代地，高级控制系统302可对应于AD控制功能270，并且低级控制系统303替代地对应于VMM功能260。该概念还可用于具有超过两个层级的控制器的控制。例如，如图2中指示，高级控制器可以是AD控制器，该AD控制器被布置为将控制信号和相关联的控制带宽传送到VMM功能，该VMM功能又连接到一个或多个MSD控制功能。
根据各方面的高级控制系统302被布置为根据当前交通状况来确定用于控制该至少一个MSD的期望控制带宽。一些交通状况可能不需要任何特殊的车辆响应能力，因此车辆更自由地在相对较低的控制带宽下执行能量优化控制。然而，一旦发生可需要更高带宽、更快响应性的控制的情况，系统中的控制带宽就会使用在不同控制级别之间传递的带宽控制信号来重新配置。
高级控制系统302任选地被布置为根据该至少一个MSD的所需响应时间来确定用于控制该至少一个MSD的期望控制带宽。例如，高级控制系统可确定车辆需要在给定的时间段内停下来以便避免与障碍物相撞。然后，高级控制系统302可确定低级控制器中配置的当前控制带宽是否足以满足控制最后期限，或者是否需要响应更快的车辆来以足够高的概率成功完成操纵。
高级控制系统302优选地还被布置为根据控制稳定性标准来确定用于控制该至少一个MSD的期望控制带宽。通过使用车辆100的模型(诸如第一车辆模型272和/或第二车辆模型262)，该控制系统可能够确定当前控制带宽设置可能导致冲突的控制或不稳定的控制(诸如振荡控制输入等)。然后，高级控制系统302可在控制系统中的不同层级上找到不会表现出此类缺点的替代控制带宽配置，即，提供稳定的控制而没有冲突的控制器。
如上文所讨论，高级控制系统302可包括车辆模型262、272，该车辆模型被配置为对车辆100对控制信号的响应进行建模，该控制信号包括用于控制至少一个MSD的给定控制带宽，其中高级控制系统302被布置为响应于车辆模型262、272的输出与车辆100的期望响应的比较来确定该期望控制带宽。
此外，AD控制功能270可包括：第一车辆模型262、272，该第一车辆模型被配置为对车辆100对控制信号的响应进行建模，该控制信号包括用于控制至少一个MSD的给定控制带宽；以及轨迹跟踪功能271，该轨迹跟踪功能被配置为通过优化至少部分基于该第一车辆模型272的输出的成本函数来跟踪期望车辆轨迹。
图5示出了示例车辆控制功能架构，其中AD控制器270生成车辆运动请求275，该车辆运动请求包括期望的转向角d或车辆要遵循的当量曲率，并且还可任选地包括期望的车辆单元加速度areq以及其他类型的车辆运动请求，它们一起描述车辆以期望的速度曲线沿着期望路径的期望运动。应当理解，运动请求可用作用于确定或预测需要产生以便成功地完成操纵的纵向力和侧向力的所需量的基础。此外，从AD控制器接收的带宽信息276指示车辆所需的响应时间。VMM功能260使用对响应时间的这种期望来为不同的MSD控制器230设定带宽请求BWi。这是在BW控制模块540中完成的。上文讨论了BW控制模块540的各种操作。
VMM功能260以约1秒左右的时间范围操作，并且不断地将来自AD控制器270的加速度曲线areq和曲率曲线creq转换为用于控制由车辆100的不同MSD致动的车辆运动功能的控制命令，该MSD向VMM回报能力，该能力又用作车辆控制中的约束。VMM功能260执行车辆状态或运动估计510，即，VMM功能260通过使用布置在车辆100上通常但不总是与MSD相关的各种传感器550监测操作来不断地确定包括车辆组合中的不同单元的位置、速度、加速度和铰接角的车辆状态s。
运动估计510的结果(即，估计的车辆状态s)被输入到力生成模块520，该力生成模块确定不同车辆单元所需的全局力V=[V1,V2]以使车辆100根据请求的加速度曲线areq和曲率曲线creq移动，并根据期望车辆行为进行表现。所需的全局力矢量V被输入到MSD协调功能530，该MSD协调功能分配车轮力并协调其他MSD，诸如转向装置和悬架。MSD协调功能输出对第i个车轮的MSD控制分配，该MSD控制分配可包括扭矩Ti、纵向车轮滑移λi、车轮转速ωi和/或车轮转向角δi中的任一者。然后协调的MSD一起在车辆单元上提供期望横向力Fy和纵向力Fx，以及提供所需力矩Mz，以获得车辆组合100的期望运动。因此，AD控制器270基于第一模型272的输出期望从车辆100得到的响应实际上也从物理车辆获得，因为VMM功能执行MSD控制分配，目的是获得期望行为。
图7示出了可以应用本文讨论的技术的实际示例700。位置A处的车辆100最初在道路上行驶并被控制以跟随第一路径710 (虚线所示)。根据交通环境，可以相对较低的控制带宽执行车辆控制，从而允许在高能量效率下实现舒适的车辆运动。然而，在位置B处发生了一些意外情况，诸如出现意外障碍物或一些关键车辆部件出现故障。该事件需要更高响应能力下的车辆控制。因此，高级控制器向低级控制器发送控制命令，以增加控制带宽，这允许高级控制器执行更突然、更不舒适的操纵。然后，高级控制器能够控制车辆100沿着替代轨迹720 (虚线所示)，该替代轨迹包括相对较高的横向力和紧急减速。该轨迹使得能够控制车辆100来以安全但不舒服且能量效率低的方式快速移动到路边，在位置C处停车。
图8是示出总结上述讨论中的至少一些的方法的流程图。该图示出了用于重型车辆100的运动管理的计算机实施的方法。该方法包括
配置S1高级控制系统302和低级控制系统303，
由高级控制系统302获得S2车辆100的期望运动行为，
由高级控制系统302将适于根据车辆100的期望运动行为控制至少一个MSD的一个或多个控制信号传输S3到低级控制系统303，
其中从高级控制系统302传输到低级控制系统303的一个或多个控制信号包括指示用于控制至少一个MSD的期望控制带宽的数据，
在低级控制系统303处接收S4控制信号，以及
根据期望控制带宽控制S5至少一个MSD。
图9在许多功能单元方面示意性地示出了控制单元的部件，诸如VCU 130、140中的任一者。根据本文讨论的实施方案，控制单元可实施AD控制器270、VMM 260和/或MSD控制功能230的上述功能中的一者或多者。控制单元被配置为执行上面讨论的用于控制重型车辆100的功能中的至少一些。使用能够执行存储在例如呈存储介质920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910。处理电路910还可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910被配置为使控制单元执行一组操作或步骤，诸如结合图8所讨论的方法。例如，存储介质920可存储该组操作，并且处理电路910可被配置为从存储介质920中检索该组操作以使控制单元130、140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910由此被布置为执行如本文公开的方法。
存储介质920还可以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130、140还可包括用于与至少一个外部装置通信的接口930。因此，接口930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910 (例如，通过向接口930和存储介质920发送数据和控制信号、通过从接口930接收数据和报告以及通过从存储介质920中检索数据和指令)对控制单元130、140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。
根据第一示例，处理电路910适于根据上述讨论实施高级控制系统302，其中高级控制系统302被布置为获得车辆100的期望运动行为，并将适于根据车辆100的期望运动行为控制至少一个(MSD)的一个或多个控制信号传输到低级控制系统303，其中从高级控制系统302传输到低级控制系统303的一个或多个控制信号包括指示用于控制至少一个MSD的期望控制带宽的数据。
根据第二示例，处理电路910适于如上文所讨论实施低级控制系统303，其中低级控制系统303被布置为从高级控制系统302接收指示车辆100的期望运动行为的一个或多个控制信号，并且其中从高级控制系统302传输到低级控制系统303的一个或多个控制信号包括指示用于控制至少一个MSD的期望控制带宽的数据。
图10示出了承载计算机程序的计算机可读介质1010，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1020。计算机可读介质和代码装置可一起形成计算机程序产品1000。

Claims (16)

1.一种用于重型车辆(100)的运动管理的控制系统(130、140、301)，所述控制系统包括
高级控制系统(302)和低级控制系统(303)，
其中所述高级控制系统(302)被布置为获得所述车辆(100)的期望运动行为，并将适于根据所述车辆(100)的所述期望运动行为控制至少一个运动支持装置(MSD)的一个或多个控制信号传输到所述低级控制系统(303)，
其中从所述高级控制系统(302)传输到所述低级控制系统(303)的所述一个或多个控制信号包括指示用于控制所述至少一个MSD的期望控制带宽的数据，
其中所述低级控制系统(303)被布置为接收所述控制信号并且根据所述期望控制带宽来控制所述至少一个MSD。
2.根据权利要求1所述的控制系统(130、140、301)，其中所述高级控制系统(302)对应于车辆运动管理(VMM)功能(260)，并且其中所述低级控制系统(303)对应于MSD控制单元(230)。
3.根据权利要求1所述的控制系统(130、140、301)，其中所述高级控制系统(302)对应于自主驾驶(AD)控制功能(270)，并且其中所述低级控制系统(303)对应于VMM功能(260)。
4.根据任一前述权利要求所述的控制系统(130、140、301)，其中所述高级控制系统(302)被布置为根据当前交通状况来确定用于控制所述至少一个MSD的所述期望控制带宽。
5.根据任一前述权利要求所述的控制系统(130、140、301)，其中所述高级控制系统(302)被布置为根据所述至少一个MSD的所需响应时间来确定用于控制所述至少一个MSD的所述期望控制带宽。
6.根据任一前述权利要求所述的控制系统(130、140、301)，其中所述高级控制系统(302)被布置为根据控制稳定性标准来确定用于控制所述至少一个MSD的所述期望控制带宽。
7.根据任一前述权利要求所述的控制系统(130、140、301)，其中所述高级控制系统(302)包括车辆模型(262、272)，所述车辆模型被配置为对所述车辆(100)对控制信号的响应进行建模，所述控制信号包括用于控制至少一个MSD的给定控制带宽，其中所述高级控制系统(302)被布置为响应于所述车辆模型(262、272)的输出与所述车辆(100)的期望响应的比较来确定所述期望控制带宽。
8.根据权利要求3所述的控制系统(130、140、301)，其中所述AD控制功能(270)包括：第一车辆模型(262、272)，所述第一车辆模型被配置为对所述车辆(100)对控制信号的响应进行建模，所述控制信号包括用于控制至少一个MSD的给定控制带宽；以及轨迹跟踪功能(271)，所述轨迹跟踪功能被配置为通过优化至少部分基于所述第一车辆模型(272)的输出的成本函数来跟踪期望车辆轨迹。
9.根据任一前述权利要求所述的控制系统(130、140、301)，其中所述车辆(100)的所述期望运动行为对应于适于紧急操纵的响应行为。
10.根据任一前述权利要求所述的控制系统(130、140、301)，其中所述车辆(100)的所述期望运动行为对应于节能行为。
11.根据任一前述权利要求所述的控制系统(130、140、301)，其中所述车辆(100)的所述期望运动行为与乘客舒适性级别相关联。
12.根据任一前述权利要求所述的控制系统(130、140、301)，其中所述至少一个MSD包括以下任一者：所述重型车辆(100)的扭矩生成装置，诸如电机(340)和/或行车制动器(320)、转向装置(330)或悬架系统。
13.根据任一前述权利要求所述的控制系统(130、140、301)，其中指示所述期望控制带宽的所述数据是从一组预定控制带宽中选择的。
14.一种用于重型车辆(100)的运动管理的控制单元(130，140)，所述控制单元包括存储介质(920)和处理电路(910)，所述处理电路适于实施高级控制系统(302)，
其中所述高级控制系统(302)被布置为获得所述车辆(100)的期望运动行为，并将适于根据所述车辆(100)的所述期望运动行为控制至少一个运动支持装置(MSD)的一个或多个控制信号传输到低级控制系统(303)，
其中从所述高级控制系统(302)传输到所述低级控制系统(303)的所述一个或多个控制信号包括指示用于控制所述至少一个MSD的期望控制带宽的数据。
15.一种用于重型车辆(100)的运动管理的控制单元(130，140)，所述控制单元包括存储介质(920)和处理电路(910)，所述处理电路适于实施低级控制系统(303)，
其中所述低级控制系统(303)被布置为从高级控制系统(302)接收指示所述车辆(100)的期望运动行为的一个或多个控制信号，
其中从所述高级控制系统(302)传输到所述低级控制系统(303)的所述一个或多个控制信号包括指示用于控制所述至少一个MSD的期望控制带宽的数据。
16.一种用于重型车辆(100)的运动管理的计算机实施的方法，所述方法包括
配置(S1)高级控制系统(302)和低级控制系统(303)，
由所述高级控制系统(302)获得(S2)所述车辆(100)的期望运动行为，
由所述高级控制系统(302)将适于根据所述车辆(100)的所述期望运动行为控制至少一个运动支持装置(MSD)的一个或多个控制信号传输(S3)到所述低级控制系统(303)，
其中从所述高级控制系统(302)传输到所述低级控制系统(303)的所述一个或多个控制信号包括指示用于控制所述至少一个MSD的期望控制带宽的数据，
在所述低级控制系统(303)处接收(S4)所述控制信号，以及
根据所述期望控制带宽控制(S5)所述至少一个MSD。
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