CN1722038A - 控制地面车辆的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种地面车辆控制、车辆自动驾驶控制的方法。本发明方法包括：利用一GPS接收机或类似设备和一惯性回转仪或类似装置为地面车辆提供自动驾驶控制。将测得的偏轨误差和横向误差指令之差输入一横向误差控制回路，得到一横向速率指令。然后，将测得的横向速率和横向速率指令之差输入一横向速率控制回路，得到一偏航率指令。最后，计算出偏航率和偏航率指令之差及车辆预期路径的弯曲路径偏航率，并将其输入一偏航率控制回路，得到一能够操纵车辆行驶在或者行驶向该车的预期轨道的阀门指令。诸如测得的滑移率等的输入用来估算被操纵车轮的驾驶威力；估算出的驾驶威力和/或驾驶车辆的用户的行为用来调整偏航率控制回路的增益。

Description

控制地面车辆的系统和方法
技术领域
本发明总体上涉及自动驾驶控制领域，尤其涉及一种控制地面车辆的系统和方法。
背景技术
一辆配备有自动驾驶控制系统的地面车辆可以包括一个与全球定位系统(GPS)接收机装置等相连的导航控制系统。从GPS接收机得来的数据用来确定偏轨误差，例如车辆从其预期轨道偏离距离的测量值。航向误差也是由地面车辆的测量航向与其预期方向之间的差异的测量值确定。最后，可提供测量车辆舵角的仪器。将偏轨误差、航向误差和舵角输入多个嵌套的比例控制回路中，并与外部回路上的积分控制器结合以提供地面车辆自动驾驶控制。
目前的自动驾驶控制系统还存在一些局限性，比如，多个比例控制回路和一个比例积分控制回路的使用不可能在较宽的车速范围内提供一个强有力的解决方法，而且使用车辆航向信息的控制回路典型的需要车速补偿。另外，本领域内的普通技术人员会认识到，由于诸如滑移率等的影响，测量所得的舵角并不能真正显示出驾驶的有效性。因此，提供一种控制地面车辆，诸如车辆自动驾驶控制的系统和方法，不需要测量不管车速时会有效的地面车辆舵角等，这将是很有利的。
发明内容
因此，本发明提供一种方法用于地面车辆的控制、车辆的自动驾驶控制等。本发明的方法可以利用一GPS接收机装置等装备来获取方位信息并生成包括方位(纬度和经度)、路线或航向、速率、时间等的导航信息。配备在地面车辆上的惯性回转仪等装置可以通过直接反馈信息确定车辆的偏航率。该偏航率可以同GPS接收机装置接受到的数据结合起来对地面车辆进行自动驾驶控制。
本发明的方法包括测量车辆的偏轨误差，偏轨误差是车辆从其预期轨道偏离的距离的测量值。把偏轨误差与横向误差指令的差输入到一横向误差控制回路，得到可以将车辆带回到预期路径上的横向速率指令。横向速率也可以测出。在一具体实施例中，横向速率是由将测量出的车辆的实际路线与该车辆的预期路线相比较，并与测量出的地面车辆的前进速率相结合而得到的。在另一具体实施例中，可以通过计算每单位时间横向误差的变化等方法将横向速率进行微分。
把横向速率的测量值和横向速率指令之差输入一横向速率控制回路，得到一偏航率指令，该指令可以操纵车辆行驶在或者行驶向该车的预期轨道。地面车辆的偏航率可以通过测量得出，该偏航率可由配备在车辆上的惯性回转仪等仪器的直接反馈信息来确定。最后，计算出偏航率与偏航率指令之差以及地面车辆预期路径的弯曲路径偏航率，并将其输入偏航率控制回路，可以得出一能够操纵车辆行驶在或者行驶向该车的预期轨道的阀门指令。
诸如滑移率测量值、车辆所牵引的器械的牵引速率等的输入可用来估算被操纵车轮的驾驶威力。估算的驾驶威力可以用来调整偏航率控制回路，从而对驾驶威力的损失做出补偿。偏航率控制回路也可以经过调整反映出驾驶车辆用户的行为。例如，一正在使用用户界面调整增益的用户将增大由偏航率控制回路确定的阀门指令，或者正在转动车辆方向盘的用户将脱离阀门指令。
可以理解，前面的概述以及随后的详细描述都是示例性和解释性的，并不对本发明的权利要求构成限制。作为说明书一部分的附图举例说明了本发明的实施例，并与前面的概述一起用来解释本发明的原理。
附图说明
通过参考附图，本发明的诸多优点可以更好地被本领域的技术人员理解，其中：
图1是说明本发明一具体实施例所述的一种控制地面车辆的方法的流程图；
图2是说明一操纵控制运算法则的具体实施，包括实现图1所说明的方法的比例增益控制回路；及
图3是说明用在图1所述方法中的GPS系统的系统方框图。
具体实施方式
现在详细参考本发明的优选实施例，它们的一些实例在附图中示出。
总体上参考图1到图3，描述了本发明一具体实施例所述的为地面车辆的控制提供的自动驾驶控制等的系统和方法。该具体实施方法的第一步骤测量车辆的偏轨误差，该偏轨误差是车辆从其预期轨道偏离的距离的测量值。接下来，把偏轨误差与横向误差指令的差输入到一横向误差控制回路，得到可以将车辆带回到预期路径上的横向速率指令。该车辆的横向速率被测出。在一具体实施例中，该横向速率是由将测量出的车辆的实际路线与该车辆的预期路线相比较，并与测量出的该地面车辆的前进速率相结合而得到的。在另一具体实施例中，可以应用一系列的随时间测得的横向误差值来计算每单位时间横向误差的变化等对该横向速率进行微分。
接下来，把横向速率的测量值和横向速率指令之差输入一横向速率控制回路，得到一偏航率指令，该指令可以操纵车辆行驶在或者行驶向该车的预期轨道。该地面车辆的偏航率被测出，该偏航率可由配备在车辆上的惯性回转仪等仪器的直接反馈信息确定。最后，计算出偏航率与偏航率指令之差以及地面车辆预期路径的弯曲路径偏航率，并将其输入偏航率控制回路，可以得出一能够操纵车辆行驶在或者行驶向该车的预期轨道的阀门指令。
本发明的具体实施例中，诸如滑移率测量值、车辆所牵引的器械的牵引速率等的信息可用来估算被操纵车轮的驾驶威力。该估算的驾驶威力可以用来调整偏航率控制回路，从而对驾驶威力的损失做出补偿。偏航率控制回路也可以经过调整反映出驾驶车辆用户的行为。例如，一正在使用用户界面调整增益的用户将增大由偏航率控制回路确定的阀门指令，或者正在转动车辆方向盘的用户将脱离阀门指令。
现在参考图1，该图描述了一种在本发明的一具体实施例中应用估算出的驾驶威力和偏航率的输入来控制地面车辆的方法100。参考图2，作为具体方法100的实施例，图2提供包含有比例增益控制回路202和204和可变增益比例控制回路206的操纵控制运算法则200；但是，本领域的普通技术人员会认识到，在不偏离本发明范围和意图的条件下，其它一些不同的操纵控制运算法则也可以用来控制地面车辆，包括应用比例积分控制运算法则、比例积分微分(PID)控制运算法则等的操纵控制运算法则。在该具体方法100的步骤102中，测量了车辆的偏轨误差(横向误差)。例如，该横向误差可以是在与预期路径大体垂直的方向上，车辆从其预期路径偏离距离的测量值或其它，该距离测量值是由该车辆的GPS位置测量值与该车辆在预期路径上的预期地点的位置测量值相比较而得到的。在步骤104中，把横向误差和横向误差指令调定点值的差输入一横向误差控制回路，比如比例增益横向误差控制回路202，以得到一横向速率指令调定点输出值。例如，地面车辆的横向误差10.0厘米和横向误差指令调出点值0.0厘米的差经计算是10.0厘米。然后将该10.0厘米的差值输入比例增益横向误差控制回路202中。在步骤106中，能将地面车辆带回到其预期路径上的横向速率指令调定点值是在比例增益横向误差控制回路202中确定的。优选地，为了防止地面车辆以太大的角度接近其预期路线的一条线并且越过该线，该横向速率指令调定点值可以被限定为地面车辆速率的80％。例如，设定以5英里每小时(mph)行驶的地面车辆的横向速率指令调定点值为4英里每小时(mph)。本领域的普通技术人员会认识到，在不偏离本发明范围和精神的条件下，该横向速率指令调定点值可以包含地面车辆速率的不同百分比。
接下来，在步骤108中确定该车辆横向速率的测量值。在本发明的一具体实施例中，将测量的地面车辆的实际路线与该车辆预期路线相比较得到一横向速率。与测得的地面车辆的前进的速率相结合，该实际路线和预期路线可以用来计算该地面车辆的横向速率。例如，测得的地面车辆的实际路线从它的预期路线偏离了30度，与测得的该地面车辆的前进速率5mph相结合，可以计算出横向速率为2.5mph。，在另一具体实施例中，可以应用一系列的随时间测得的横向误差值来计算每单位时间横向误差的变化等，从而将横向速率进行微分。在步骤110中，将步骤108中测得的横向速率与步骤106中确定的横向速率指令调定点值之差输入一横向速率控制回路，比如比例增益横向速率控制回路204中可以得到一偏航率指令调定点输出值。例如，地面车辆的横向速率3mph和横向速率指令调定点值4mph之差经计算是1mph，然后将该1mph的差值输入比例增益横向速率控制回路204。在步骤112中，能将地面车辆带回到其预期路径上的偏航率指令调定点值是在比例增益横向速率控制回路204中确定的，例如，在比例增益横向速率控制回路204中确定的偏航率指令调定点值是10度每秒。
然后，在该具体方法100的步骤114中，得到车辆的偏航率测量值，例如，该偏航率可以由配备在车辆上的惯性回转仪等仪器的直接反馈信息来确定。在步骤116中计算了偏航率与步骤112中确定的偏航率指令调定点值和车辆预期路径的弯曲路径偏航率之和的差，将该差值输入偏航率控制回路，例如可变增益比例偏航率控制回路206中可以得到阀门指令调定点输出值。例如，地面车辆偏航率8度每秒与偏航率指令调定点值10度每秒和车辆预期路径的弯曲路径偏航率9度每秒之和的差经计算是11度每秒，然后将该11度每秒的差值输入可变增益比例偏航率控制回路206中。在步骤118中，能将地面车辆带回到其预期路径上的阀门指令调定点值是在可变增益比例偏航率控制回路206中确定的。
本发明的具体实施例中，诸如滑移率测量值、车辆所牵引的器械的牵引速率等的信息可用来估算被操纵车轮的驾驶威力。例如，通过地面车辆理论速率和实测速率的比较，可以计算出车辆的滑移率，该滑移率还可以用来估算驾驶威力等。估算的驾驶威力可以用来调整可变增益比例偏航率控制回路206的增益，从而对被操纵车轮的驾驶威力的损失做出补偿。例如，增加可变增益比例偏航率控制回路206的增益可能导致在较高滑移率的情况下车辆被操纵轮的驾驶威力等的增加。优选地，可变增益比例偏航率控制回路206的增益也反比于车辆的前进速率，可以提供一个在某车速变化范围内都可调整的控制系统。本领域的普通技术人员会认识到，可变增益比例偏航率控制回路206也可以经过调整反映出驾驶车辆用户的行为，例如，一正在使用用户界面等调整增益的用户将增大由可变增益比例偏航率控制回路206确定的阀门指令调定点值，或者正在转动车辆方向盘的用户将脱离阀门指令。
参考图3，该图描述了本发明具体方法用到的一GPS接收机装置300。如图1所述的用在本发明的方法100中的GPS接收机装置300可以用来测量地面车辆的偏轨误差(横向误差)。另外，将地面车辆的实测路线与它的预期路线相比较，GPS接收机装置300还可以确定横向速率。
该GPS接收机装置300包括：一全球定位系统接收机装置302、一处理单元304和一用户界面306，这几部分由总线结构308相互联结在一起。处理单元304可以包括一处理器和一存储器。用户界面306可以包括一可视显示器。在本发明的一具体实施例中，用户界面306可以从用户那里接受操纵控制信息。另外，用户界面306也可以由图形用户界面的形式呈现出来。
该全球定位系统接收机装置302从一全球定位系统那里接收方位信号，并产生基于全球定位系统的导航信息，包括方位(例如经度和纬度)、路线或航向、速率、时间等，这些信息将会被处理单元304和GPS接收机装置300的其它部件所用到。在具体实施例中，全球定位系统接收机装置302从GPS那里接收定位信号，该GPS是由美国空军为美国政府管理的天基无线导航系统。但是可以预想到的是，全球定位系统接收机装置302也选择性地适用于其它基于无线电的导航/全球定位系统，诸如由俄罗斯太空中心(RPA)为俄罗斯联邦管理的GLONASS导航卫星系统。另外，在本发明的具体实施例中，该全球定位系统接收机装置302也可以接收和应用由差分GPS(DGPS)系统和广域差分GPS(WADGPS)系统提供的强化的定位信息，比如由约翰-迪尔(John Deere)、莫林(Moline)公司和伊利诺伊(Illinois)公司开发的STARFIRETM广域差分GPS系统和由美国政府联邦航空管理局提供的广域增强系统(WAAS)等。在这些实施例中，全球定位系统接收机装置302可以包括或连接一个用来接收差分误差修正信息的无线电接收机。
该全球定位系统接收机装置302与一导航控制系统310以总线结构308相互连接。导航控制系统310也可以根据偏航率回转仪311所接受到的偏航率信息来运行。例如，该导航控制系统310可以利用全球定位系统接收机装置302和偏航率回转仪311所提供的导航信息为车辆提供导航或指导信息。该导航控制系统310利用方法100(图1)来控制车辆的操纵控制器，诸如驾驶控制阀312等，从而使该车辆行驶在它的预期路径上。例如，在该发明的具体实施例中，应用诸如操纵控制运算法则200(图2)等的操纵控制运算法则，该导航控制系统310能够在一区域内导航和驾驶出一些平行的路径或轨迹。可以进一步预想到，如图2的操纵控制运算法则200所讨论过的，车辆的驾驶也可以进一步的由用户通过用户界面306或者由用户旋转车辆方向盘来控制。
在该发明的具体实施例中，所描述的这些方法可以由一些指令或由能被某装置可读的软件来完成。而且可以理解的是，所公开方法中的特定顺序和分级步骤都是示意性的实例。基于优选设计，可以理解，上述方法中的特定顺序和分级步骤在本发明的范围之内还可以进行重新排列。随后的方法权利要求仅仅是以示例顺序表示了不同步骤，并不限定于所示的特定顺序和分级步骤。
可以相信，通过前面的描述，本发明以及其诸多优点将被理解，并且显然，在不脱离本发明的范围和精神或不牺牲本发明的实质优点的情形下，其部件的形成、构造和排列可作各种改变。上文描述只是其解释性实施例，权利要求书概括和包含此类改变。

Claims (20)

1、一种控制车辆的方法，包括：
测量车辆的横向误差；
将该横向误差和横向误差指令之差输入一第一控制回路，得到一横向速率指令；
测量车辆的一横向速率；
将该横向速率和该横向速率指令之差输入一第二控制回路，得到一偏航率指令；
测量车辆的一偏航率；及
将该偏航率与偏航率指令及车辆预期路径的弯曲路径偏航率之差输入一第三控制回路，得到驾驶车辆的指令。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，把车辆的预期方位与全球定位系统(GPS)接收机装置接受到的方位数据相比较得到该车辆的横向误差。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，把车辆的实际路线与预期路线相比较，并与车辆的前进速率相结合得到该车辆的横向速率。
4、如权利要求3所述的方法，其特征在于，该车辆的实际路线是由GPS接收机装置接受到的数据确定。
5、如权利要求3所述的方法，其特征在于，该车辆的前进速率是由GPS接收机装置接受到的数据确定。
6、如权利要求1所述的方法，其特征在于，该车辆的横向速率是通过多个每单位时间横向误差的变化的计算测得。
7、如权利要求1所述的方法，其特征在于，该偏航率是由配备在车辆上的惯性回转仪的直接反馈信息测得。
8、如权利要求1所述的方法，其特征在于，该偏航率是通过多个每单位时间GPS接收机装置接受到的方位测量值的变化的计算测得。
9、如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
测量车辆的一滑移率，及
利用该滑移率估算车辆的被操纵轮的驾驶威力，
该估算的被操纵轮的驾驶威力用来调整偏航率控制回路的增益。
10、如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
测量由车辆所牵引的器械的一牵引速率，及
利用该器械的牵引速率估算车辆的被操纵轮的驾驶威力，
该估算的被操纵轮的驾驶威力用来调整偏航率控制回路的增益。
11、如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：测量至少一个来自该车辆用户的输入，该至少一个输入用来调整该偏航率控制回路。
12、如权利要求1所述的方法，其特征在于，用来驾驶车辆的指令是一阀门指令。
13、如权利要求1所述的方法，其特征在于，用来驾驶车辆的指令是用来驾驶该车辆使其沿着预期的路径行驶。
14、如权利要求1所述的方法，其特征在于，用来驾驶车辆的指令是用来驾驶该车辆使其驶向预期的路径。
15、如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少第一、第二和第三控制回路中的一个回路是比例增益控制回路。
16、如权利要求1所述的方法，其特征在于，该第三控制回路是一有可变增益的比例控制回路。
17、车辆控制的一个系统，包括：
一从全球定位系统接收定位信号，并且为车辆生成方位信息的全球定位系统(GPS)接收机；
一将方位信息进行处理从而得到导航控制系统信息的处理系统；
其中，该导航控制系统把测得的横向误差与横向误差指令之差输入给第一控制回路，得到一个横向速率指令；把测得的横向速率与横向速率指令之差输入一第二控制回路，得到一偏航率指令；把测得的偏航率与偏航率指令及车辆预期路径的弯曲路径偏航率之差输入一第三控制回路，得到一个驾驶车辆的指令。
18、一种车辆控制的方法，包括：
测量车辆的一横向误差；
将横向误差和横向误差指令之差输入一第一控制回路，得到横向速率指令；
测量车辆的一横向速率；
将横向速率和横向速率指令之差输入一第二控制回路，得到偏航率指令；
测量车辆的偏航率；及
将偏航率与偏航率指令及车辆预期路径的弯曲路径偏航率之差输入一第三控制回路，得到驾驶车辆的指令，
其中，车辆的横向误差是把车辆的预期方位与全球定位系统(GPS)接收机装置接受到的方位数据相比较而得到的，及
车辆的横向速率是把车辆的实际路线与预期路线相比较，并与车辆的前进速率相结合而得到的。
19、如权利要求18所述的方法，其特征在于，偏航率由配备在车辆上的惯性回转仪的直接反馈信息测得。
20、如权利要求18所述的方法，其特征在于，偏航率通过多个每单位时间GPS接收机装置接受到的方位测量值的变化的计算测得。
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