FR3066627B1

FR3066627B1 - Systeme de planification de trajectoire de vehicule automobile

Info

Publication number: FR3066627B1
Application number: FR1754502A
Authority: FR
Inventors: Sergey Abrashov; Francois Aioun; Franck Guillemard; Xavier Moreau; Rachid Malti
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Peugeot Citroen Automobiles SA; Universite de Bordeaux; Institut Polytechnique de Bordeaux
Current assignee: Stellantis Auto Sas Fr; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite de Bordeaux; Institut Polytechnique de Bordeaux
Priority date: 2017-05-22
Filing date: 2017-05-22
Publication date: 2019-06-14
Anticipated expiration: 2037-05-22
Also published as: WO2018215709A1; EP3635499A1; FR3066627A1

Abstract

L'invention a trait à un procédé de commande autonome de la direction d'un véhicule automobile lors d'un changement de voie. Le procédé met en œuvre un calculateur décisionnel (2) déterminant la voie à emprunter, ainsi qu'un système de positionnement (7) du véhicule par rapport aux différentes voies. Ces données sont traitées par un générateur de référence (4). Il en ressort un signal de référence filtré (df n), permettant d'avoir une correction de trajectoire lissée. Le générateur de référence (4) envoie en sortie une consigne de trajectoire (df n), qui consiste en l'erreur entre une valeur de référence et une valeur mesurée. La correction de cette erreur de position est obtenue grâce à une boucle d'asservissement (8), mettant en œuvre un régulateur (5). Celui-ci délivre un signal de commande (51) qui agit sur le mécanisme de direction du véhicule (6).

Description

SYSTEME DE PLANIFICATION DE TRAJECTOIRE DE VEHICULE AUTOMOBILE L’invention a trait au domaine des véhicules automobiles équipés de système de conduite autonome ou semi-autonome. Plus particulièrement, l’invention a trait au domaine des systèmes de planification de trajectoire pour un véhicule automobile en conduite autonome ou semi-autonome lors d’un changement de voie.

Les régulateurs latéraux de trajectoire jouent un rôle essentiel dans le contrôle de la trajectoire de véhicules automobiles. Ils interviennent notamment pour contrôler et maintenir le véhicule sur une trajectoire calculée par un système externe. Trois cas se présentent généralement. Le premier concerne le cas où la courbure de la route varie. Le véhicule doit ajuster sa trajectoire de façon à s’aligner sur la variation de la forme de la route, généralement modélisée par une courbe clothoïde. Le deuxième cas concerne notamment les perturbations de la trajectoire, dues par exemple à une manipulation involontaire du volant ou aux conditions météorologiques (vent). Le véhicule doit être capable de retourner rapidement sur sa trajectoire initiale. Le troisième cas concerne les calculs de trajectoire où un changement de voie est prévu. Afin de préserver la stabilité du véhicule et le confort du passager, ce changement de voie ne doit pas entraîner de variation brusque de la trajectoire.

En ce sens, le document de brevet publié US 8,428,843 B2 divulgue une méthode nécessitant une modélisation complète de la route empruntée par le véhicule. Une fois cette estimation réalisée, une trajectoire préférée est générée de façon prédictive, adaptée pour être lisse lors du changement de voie. L’algorithme repose donc sur des approximations polynomiales nécessitant des puissances de calcul conséquentes.

La méthode de contrôle latéral divulguée dans l’état de l’art exige l’analyse d’un horizon de la route afin de planifier à l’avance la trajectoire du véhicule sur cet horizon. L’invention a pour objectif de proposer un procédé de commande autonome de la direction d’un véhicule automobile, en cas de changement de voie, palliant au moins un inconvénient de l’art antérieur susmentionné. Plus particulièrement, l’invention a pour objectif de proposer un procédé de commande autonome de la direction d’un véhicule automobile, en cas de changement de voie, nécessitant moins de capacités de calcul que les méthodes de l’état de l’art. L’invention a pour objet un procédé de commande autonome de la direction d’un véhicule automobile lors d’un changement de voie, comprenant les étapes suivantes : réception d’un signal de changement de voie vers une voie cible ; et calcul d’un signal de commande de la direction du véhicule sur base du signal de changement de voie; remarquable en ce que le calcul du signal de commande de la direction comprend, lors de la réception du signal de changement de voie, la détermination d’une fonction de l’écart latéral du véhicule par rapport à la voie cible et un lissage de ladite fonction au moyen d’un filtre passe-bas.

Par commande autonome de la direction d’un véhicule automobile, on entend une commande automatisée de la direction du véhicule avec ou sans la surveillance et/ou l’intervention du conducteur.

La voie cible est la voie sur laquelle le véhicule doit aligner sa trajectoire et poursuivre son mouvement. La voie cible peut être amenée à changer en fonction des calculs prévisionnels de trajectoire.

Selon un mode avantageux de l’invention, le calcul du signal de commande de la direction comprend, en outre, une boucle d’asservissement dudit signal de commande, avec, pour consigne, la fonction de l’écart latéral cible lissée.

Selon un mode avantageux de l’invention, la boucle d’asservissement comprend un régulateur du type PID.

Selon un mode avantageux de l’invention, la boucle d’asservissement comprend, en outre, une fonction représentative de la dynamique du véhicule.

Selon un mode avantageux de l’invention, la boucle d’asservissement comprend, en outre, un signal de perturbation à l’entrée de la fonction représentative de la dynamique du véhicule. Les perturbations agissant sur le système d’asservissement sont donc une composante du signal traité par la fonction représentative de la dynamique du véhicule.

Selon un mode avantageux de l’invention, la boucle d’asservissement comprend une mesure de l’écart latéral du véhicule par rapport à une voie de référence et le calcul de la différence entre ledit écart mesuré et l’écart latéral cible lissé.

Selon un mode avantageux de l’invention, le filtre passe-bas est exécuté au moyen d’une fonction de transfert F(s) du deuxième ordre qui s’énonce : en fonction d’un opérateur de Laplace s, avec une fréquence de coupure et un coefficient d’amortissement

Selon un mode avantageux de l’invention, la fréquence de coupure est supérieure ou égale à 0.25 et/ou inférieure ou égale à 2.

Selon un mode avantageux de l’invention, le coefficient d’amortissement est supérieur ou égal à 0.85. L’invention a également pour objet un véhicule automobile comprenant un système de conduite autonome avec une direction à commande électrique et un calculateur relié électriquement à ladite direction, et dans lequel le calculateur est configuré pour exécuter le procédé décrit précédemment selon l’invention.

Les mesures de l’invention sont intéressantes en ce que le procédé permet de générer de manière simplifiée la trajectoire du véhicule lorsqu’il change de voie. Cette génération de trajectoire est simplifiée en ce qu’elle est basée sur un lissage de la fonction de l’écart latéral du véhicule par rapport à la voie cible, cette fonction formant, de par sa nature, un échelon. Cette fonction est calculée à partir de deux données externes, qui correspondent à la distance latérale du véhicule par rapport à une voie de référence, ainsi que celle par rapport à une voie cible.

Les mesures de l’invention sont intéressantes en ce qu’elles permettent de distinguer les différentes situations à l’origine d’une variation des valeurs de ces distances latérales. En effet, le générateur de référence permet de distinguer les variations dues à un mouvement du véhicule suite à un écartement de sa trajectoire prévue (virage, perturbation météorologique ou manipulation involontaire du volant), de celles dues à un changement de voie cible. Ainsi, seule la composante de la fonction de l’écart latéral due à un changement de voie est lissée par un filtre passe-bas.

La méthode permet donc d’adapter l’effet du régulateur de position latérale à chaque situation. S’il s’agit d’un écartement du véhicule de sa trajectoire, la boucle de régulation agit de façon à ce que le véhicule retourne rapidement à sa position. Si la voie cible a changé, le véhicule entame alors une déviation lisse, grâce à un amortissement de la consigne en amont de la commande.

En outre, les mesures de l’invention sont intéressantes en ce que le degré de lissage est réglable, en agissant notamment sur le coefficient d’amortissement et la pulsation de coupure du filtre placé en amont de la boucle de régulation. D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à l’aide de la description et des dessins parmi lesquels : - La figure 1 modélise les écarts entre les voies et le véhicule ; - La figure 2 est un schéma fonctionnel de l’invention ; - La figure 3 est un graphique présentant la variation de consigne lors d’un changement de voie sans traitement de signal ; - La figure 4 est un schéma fonctionnel du générateur de référence, qui contribue au lissage de la trajectoire ; - La figure 5 est un schéma fonctionnel de la boucle d’asservissement ; - La figure 6 est un graphique de la trajectoire de référence en fonction de la pulsation de coupure du filtre. - La figure 7 illustre les repères associés au véhicule.

La figure 1 modélise les écarts entre les différentes voies et le véhicule. Chacune des voies est indicée i, et chacun desdits écarts est noté d'. Une base de Frenet (T, N) peut être associée à la position du véhicule à chaque instant, T étant un vecteur tangent à la trajectoire du véhicule, et N un vecteur normal à T au point modélisant la position du véhicule 1. L’indice i varie alors incrémentalement à partir de 0, selon le sens positif du vecteur N. La voie 0 représente donc la voie la plus éloignée située à la droite du conducteur, selon le sens d’avancement du véhicule 1. L’invention est mise en œuvre par un dispositif tel qu’illustré par la figure 2. Le véhicule est équipé d’un calculateur de positionnement 2 du véhicule sur la route.

Celui-ci met en œuvre un algorithme décisionnel qui détermine la trajectoire du véhicule, et donc la voie à suivre à chaque instant. Cette voie est dite « voie cible » et est notée n. La donnée correspondante est transformée en un signal 3 à l’entrée du générateur de référence 4.

Afin de mettre en œuvre un tel dispositif, le véhicule est également équipé d’un système de positionnement 7, qui inclut généralement des capteurs de position et des caméras pour identifier des éléments caractéristiques de la route, tels que les lignes blanches latérales. Ces données de position mesurées sont envoyées à l’entrée du générateur de référence 4 grâce à une boucle d’asservissement 8. Dès lors qu’un écart est constaté entre la position réelle du véhicule et la voie cible, le dispositif agit de façon à l’annuler et repositionner le véhicule sur sa trajectoire calculée. Cet ajustement est réalisé grâce à l’étape 40 de calcul d’un signal de commande de la direction du véhicule, mettant en œuvre le générateur de référence 4 et le régulateur de position latérale 5.

Le repositionnement du véhicule sur sa trajectoire est donc assuré par un signal de commande 51 émis par le régulateur de position latérale 5. En cas d’écart, la trajectoire de repositionnement du véhicule est liée à la forme du signal de la consigne de trajectoire d/1 reçue par le régulateur de position latérale 5. En effet, le régulateur de position 5 transforme la consigne dfn en une commande 51 appliquée au mécanisme de direction du véhicule 6.

La figure 3 présente la variation de la consigne de référence Adn lors d’un changement de voie sans traitement de signal. A l’instant du changement, la distance entre le véhicule et le milieu de la voie cible varie brusquement, selon un échelon spatial et temporel. La consigne de référence Adn, telle qu’indiquée sur la figure, est calculée à partir de ces variations d’écart.

La figure 4 est un schéma fonctionnel du générateur de référence 4, qui contribue au lissage de la trajectoire. Le générateur de référence 4 comprend un sélecteur 42, un soustracteur 44, et un filtre 46. Le sélecteur 42 reçoit en entrée le numéro de la voie cible n, émis par le calculateur décisionnel 2 (figure 2), ainsi que les écarts d'vers toutes les voies i. Le sélecteur 42 n’émet à sa sortie que la donnée de deux écarts : d° et dn. Le soustracteur 44 calcule la différence entre dn et d°, dite consigne de référence Ad11. L’intérêt de cette étape de sélection 41 puis soustraction 43 réside en le fait qu’un changement de voie influence seulement la distance dn et non pas d°. En cas de perturbation de la trajectoire, en revanche, le véhicule entre en mouvement, ce qui a pour conséquence la variation de d° et de dn à la fois. L’étape de soustraction 43 d’un écart l’un de l’autre permet de distinguer un cas de l’autre.

Il s’agit donc d’éliminer du signal la composante liée à une éventuelle perturbation, pour ne garder que la partie de la trajectoire liée au changement de voie cible :

En effet, s’il n’y a pas de changement de voie, et en supposant que les tangentes respectives des voies sont parallèles à l’instant t, les variations des écarts d° et dn à cet instant sont égales, comme illustré par la proposition suivante :

Au cours de l’étape 45, la consigne de référence Adn est traitée par un filtre passe-bas 46 pour émettre à sa sortie la référence filtrée Adfn, qui constitue la consigne de régulation. L’erreur de trajectoire à annuler par le régulateur de position latérale, dite consigne de trajectoire dfn, est induite à la sortie du générateur grâce à une commande en boucle fermée 8.a, et est obtenue selon la formule suivante :

En notant F la fonction de transfert du filtre, la consigne de régulation

est obtenue selon la relation suivante :

Où £_1 est l’opérateur de la transformée inverse de Laplace, * est l’opérateur de la convolution, s est un opérateur de Laplace, a)f est la pulsation de coupure du filtre et est le coefficient d’amortissement du filtre.

ζϊ est habituellement choisi supérieur à 0.85 pour éviter les oscillations.

La figure 5 est un schéma fonctionnel de la boucle d’asservissement 8.b, incluant le régulateur de position latérale 5 et la fonction représentative de la dynamique du véhicule 6. La boucle d’asservissement 8.b permet de fournir au régulateur une erreur de position e(s) à annuler, donnée par :

yref,f (5) correspond à une valeur de consigne obtenue en filtrant une valeur de référence yref (s), grâce au filtre passe-bas 46 de fonction de transfert F. Les équations (E1 ) et (E2) sont donc équivalentes :

Un signal de perturbation est pris en compte en amont de la fonction représentative de la dynamique du véhicule 6, qui peut avantageusement être le mécanisme de direction.

La boucle d’asservissement 8.b permet d’amener la distance entre la voie 0 et le véhicule - représentée par la valeur de mesure notée y, - à égaliser la valeur cible notée yref, qui représente la distance entre la voie 0 et la nouvelle voie cible n. Elle constitue une valeur de référence vers laquelle la valeur de mesure doit tendre grâce à des itérations de calcul successives.

Comme illustré sur la figure 6, a)f permet d’imposer le degré de « lissage >> : pour les valeurs de pulsation a)f inférieures ou égales à 0.35rad.s-1, la trajectoire est lisse. Pour les valeurs supérieures à 0.35rad.s-1, le passage d’une voie à une autre devient brusque.

Les repères associés au véhicule 1 sont donnés par la figure 7. Les valeurs des écarts d' sont des valeurs algébriques, leur signe dépendant de la position du véhicule 1 par rapport à chacune des voies respectives.

Les signaux y et yref sont donnés par les formules suivantes :

Permettant d’établir la relation de transfert entre la référence et la sortie :

Ainsi que le transfert entre la sortie et la perturbation p :

Claims

Revendications

1. Procédé de commande autonome de la direction d’un véhicule automobile (1 ) lors d’un changement de voie, comprenant les étapes suivantes : - réception d’un signal de changement de voie (3) vers une voie cible (n) ; - calcul (40) d’un signal de commande (51) de la direction du véhicule sur base du signal de changement de voie (3); caractérisé en ce que le calcul du signal de commande de la direction comprend, lors de la réception du signal de changement de voie (3), la détermination d’une fonction (Adn) de l’écart latéral du véhicule par rapport à la voie cible (n) et un lissage (45) de ladite fonction au moyen d’un filtre passe-bas (46).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le calcul du signal de commande de la direction (51) comprend, en outre, une boucle d’asservissement (8.b) dudit signal de commande, avec, pour consigne de régulation, la fonction de l’écart latéral cible lissée (Adfn).
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la boucle d’asservissement comprend un régulateur du type PID (5).
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la boucle d’asservissement comprend, en outre, une fonction représentative de la dynamique du véhicule (6).
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la boucle d’asservissement (8.b) comprend, en outre, un signal de perturbation à l’entrée de la fonction représentative de la dynamique du véhicule (6).
6. Procédé selon l’une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la boucle d’asservissement (8.b) comprend la mesure (y) de l’écart latéral du véhicule par rapport à une voie de référence et le calcul de la différence entre ledit écart mesuré (y) et l’écart latéral cible lissé (Adfn).
7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le filtre passe-bas est exécuté (45) au moyen d’une fonction de transfert F(s) du deuxième ordre qui s’énonce : en fonction d’un opérateur de Laplace s, avec une fréquence de coupure wr et un coefficient d’amortissement
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la fréquence de coupure est supérieure ou égale à 0.25 et/ou inférieure ou égale à 2.
9. Procédé selon l’une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que le coefficient d’amortissement est supérieur ou égal à 0.85.
10. Véhicule automobile (1) comprenant un système de conduite autonome avec une direction à commande électrique et un calculateur relié électriquement à ladite direction, caractérisé en ce que le calculateur est configuré pour exécuter le procédé selon l’une des revendications 1 à 9.