《車載智能技術》

無人駕駛汽車運動控制-無人駕駛汽車側(cè)向控制單元研究主講人：劉冰潔江西交通職業(yè)技術學院一、側(cè)向控制及側(cè)向控制指標無人駕駛汽車側(cè)向控制主要研究如何設計控制算法，從而保證車輛能夠根據(jù)給定的路徑控制車輛轉(zhuǎn)向，使車輛能夠?qū)o定路徑進行快速準確的跟蹤，同時保證車輛安全、平穩(wěn)、舒適地行駛。圖7-10描述了駕駛員操縱車輛的全過程。一、側(cè)向控制及側(cè)向控制指標作為代替人類駕駛員操作的無人駕駛車輛控制系統(tǒng)，側(cè)向控制的設計目的是使車輛具有以下特點:這里采用雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為轉(zhuǎn)角偏差，外環(huán)為航向偏差，從而保證車輛側(cè)向控制的準確性。(1)準確性在車輛行駛過程中，當外界對車輛有干擾時，車輛應該快速地完成從瞬態(tài)到穩(wěn)態(tài)的過渡，并使車輛有一定的阻尼，保證車輛具備一定的抗干擾能力。(2)平穩(wěn)性當外界環(huán)境改變時，車輛能夠保持一致的行駛模式，保證車輛平穩(wěn)準確地行駛。(3)適應性一、側(cè)向控制及側(cè)向控制指標在設計控制系統(tǒng)之前，對于側(cè)向控制的準確性和平穩(wěn)性，給出了以下指標:1(1)結(jié)合本實驗汽車的幾何特性、所采用的GPS定位精度及一般城市車道寬度，制定側(cè)向偏差小于50cm。3(3)由于本實驗所采用的電瓶車最高時速為40km/h，車輛航向偏差不應該大于5°2(2)要求在高速行駛中的無人駕駛汽車橫擺角速度不大于5°/s。二、大地坐標下車輛位姿判斷1.側(cè)向控制系統(tǒng)概述無人駕駛汽車側(cè)向控制系統(tǒng)由伺服驅(qū)動器、執(zhí)行電機、反饋元件和連接器等部件構(gòu)成。執(zhí)行機構(gòu)為交流伺服電機，通過伺服電機的齒輪和方向轉(zhuǎn)軸的齒輪嚙合控制轉(zhuǎn)向。生成前輪轉(zhuǎn)角信號(LP_counter)，該信號與角度傳感器反饋的實際前輪轉(zhuǎn)角信號進行比較，利用兩者的差值，通過一定的控制算法生成轉(zhuǎn)向電機指令信號(ELP_counter)，指令信號再通過電機驅(qū)動器驅(qū)動轉(zhuǎn)向電機轉(zhuǎn)向，從而實現(xiàn)車輛路徑的改變。側(cè)向控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖7-11所示。二、大地坐標下車輛位姿判斷2.路徑跟蹤問題的幾何描述切線跟蹤方式是一種最原始的跟蹤方式，它是智能車輛通過在不同位置對不同直線的跟蹤以達到對曲線的跟蹤的。弦線跟蹤方式，即將智能車輛所跟蹤的曲線路徑視為由一組直線段所組成，從而簡化了跟蹤控制，但這同樣會帶來不可避免的跟蹤誤差。圓弧跟蹤方式就是通過分段跟蹤圓弧的方法來達到曲線路徑跟蹤的目的的，當路徑采樣圓弧與分段跟蹤圓弧的曲率半徑差別較大時，尤其是當路徑采樣圓弧出現(xiàn)直線時，智能車輛采樣點位于二者之間時，智能車輛也會產(chǎn)生遠離期望路徑的糾偏指令，使得跟蹤誤差加大。二、大地坐標下車輛位姿判斷3.無人駕駛汽車在大地坐標中的位姿判斷在給定的任何路徑中，都可以將其微分成ax+by+c=0的形式，結(jié)合大地坐標系建立無人駕駛汽車位姿來判斷幾何關系，如圖7-13所示。二、大地坐標下車輛位姿判斷其中，A、B點為給定路徑上任意兩點坐標，用(Geix1，Geiy1)、(Geix2，Geiy2)表示；C點表示當前車輛質(zhì)心坐標，用(fangx，fangy)表示；jd表示兩條直線之間的夾角，d表示車輛給定路徑之間的距離；LP_counter表示前輪轉(zhuǎn)向；e_dir表示當前航向與給定航向之間的差值。從圖可以得出各控制量之間的數(shù)學關系表達式，如下所示：三、位姿交替的路徑追蹤轉(zhuǎn)向控制位姿交替控制方法，即通過判斷無人駕駛汽車當前的位置誤差和姿態(tài)誤差，來決定對車輛進行位置、姿態(tài)的調(diào)整。當位置誤差較大時進行位置調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)車輛對給定路徑的快速跟蹤；當位置誤差較小時，對車輛進行姿態(tài)的調(diào)整，以實現(xiàn)車輛對路徑追蹤的準確性。兩者根據(jù)誤差的大小進行交替控制，完成無人路徑追蹤轉(zhuǎn)向的控制。在車輛大地坐標中，任意給定路徑進行車輛位姿分解后，都會出現(xiàn)如圖7-14所示的8種位姿狀況，不同的位姿輸出不同的轉(zhuǎn)向控制量。三、位姿交替的路徑追蹤轉(zhuǎn)向控制圖中直觀地給出了車輛與給定路徑之間的位姿主要包括距離(d)、航向差值(e_dir)、車輪轉(zhuǎn)角(LP_counter)，因此，在不同的距離、航向差值情況下，控制器輸出轉(zhuǎn)角控制量也是不同的，結(jié)合無人駕駛汽車自身參數(shù)，建立了如下控制規(guī)則：3(3)當d>d1，此時車輛偏離給定路徑太遠，超出了控制范圍，為了安全起見，選擇停車。2(2)如果d0<d>d1，這時就要嚴格地判斷車輛處于上述8種狀態(tài)的哪一種，不同的狀態(tài)