无人驾驶车辆的横纵向控制方法及系统

技术领域

本公开涉及无人驾驶控制领域，尤其涉及一种基于组合非线性扩张状态观测器的无人驾驶车辆的横纵向控制方法及系统。

背景技术

无人驾驶的概念起源于20世纪20年代，但由于各方面的技术限制，直到80年代才得到快速的发展。近年来，随着激光雷达、组合惯导、车载计算机以及人工智能技术的发展，无人驾驶得到了广泛的关注。一般来说，无人驾驶由感知、规划和控制三部分组成。控制部分在无人驾驶中起着重要作用，是无人驾驶技术的基石。

一般来说，控制层包含纵向控制和横向控制两部分。纵向控制利用车载动力执行器，如油门、刹车、变速器等，对车辆的速度及加速度进行合理调整，从而达到期望的速度。横向控制根据车辆当前速度，利用车辆转向机构，实现车辆沿规划路径的平稳行驶。通常情况下，由于车辆控制过程中不可避免地存在外部干扰，建模误差，参数摄动等不确定因素，导致很难设计出令人满意的横向控制器和纵向控制器。

因此，干扰抑制一直是无人驾驶控制领域的研究热点。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种无人驾驶车辆的横纵向控制方法及系统，以解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种无人驾驶车辆的横纵向控制方法，包括：

获取参考速度和实时检测的车辆纵向速度，基于第一误差反馈控制律根据参考速度和所述实时检测的车辆纵向速度的差值，得到第一误差反馈控制量，采用带有死区非线性的积分模型得到实际期望加速度控制量；

横同控制器根据参考路径、参考速度、车辆实时位姿信息和所述实时检测的车辆纵向速度半耦合处理后的输出，得到转向角控制量。

在本公开的一些实施例中，所述获取参考速度和所述实时检测的车辆纵向速度，纵向控制器根据参考速度和所述实时检测的车辆纵向速度的差值，采用带有死区非线性的积分模型得到实际期望加速度控制量包括：

设定参考速度，将实时检测的车辆纵向速度与所述参考速度做差后输入至纵向控制模块中，得到第一误差反馈控制量；

将所述实时检测的车辆纵向速度输入至纵向复合非线性扩张状态观测模块，得到纵向扰动估计量；结合所述纵向扰动估计量对所述第一误差反馈控制量进行调整，得到期望加速度控制量；

将所述期望加速度控制量输入至带有死区模块的动力执行器，得到实际期望加速度控制量，并最终实现车辆速度控制。

在本公开的一些实施例中，所述期望加速度控制量反馈至所述纵向复合非线性扩张状态观测模块对所述纵向扰动估计量进行调整。

在本公开的一些实施例中，所述横向控制器根据参考路径、参考速度、车辆实时位姿信息和所述实时检测的车辆纵向速度半耦合处理后的输出，得到转向角控制量包括：

设定参考路径，将参考路径、参考速度、车辆实时位姿信息、横向外部扰动同时输入至位置偏差模块得到第二误差反馈控制量；

参考路径和车辆实时位姿信息作差得到位置偏差和航向角偏差，将位置偏差输入至第一横向复合非线性扩张状态观测模块，得到第一横向扰动观测值；结合所述第一横向扰动观测值对所述第二误差反馈控制量进行调整，得到期望航向角控制量；

将所述期望航向角控制量、转向角外部扰动和所述实时检测的车辆纵向速度同时输入至航向角偏差模块，得到第三误差反馈控制量；

将航向角偏差输入至第二横向复合非线性扩张状态观测模块，得到第二横向扰动观测值；结合所述第二横向扰动观测值对所述第三误差反馈控制量进行调整，得到转向角控制量。

在本公开的一些实施例中，所述期望航向角控制量反馈至所述第一横向复合非线性扩张状态观测模块对第一横向扰动观测值进行调整；

其中，所述转向角控制量反馈至所述第二横向复合非线性扩张状态观测模块对所述第二横向扰动观测值进行调整。

根据本公开的一个方面，提供了一种使用如上所述的无人驾驶车辆的横纵向控制系统，包括：

纵向控制器，用于获取参考速度和实时检测的车辆纵向速度，并得到所述参考速度和所述实时检测的车辆纵向速度的差值，采用带有死区非线性的积分模型得到实际期望加速度控制量；

横向控制器，用于根据参考路径、参考速度、车辆实时位姿信息和所述实时检测的车辆纵向速度半耦合处理后的输出，得到转向角控制量。

在本公开的一些实施例中，所述纵向控制器包括：

纵向控制模块，用于根据实时检测的车辆纵向速度与所述参考速度的差值，基于第一误差反馈控制律得到第一误差反馈控制量；

纵向复合非线性扩张状态观测模块，用于根据所述实时检测的车辆纵向速度，基于观测误差的线性反馈和非线性反馈得到纵向扰动估计量；

死区模块，用于根据所述纵向扰动估计量，基于死区光滑逆函数输出纵向实际控制量；

动力执行器，用于根据所述纵向实际控制量，输出加速度控制量。

在本公开的一些实施例中，所述横向控制器包括：

位置偏差模块，用于根据设定参考路径，将参考路径、参考速度、车辆实时位姿信息、横向外部扰动，基于第二误差反馈控制律得到第二误差反馈控制量；

第一横向复合非线性扩张状态观测模块，用于根据位置偏差，基于观测误差的线性反馈和非线性反馈得到第一横向扰动观测值，其中，所述位置偏差为参考路径和车辆实时位姿信息的差值；

航向角偏差模块，用于根据所述期望航向角控制量、转向角外部扰动和所述实时检测的车辆纵向速度半耦合处理后的输出，基于第三误差反馈控制律得到第三误差反馈控制量；

第二横向复合非线性扩张状态观测模块，用于根据航向角偏差，基于观测误差的线性反馈和非线性反馈得到第二横向扰动观测值，其中，所述航向角偏差为参考路径和车辆实时位姿信息的差值。

在本公开的一些实施例中，所述纵向复合非线性扩张状态观测模块还用于根据期望加速度控制量的反馈，对所述纵向扰动估计量进行调整。

在本公开的一些实施例中，所述第一横向复合非线性扩张状态观测模块还用于根据期望航向角控制量的反馈，对所述第一横向扰动观测值进行调整；所述第二横向复合非线性扩张状态观测模块还用于根据转向角控制量的反馈，对所述第二横向扰动观测值进行调整。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开无人驾驶车辆的横纵向控制方法及系统至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本公开中非线性扩张状态观测器由线性和非线性两部分组成，两部分之间不存在切换，非线性扩张状态观测器的线性部分能够以较小的阻尼比实现快速响应，在非线性扩张状态观测器误差接近零时，非线性扩张状态观测器由线性的非线性部分可以提高阻尼比，进而减小线性部分引起的超调。本公开具有更快的收敛速度、更高的精确度和更强的抗干扰性能。

(2)本公开在综合考虑车辆运动学特性和实验数据的基础上提出的纵向死区模型，综合机理建模和实验建模，得到的死区模型更加贴近实际模型，大大提高了理论控制器的实际应用效果。同时该建模方法还具有普适性，针对任意满足车辆运动学特性的轮式机器人，都可使用本发明提出的方法进一步提高模型精度。

(3)本公开的横向控制方法中，综合使用了反步法和复合非线性扩张状态观测，大大提高了控制器的抗扰能力，同时针对横纵向耦合问题，采用总扰动的思想对无人驾驶车辆横纵向控制系统进行解耦。

附图说明

图1为本公开实施例无人驾驶车辆的横纵向控制方法的示意图。

图2为本公开实施例纵向控制方法的示意图。

图3为本公开实施例横向控制方法的示意图。

图4为本公开实施例无人驾驶车辆的横纵向控制系统的框图。

图5加速度实验曲线图。

图6死区函数拟合曲线图。

图7是纵向控制实验数据曲线图。

图8是横向控制实验数据曲线图。

具体实施方式

许多鲁棒控制方法可用于无人驾驶车辆的控制，如反步法、非奇异终端滑模控制、指定时间控制、深度强化学习等。但是，无人驾驶控制不仅要求控制器具有很强的抗干扰能力，而且要求在很短的控制周期内(100ms内)完成控制。因此，基于扰动观测的控制方法是一种有效的方法，它具有良好的鲁棒性和快速性。而性能优越的扰动观测器是扰动观测控制方法的核心技术，所以提供一种适用于无人驾驶控制的扰动观测器具有重要的工程应用意义。

扰动观测器是实时估计干扰的关键技术，目前有很多类型的扰动观测器，如自适应扰动观测器、滑模扰动观测器和扩张状态观测器等。其中扩张状态观测器由于其优良的观测性能而得到了广泛的关注。其基本原理是将建模误差和外部扰动当作总扰动，并将其扩张成新的状态变量进行估计。目前关于扩张状态观测器的研究已经有了一定的成果，如线性扩张状态观测器的收敛性证明及其参数调节方法；可以提高收敛速率的高增益扩张状态观测器；可以增强鲁棒性的自适应扩张状态观测器等。另一方面，关于非线性扩张状态观测器的研究也取得了很大的进展，基于幂函数的经典非线性扩张状态观测器及一般形式的非线性扩张状态观测器的收敛性证明都已有了相关工作，这大大填补了非线性扩张状态观测器领域研究的空白。

然而，线性和非线性扩张状态观测器很难同时兼顾峰值抑制和噪声抑制。针对这一困难，本公开借鉴复合非线性控制的思想，提出了一种新的复合非线性扩张状态观测(CompositeNonlinear Extended State Observer，CNESO)。在CNESO中，可以根据观测误差调整观测器增益，实现线性项和非线性项的无切换组合。

结果表明，本公开具有收敛速度快、峰值现象小、噪声干扰抑制能力强等优点。由于动力执行器的非线性特性和静摩擦力的存在，在纵向控制过程中存在着很强的死区特性，死区特性会导致较大的超调进而使得控制性能变差。因此本公开具有明确的理论意义和重要的现实意义。

本公开提供了一种无人驾驶车辆的横纵向控制方法，包括：

在操作S1，获取参考速度和实时检测的车辆纵向速度，基于第一误差反馈控制律根据参考速度和所述实时检测的车辆纵向速度的差值，得到第一误差反馈控制量，采用带有死区非线性的积分模型得到实际期望加速度控制量。

在操作S2，横向控制器根据参考路径、参考速度、车辆实时位姿信息和所述实时检测的车辆纵向速度半耦合处理后的输出，得到转向角控制量。

结合实施例对图1所示的方法做进一步说明。

如图2所示，操作S1进一步包括子操作S11～子操作S14。

在子操作S11，设定参考速度，将实时检测的车辆纵向速度与所述参考速度做差后输入至纵向控制模块中，得到第一误差反馈控制量。

在子操作S12，将所述实时检测的车辆纵向速度输入至纵向CNESO，得到纵向扰动估计量；结合所述纵向扰动估计量对所述第一误差反馈控制量进行调整，得到期望加速度控制量。

在子操作S13，将所述期望加速度控制量输入至带有死区模块的动力执行器，得到实际期望加速度控制量。

在子操作S14，所述期望加速度控制量反馈至所述纵向CNESO对所述纵向扰动估计量进行调整。

如图3所示，操作S2进一步包括子操作S21～子操作S25。

在子操作S21，设定参考路径，将参考路径、参考速度、车辆实时位姿信息、横向外部扰动同时输入至位置偏差模块得到第二误差反馈控制量。

本实施例中车辆实时反馈路径采用惯性导航系统(INS，以下简称惯导)。以下对惯导进行详细介绍：惯导是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。

在子操作S22，参考路径和车辆实时位姿信息作差得到位置偏差和航向角偏差，将位置偏差输入至第一横向CNESO，得到第一横向扰动观测值；结合所述第一横向扰动观测值对所述第二误差反馈控制量进行调整，得到期望航向角控制量。

在子操作S23，将所述期望航向角控制量、转向角外部扰动和所述实时检测的车辆纵向速度半耦合处理后的输出同时输入至航向角偏差模块，得到第三误差反馈控制量。

在子操作S24，将航向角偏差输入至第二横向CNESO，得到第二横向扰动观测值；结合所述第二横向扰动观测值对所述第三误差反馈控制量进行调整，得到转向角控制量。

在子操作S25，所述转向角控制量反馈至所述第二横向CNESO对所述第二横向扰动观测值进行调整。

图4示意性示出了根据本公开的实施例的无人驾驶车辆的横纵向控制系统的框图。

如图4所示，无人驾驶车辆的横纵向控制系统，包括：

纵向控制器，用于获取参考速度和实时检测的车辆纵向速度，并得到所述参考速度和所述实时检测的车辆纵向速度的差值，采用带有死区非线性的积分模型得到实际期望加速度控制量。

其中，所述纵向控制器包括：

纵向控制模块，用于根据实时检测的车辆纵向速度与所述参考速度的差值，基于第一误差反馈控制律得到第一误差反馈控制量。用于保证车辆纵向速度能够及时跟踪上参考速度。

纵向CNESO，用于根据所述实时检测的车辆纵向速度，基于观测误差的线性反馈和非线性反馈得到纵向扰动估计量。其中，纵向CNESO还用于根据期望加速度控制量的反馈，对所述纵向扰动估计量进行调整。

以下详细介绍关于纵向CNESO的构造

考虑如下n阶单输入单输出的纵向控制器模型

其中，t表示时间，x

基于CNESO的基本原理，定义扩张状态

其中，h(t)为

针对公式(2)表示的纵向控制器模型，提供如下形式的纵向CNESO

其中，

本公开关于纵向CNESO的构造主要包含两部分，一部分为基于观测误差的线性反馈，即

死区模块，用于根据所述纵向扰动估计量，基于死区光滑逆函数输出纵向实际控制量。

如图5所示，PWM占空比(Duty Cycle，DC)与车辆加速度之间的关系。无人车从静止状态开始，最后保持恒定速度，在此期间加速度先增加后减小，直到趋于零。当DC较小时，由于静摩擦作用，车辆几乎无法启动，表现出典型的死区特征。基于图5的数据曲线拟合出了DZ函数，如图6所示。为了充分利用数据，对不同速度下的加速度进行拟合。

以下详细介绍关于死区光滑逆函数的构造

从实际控制角度出发，综合考虑外部扰动和纵向死区特性给出如下纵向控制器模型

其中，v(t)为车辆纵向速度，a(t)为车辆纵向加速度，f

其中，b为横截距，m为斜率，其具体数值通过实验数据进行辨识，如图5所示。

针对公式(4)提供的纵向控制器模型，为使其能够稳定跟踪参考速度信号vr(t)，构造如下纵向控制器

其中，K

该纵向控制器包含三部分，第一部分为基于速度的状态反馈控制律，即

动力执行器，用于根据所述纵向实际控制量，输出实际期望加速度控制量。

横向控制器，用于根据参考路径、参考速度、车辆实时位姿信息和所述实时检测的车辆纵向速度半耦合处理后的输出，得到转向角控制量。用于完成转向角的计算并实时控制方向盘完成路径跟踪，输出转向角控制量，用于控制横向偏差和航向角偏差收敛。其中，横向控制器包括：

位置偏差模块，用于根据设定参考路径，将参考路径、参考速度、车辆实时位姿信息、横向外部扰动，基于第二误差反馈控制律得到第二误差反馈控制量。

第一横向CNESO，用于根据位置偏差，基于观测误差的线性反馈和非线性反馈得到第一横向扰动观测值，其中，所述位置偏差为参考路径和车辆实时位姿信息的差值。第一横向CNESO还用于根据期望航向角控制量的反馈，对所述第一横向扰动观测值进行调整。关于第一横向CNESO的构造可以参考纵向CNESO的构造，这里不再进行赘述。

航向角偏差模块，用于根据所述期望航向角控制量、转向角外部扰动和所述实时检测的车辆纵向速度半耦合处理后的输出，基于第三误差反馈控制律得到第三误差反馈控制量。

第二横向CNESO，用于根据航向角偏差，基于观测误差的线性反馈和非线性反馈得到第二横向扰动观测值，其中，所述航向角偏差为参考路径和车辆实时位姿信息的差值。第二横向CNESO还用于根据转向角控制量的反馈，对所述第二横向扰动观测值进行调整。关于第二横向CNESO的构造可以参考纵向CNESO的构造，这里不再进行赘述。

以下详细介绍关于横向控制器的构造

针对无人驾驶横向控制，给出如下横向控制器运动学模型

其中，(X(t)，Y(t))是车辆后轴中心，

其中，X

综合(6)-(8)式，可得到如下运动学误差动态方程

对于无人驾驶车辆横向控制来说，横向偏差和航向角偏差是决定路径跟踪精度的主要变量，综合考虑横纵向耦合，建模误差以及外部扰动，给出如下横向误差模型

其中，控制量为前轮转向角δ(t)，f

其中，K

该横向控制器主要包含三部分，第一部分为基于反步法设计的横向控制律，即

图7中(a)为纵向阶跃速度跟踪曲线图。图7中(b)为纵向速度跟踪误差曲线图。图7中(c)为纵向控制信号曲线图。图7中(d)为纵向扰动估计曲线图。如图7中(a)～(d)所示，在实际应用中，基于状态误差反馈的比例-积分-微分(PID)控制器具有大超调、慢收敛速率等缺点。而本公开提出的基于CNESO的带死区补偿的控制器能够快速跟踪参考信号而不出现超调。图7中的速度跟踪误差曲线也表明所提出的纵向控制器具有更高的精度。纵向控制信号和扰动观测也在图7中进行了展示。通过比较可以发现，本公开提出的纵向控制器更加平滑，有利于实现。

图8中(a)为横向轨迹跟踪曲线图。图8中(b)为横向航向角跟踪曲线图。图8中(c)为横向偏移跟踪误差曲线图。图8中(d)为航向角跟踪误差曲线图。图8中(e)为横向控制信号曲线图。图8中(f)为横向扰动估计曲线图。如图8(a)～(f)所示，即使存在初始偏差，本公开所提出的控制方法也能快速收敛到参考点，并最终保持高精度跟踪。横向控制信号和扰动观测也在图8中进行了展示，可以发现本公开的控制曲线更加平滑。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开无人驾驶车辆的横纵向控制方法及系统有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供一种借鉴复合非线性控制的思想的无人驾驶车辆的横纵向控制方法及系统，可以根据观测误差调整观测器增益，实现线性项和非线性项的无切换组合，具有明确的理论意义和重要的现实意义。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。