基于方向盘转矩的主动转向控制方法

技术领域

本发明涉及自动驾驶技术领域，尤其涉及一种基于方向盘转矩的主动转向控制方法。

背景技术

自动驾驶车辆在行驶过程中，当道路的弯曲程度发生变化时，必然需要不断变换行车方向(车头)，以此适应道路弯曲程度的变化，因此自动驾驶车辆横向控制系统的实质就是对车辆行车方向的控制。

当前，自动驾驶车辆所采用的主动转向控制方法主要有两种，一种是控制器通过道路曲率计算出期望转角，通过输出期望转角大小发送至执行机构控制方向盘转动，实现自动驾驶车辆自动转向，简称基于转角的主动转向控制方法；另一种是通过输出方向盘转矩大小控制方向盘转动，实现自动驾驶车辆自动转向，简称基于转矩的主动转向控制方法。一般而言，基于转矩的控制方法，主要是先通过道路曲率，采用PID控制算法，计算出期望转矩。该方法在曲率较小的平直路面可以较好的沿着路线行驶，然而该方法对于曲率较大的路况，例如路口转向、掉头，则无法精准沿着路线行驶，因此该方法主要应用于车道保持功能开发。

因此，亟需一种基于方向盘转矩的主动转向控制方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于方向盘转矩的主动转向控制方法，以解决上述现有技术中的问题，能够在曲率较大的道路下，精准跟踪路径行驶。

本发明提供了一种基于方向盘转矩的主动转向控制方法，其中，包括：

基于车辆的规划轨迹，确定预瞄距离和预瞄点；

根据所述预瞄点确定道路转弯曲率；

根据所述道路转弯曲率、所述车辆当前车速和预先建立的车辆横向转动模型，得到车辆的方向盘转矩，其中，所述车辆横向转动模型用于表征车辆在预设道路转弯曲率下的方向盘转矩与车速的对应关系。

如上所述的基于方向盘转矩的主动转向控制方法，其中，优选的是，所述基于车辆的规划轨迹，确定预瞄距离和预瞄点，具体包括：

基于车辆的规划轨迹，根据车辆实时车速确定预瞄距离；

根据所述预瞄距离确定预瞄点。

如上所述的基于方向盘转矩的主动转向控制方法，其中，优选的是，所述基于车辆的规划轨迹，根据车辆实时车速确定预瞄距离，具体包括：

在所述规划轨迹中，标定车辆在典型车速下所对应的最短预瞄距离，以得到最短预瞄距离-典型车速关系表；

通过线性插值法，计算非典型车速下所对应的最短预瞄距离，以得到最短预瞄距离-非典型车速关系表；

根据车辆实时车速，在所述最短预瞄距离-典型车速关系表或最短预瞄距离-非典型车速关系表，查表确定车辆实时车速所对应的预瞄距离。

如上所述的基于方向盘转矩的主动转向控制方法，其中，优选的是，所述标定车辆在典型车速下所对应的最短预瞄距离，以得到最短预瞄距离-典型车速关系表，具体包括：

步骤A1、控制车辆在最小典型车速下以恒定车速行驶，并设定初始的预瞄距离；

步骤A2、观察车辆的行驶状态，若不出现蛇形，则降低预瞄距离，再次进行实验，一直到车辆的行驶状态出现蛇形为止，此时取出现蛇形状态之前的预瞄距离作为该预设恒定车速下的预瞄距离；

步骤A3、控制车辆按典型车速从低到高的顺序增加车速，以预设恒定车速行驶，并执行步骤A1和A2，完成所有典型车速下的预瞄距离的标定。

如上所述的基于方向盘转矩的主动转向控制方法，其中，优选的是，所述根据所述预瞄距离确定预瞄点，具体包括：

从所述预瞄距离处开始，沿着所述规划轨迹向前方按预设距离间隔连续取多个路点作为预瞄点。

如上所述的基于方向盘转矩的主动转向控制方法，其中，优选的是，所述根据所述预瞄点确定道路转弯曲率，具体包括：

计算最优曲率目标函数，

其中，J表示最优曲率目标函数，A

根据所述最优曲率目标函数，计算最优转弯半径，

令

可得最优转弯半径y，记A

根据所述最优转弯半径y，得到最优转弯曲率ρ，

将所述最优转弯曲率ρ作为所述道路转弯曲率。

如上所述的基于方向盘转矩的主动转向控制方法，其中，优选的是，所述车辆横向转动模型的建立方法包括：

采集模型标定数据；

对采集的所述模型标定数据进行数据处理，以建立车辆横向转动模型。

如上所述的基于方向盘转矩的主动转向控制方法，其中，优选的是，所述采集模型标定数据，具体包括：

分别按照方向盘角度从小到大递增的顺序和从到大小递减的顺序，依次采集模型标定数据，将方向盘固定在一个预设角度下，车辆从静止状态开始加速行驶，直到即将出现侧翻风险不能再加为止，在采样周期内，采集同一时刻下的车辆经度信息x，车辆纬度坐标信息y，车速信息v、方向盘转角Tn、方向盘转矩Tq。

如上所述的基于方向盘转矩的主动转向控制方法，其中，优选的是，所述对采集的所述模型标定数据进行数据处理，以建立车辆横向转动模型，具体包括：

通过所述车辆经度信息x和所述车辆纬度坐标信息y拟合得到道路曲率Q；

按照车速从小到大递增的顺序，通过在采样周期内，对同一车速vi下的多个方向盘转角Tn所对应的方向盘转矩取平均值的方法，计算该车速对应的方向盘转矩Tq

在道路曲率Q的工况下，将方向盘转矩Tq与车速v拟合成多项式Tq＝F(v)的形式，以得到不同道路曲率下的方向盘转矩与车速的对应关系式。

如上所述的基于方向盘转矩的主动转向控制方法，其中，优选的是，所述根据所述道路转弯曲率、所述车辆当前车速和预先建立的车辆横向转动模型，得到车辆的方向盘转矩，具体包括：

采用查表法，将所述道路转弯曲率Q与所述车辆横向转动模型中的各道路曲率进行比对，以查找所述道路转弯曲率Q对应的曲率区间Qn＜Q＜Qn+1；

根据所述车辆横向转动模型中，道路转弯曲率Q下的方向盘转矩与车速的对应关系式Tq＝F(v)，分别计算在当前车速下的Qn对应的转矩Tqn与Qn+1对应的转矩Tqn+1；

根据在当前车速下的Qn对应的转矩Tqn与Qn+1对应的转矩Tqn+1，采用插值法得到道路转弯曲率Q下的转矩Tq，

Tq＝(Q-Qn/Qn+1-Qn)*(Tqn+1-Tqn)+Tqn。

本发明提供一种基于方向盘转矩的主动转向控制方法，利用基于预瞄点计算得到的道路转弯曲率，结合车辆当前车速再通过车辆横向转动模型来得到对应的车辆方向盘转矩，可以充分地将道路形状特征信息同车辆方向盘转矩有机结合起来，从而根据规划轨迹得到车辆方向盘转矩，在掉头、转向等低速、大曲率自动驾驶行驶工况下，可以实现精准地沿着规划路径行驶。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步描述，其中：

图1为本发明提供的基于方向盘转矩的主动转向控制方法的实施例的流程图；

图2为本发明提供的确定预瞄点的示意图；

图3为本发明提供的车辆坐标系下的预瞄点和最优转弯圆弧的示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。

本公开中使用的“第一”、“第二”：以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

在本公开中，当描述到特定部件位于第一部件和第二部件之间时，在该特定部件与第一部件或第二部件之间可以存在居间部件，也可以不存在居间部件。当描述到特定部件连接其它部件时，该特定部件可以与所述其它部件直接连接而不具有居间部件，也可以不与所述其它部件直接连接而具有居间部件。

本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

现有的自动驾驶车辆所采用的主动转向控制方法主要有两种，一种是基于转角的主动转向控制方法，其基于纯路径的跟踪算法，先根据预瞄距离计算出道路曲率Q；然后根据车辆二自由度运动学模型，计算出期望转角；然后采用PID控制等方式，输入期望转角，输出执行转矩，该方案由于多了一层PID控制，在大曲率工况下，鲁棒性较差。另一种是基于转矩的主动转向控制方法，首先根据预瞄距离，得到预瞄点，再计算当前车辆航向与预瞄点之间的夹角；然后采用PID控制等方式，控制车辆航向与预瞄点之间的夹角为0，即输入当前夹角，输出执行转矩，该方案缺点与方案一相似，在曲率较大时，夹角过大，不能很好地沿着规划路线行驶。

为了解决上述不足，本发明提供了一种基于方向盘转矩的主动转向控制方法。如图1所示，本实施例提供的基于方向盘转矩的主动转向控制方法在实际执行过程中，具体包括如下步骤：

步骤S1、基于车辆的规划轨迹，确定预瞄距离和预瞄点。

在本发明的基于方向盘转矩的主动转向控制方法的一种实施方式中，所述步骤S1具体可以包括：

步骤S11、基于车辆的规划轨迹，根据车辆实时车速确定预瞄距离。

为了模拟人驾驶车辆的行为方式，自动驾驶车辆在每个控制周期都需要从前方的路径中获取道路信息，而究竟从多远的地方获取道路信息则取决于预瞄距离的长短，其类似于驾驶员向前方观察距离的远近。

发明人继续分析人类的车辆驾驶行为可以发现，人类在道路较为平直的地方通常行驶车速较快，且此时需要将目光投向较远的地方，才能保证车辆行车的平稳；而当车辆行驶至弯曲度较大的道路上时，通常会降低车速，同时将目光集中在前方距离本车较近的地方，以此保证驾驶人员能够及时对前方路况进行了解，从而保证对车辆的转向做出较为准确的调整。

由于车辆的车速由决策端来决定，当车辆经过不同弯曲程度的道路时会设定相应的车速，因此对于控制系统而言车速便成为预瞄距离选取的重要凭证。因此，本发明参照人类驾驶经验，可以设计基于车辆实时车速的变预瞄距离的控制策略，建立预瞄距离与车辆实时车速的相对关系，从而保证车辆在不同弯曲程度道路上行驶时的稳定性与精确性。

在本发明的基于方向盘转矩的主动转向控制方法的一种实施方式中，所述步骤S11具体可以包括：

步骤S111、在所述规划轨迹中，标定车辆在典型车速下所对应的最短预瞄距离，以得到最短预瞄距离-典型车速关系表。

在具体实现中，通过标定实验得出典型车速下的自动驾驶车辆所对应的最短预瞄距离，得出一系列的二维离散点，如表1所示，其中，v表示实际车速，单位为km/h，s表示预瞄距离，单位为m。需要说明的是，在标定之前，需要先完成自动驾驶车辆纵向运动控制算法的调试，具体调试方法可借鉴现有技术，在此不再赘述。

表1典型车速下对应的预瞄距离

在本发明的基于方向盘转矩的主动转向控制方法的一种实施方式中，所述步骤S111具体可以包括：

步骤A1、控制车辆在最小典型车速下以恒定车速行驶，并设定初始的预瞄距离。

其中，最小典型车速例如为8km/h，初始的预瞄距离通常为20m。

步骤A2、观察车辆的行驶状态，若不出现蛇形，则降低预瞄距离，再次进行实验，一直到车辆的行驶状态出现蛇形为止，此时取出现蛇形状态之前的预瞄距离作为该预设恒定车速下的预瞄距离。

其中，示例性地，在降低预瞄距离时，每次减少的预瞄距离为0.5m。

步骤A3、控制车辆按典型车速从低到高的顺序增加车速(例如按照表1从左到右的顺序增加车速)，以预设恒定车速行驶，并执行步骤A1和A2，完成所有典型车速下的预瞄距离的标定。

步骤S112、通过线性插值法，计算非典型车速下所对应的最短预瞄距离，以得到最短预瞄距离-非典型车速关系表。

在步骤S111的基础上进行线性插值，就可以实时计算出任何一个车速下所对应的预瞄距离。

步骤S113、根据车辆实时车速，在所述最短预瞄距离-典型车速关系表或最短预瞄距离-非典型车速关系表，查表确定车辆实时车速所对应的预瞄距离。

由此，在最短预瞄距离-典型车速关系表和最短预瞄距离-非典型车速关系表的支持下，横向运动控制算法在每个运动控制周期的开始阶段必定可以选择出一个确定的预瞄距离。

步骤S12、根据所述预瞄距离确定预瞄点。

预瞄点是反映预瞄距离处道路特征的重要信息，传统的PID横向控制方法通常取位于规划轨迹上的预瞄距离处的单个点作为预瞄点来参与后期计算；然而，人在观察路面时不可能只盯着道路上的某一处范围极小的地方进行路况观察，一定是需要对前方道路的整体特征做一个准确的判断，这一点在车辆经过弯曲路面时尤其重要。可见，单个预瞄点的做法虽然也能够使得车辆行驶，但显然其工作原理不太符合人类驾驶特征。有鉴于此，在本发明中，预瞄点是预瞄距离处位于规划轨迹上的数个GPS路点所组成的点集，也可以简单的认为是从预瞄距离处截取的一小段路径，这样，选取的预瞄点能够反映出前方一段距离内的道路特征，直线、弧线以及弯曲度较大的路线应当能够从预瞄点中较为准确地反映出来。具体地，从所述预瞄距离处开始，沿着所述规划轨迹向前方按预设距离间隔连续取多个路点作为预瞄点。在本发明的实施方式中，在预瞄距离的基础上选取一系列的预瞄点来描述道路特征，如图2所示，从预瞄距离处开始，沿着规划轨迹向前方(即车头方向)按0.5m间隔连续取三个路点作为预瞄点。需要说明的是，考虑到在预瞄距离处未必正好会有一个GPS路点，因此在具体实现中，可以选取距离车辆本体的距离大于或等于预瞄距离的第一个点为预瞄点。

步骤S2、根据所述预瞄点确定道路转弯曲率。

不同的道路其弯曲程度不一样，这是区分不同道路形状的一个重要特征，在本发明中，以曲率来表示道路的弯曲程度，一段圆弧的曲率与该段圆弧所对应的半径成反比，即R＝1/Q，其中，R表示半径，Q表示曲率。在本发明中，可以假设在每个控制周期内，所采集到的一系列预瞄点均处于一段标准的圆弧上，这样就可以方便地通过最小二乘法来拟合这段圆弧所对应的转弯曲率(半径)。在本发明的基于方向盘转矩的主动转向控制方法的一种实施方式中，所述步骤S2具体可以包括：

步骤S21、计算最优曲率目标函数，

其中，J表示最优曲率目标函数，如图3所示，A

步骤S22、根据所述最优曲率目标函数，计算最优转弯半径，

令

可得最优转弯半径y，记A

步骤S23、根据所述最优转弯半径y，得到最优转弯曲率ρ，

步骤S24、将所述最优转弯曲率ρ作为所述道路转弯曲率。

在本发明中，通过最优转弯曲率来模拟驾驶员对前方道路形状的估计，由于采用了多个预瞄点，利用了更多的道路信息，这样可以使得估计出的道路的平均形状可以较好的反映出道路的形状特征，同时也使得控制量受单点噪声的影响大幅减少，有利于方向盘的平滑转动。

步骤S3、根据所述道路转弯曲率、所述车辆当前车速和预先建立的车辆横向转动模型，得到车辆的方向盘转矩，其中，所述车辆横向转动模型用于表征车辆在预设道路转弯曲率下的方向盘转矩与车速的对应关系。

由车辆基本动力学原理可以知道，当车辆的方向盘以某一固定转角和固定车速行驶时，其行驶过的路径总体上为一段固定转弯半径(曲率)的圆弧(目前暂不考虑不足转向系数)，那么通过一系列的标定实验，就可以得出某一车辆在特定车速下的方向盘转矩与对应的转弯半径(曲率)的对应关系，本发明称之为车辆横向转动模型。

其中，在本发明的基于方向盘转矩的主动转向控制方法的一种实施方式中，所述车辆横向转动模型的建立方法具体可以包括：

步骤B1、采集模型标定数据。

具体地，分别按照方向盘角度从小到大递增的顺序和从到大小递减的顺序，依次采集模型标定数据，将方向盘固定在一个预设角度下，车辆从静止状态开始加速行驶，直到即将出现侧翻风险不能再加为止，在采样周期内，采集同一时刻下的车辆经度信息x，车辆纬度坐标信息y，车速信息v、方向盘转角Tn、方向盘转矩Tq。

具体而言，在车辆后轴中心点上安装高精度定位设备，可以通过工控机同步接收高精度定位设备输出的车辆经纬度坐标信息(x,y)、车速信息v和车身CAN输出的方向盘转角Tn、转矩Tq信息。

由于方向盘角度固定，此时车辆会沿着一个固定曲率路线行驶，由于速度增加，方向盘反馈回来的转矩也会同步变化。工控机的采样周期例如为100ms，记录采样周期内的同一时刻下的下的x、y、v、Tn、Tq，即完成了一组数据的采集。在具体实现中，从方向盘角度为5度开始，前100度每隔5度采集一组数据，100度之后每隔10度采集一组数据直到450度(最大方向盘转角)，共55组数据，然后反方向采用同样方法采集55组数据，共计110组数据。一个方向盘角度对应于一个道路转弯曲率，对应于一组采样数据。

步骤B2、对采集的所述模型标定数据进行数据处理，以建立车辆横向转动模型。

在本发明的基于方向盘转矩的主动转向控制方法的一种实施方式中，所述步骤B2具体可以包括：

步骤B21、通过所述车辆经度信息x和所述车辆纬度坐标信息y拟合得到道路曲率Q。

步骤B22、按照车速从小到大递增的顺序，通过在采样周期内，对同一车速vi下的多个方向盘转角Tn所对应的方向盘转矩取平均值的方法，计算该车速对应的方向盘转矩Tq

示例性地，车速从1m/s开始通过取平均值的方法，计算速度为1m/s时刻的方向盘转矩大小Tq1，每隔1m/s计算一次，直到TqN。

步骤B23、在道路曲率Q的工况下，将方向盘转矩Tq与车速v拟合成多项式Tq＝F(v)的形式，以得到不同道路曲率下的方向盘转矩与车速的对应关系式。

通过步骤B21-步骤B23，完成了110种道路曲率Q下的车速与转矩模型。不同于现有的先建立曲率与转角的转向模型，再通过PID控制等方式将转角转换成转矩的技术路线，本发明在建立车辆横向转动模型时，将道路曲率与方向盘控制转矩进行了关联。

在本发明的基于方向盘转矩的主动转向控制方法的一种实施方式中，所述步骤S3具体可以包括：

步骤S31、采用查表法，将所述道路转弯曲率Q与所述车辆横向转动模型中的各道路曲率进行比对，以查找所述道路转弯曲率Q对应的曲率区间Qn＜Q＜Qn+1。

采用查表法与110种曲率进行比对，查找Q对应的曲率区间。

步骤S32、根据所述车辆横向转动模型中，道路转弯曲率Q下的方向盘转矩与车速的对应关系式Tq＝F(v)，分别计算在当前车速下的Qn对应的转矩Tqn与Qn+1对应的转矩Tqn+1。

步骤S33、根据在当前车速下的Qn对应的转矩Tqn与Qn+1对应的转矩Tqn+1，采用插值法得到道路转弯曲率Q下的转矩Tq，

Tq＝(Q-Qn/Qn+1-Qn)*(Tqn+1-Tqn)+Tqn。

本发明实施例提供的基于方向盘转矩的主动转向控制方法，利用基于预瞄点计算得到的道路转弯曲率，结合车辆当前车速再通过车辆横向转动模型来得到对应的车辆方向盘转矩，可以充分地将道路形状特征信息同车辆方向盘转矩有机结合起来，从而根据规划轨迹得到车辆方向盘转矩，在掉头、转向等低速、大曲率自动驾驶行驶工况下，可以实现精准地沿着规划路径行驶。

至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。