PID控制器抗积分饱和的计算方法、装置及相关设备

技术领域

本发明涉及无人驾驶技术领域，尤其涉及一种PID控制器抗积分饱和的计算方法、装置、电子设备和计算机存储介质。

背景技术

相关技术中，在无人驾驶算法的仿真系统设计中，重要的是车辆动力学模型的构建，而动力学模型的构建中的一个核心难点是根据规控算法下发的加速度，以计算出仿真系统中车辆的制动踏板开度和加速度踏板开度，其中，现有技术中的无人驾驶PID算法存在积分饱和问题。因此如何更好地实现抗积分饱和成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种PID控制器抗积分饱和的计算方法，该方法可确定仿真系统中车辆的制动踏板开度和加速度开度，且解决了PID控制器积分饱和的问题。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出的PID控制器抗积分饱和的计算方法，所述方法包括：获取当前车辆的状态参数，所述状态参数包括当前车速和目标车速；根据所述当前车速和所述目标车速，确定车速误差值和车速误差积分值；根据所述车速误差积分值和参数算法，确定踏板控制参数值；结合车辆档位和所述踏板控制参数，确定加速踏板分离信号值和制动踏板分离信号值。

根据本发明实施例的PID控制器抗积分饱和的计算方法，通过获取当前车辆的状态参数，状态参数包括当前车速和目标车速，之后根据当前车速和目标车速，确定车速误差值和车速误差积分值，然后根据车速误差积分值和参数算法，确定踏板控制参数值，结合车辆档位和踏板控制参数，确定加速踏板分离信号值和制动踏板分离信号值。该方法通过确定加速踏板分离信号值和制动踏板分离信号值，可确定仿真系统中车辆的制动踏板开度和加速度开度，且解决了PID控制器积分饱和的问题。

根据本发明的一个实施例，所述状态参数包括仿真步长，根据N-1次的所述目标车速+所述当前车辆的加速度*所述仿真步长，计算所述目标车速。

根据本发明的一个实施例，所述确定车速误差值包括：将所述当前车速和所述目标车速的差值，作为所述车速误差值。

根据本发明的一个实施例，状态参数包括第一控制误差积分数值，其中，所述确定车速误差积分值包括：确定所述踏板控制参数值的绝对值；根据N-1次的所述车速误差积分值+(1-所述踏板控制参数值的绝对值)*所述车速误差*所述第一控制误差积分数值，计算所述车速误差积分值，其中N为正整数，由车速误差积分值的精度确定。

根据本发明的一个实施例，其中，状态参数包括第一控制误差数值，所述根据所述车速误差积分值和参数算法，确定踏板控制参数值，包括：根据所述第一控制误差数值*所述车速误差值+所述车速误差积分值，计算踏板控制参数值。

根据本发明的一个实施例，所述车辆档位为倒档，且所述踏板控制参数值大于零时，所述加速踏板分离信号值为零，所述制动踏板分离信号值为所述踏板控制参数值；或所述踏板控制参数值不大于零时，所述加速踏板分离信号值为所述踏板控制参数值的相反数，所述制动踏板分离信号值为零。

根据本发明的一个实施例，所述车辆档位为空挡或前进挡，且所述踏板控制参数值大于零时，所述加速踏板分离信号值为所述踏板控制参数值，所述制动踏板分离信号值为零；或所述踏板控制参数值不大于零时，所述加速踏板分离信号值为零，所述制动踏板分离信号值为所述踏板控制参数值的相反数。

根据本发明的一个实施例，所述车辆档位为驻车档，所述加速踏板分离信号值为零，所述制动踏板分离信号值为1。

为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出的PID控制器抗积分饱和的计算装置，所述装置包括：获取模块，用于获取当前车辆的状态参数，所述状态参数包括当前车速和目标车速；第一确定模块，用于根据所述当前车速和所述目标车速，确定车速误差值和车速误差积分值；第二确定模块，用于根据所述车速误差积分值和参数算法，确定踏板控制参数值；第三确定模块，用于结合车辆档位和所述踏板控制参数，确定加速踏板分离信号值和制动踏板分离信号值。

为达到上述目的，本发明第三方面实施例提出的电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现本发明第一方面实施例所述的PID控制器抗积分饱和的计算方法。

为达到上述目的，本发明第四方面实施例提出的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明第一方面实施例所述的PID控制器抗积分饱和的计算方法。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的PID控制器抗积分饱和的计算方法的流程图；

图2是根据本发明另一个实施例的PID控制器抗积分饱和的计算方法的流程图；

图3是根据本发明一个实施例的PID控制器抗积分饱和的计算方法的测试结果的示意图；

图4是根据本发明另一个实施例的PID控制器抗积分饱和的计算方法的测试结果的示意图；

图5是根据本发明一个实施例的PID控制器抗积分饱和的计算装置的示意图；

图6是根据本发明一个实施例的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在无人驾驶算法的仿真系统设计中，重要的是车辆动力学模型的构建，而动力学模型的构建中的一个核心难点是根据规控算法下发的加速度，以计算出仿真系统中车辆的制动踏板开度和加速度踏板开度，其中，现有技术中的无人驾驶PID算法存在积分饱和问题。

其中，积分饱和可理解为如果系统存在一个方向的偏差，PID控制器的输出由于积分作用的不断累加而加大，从而导致执行器的机械运动达到极限位置，即设备失去控制，若控制器输出信号的控制量继续增大，执行器无法根据控制器下发的信号进行调整，此时输出控制量超出了执行器机械设备的正常运行范围而进入饱和区(即执行器停止运动)，一旦进入饱和区时间越长，且在进入饱和区的这段时间里，执行器仍停留在极限位置而不能实时做出相应改变，此时仿真系统就像失控一样，造成控制性能恶化。

为此，本发明提出了一种PID控制器抗积分饱和的计算方法、装置、电子设备及存储介质。

具体地，下面参考附图描述本发明实施例的一种PID控制器抗积分饱和的计算方法、装置、电子设备及存储介质。

图1是根据本发明一个实施例的PID控制器抗积分饱和的计算方法的流程图。需要说明的是，本发明实施例的PID控制器抗积分饱和的计算方法可应用于本发明实施例的PID控制器抗积分饱和的计算装置，该装置可被配置于电子设备上，也可以被配置在服务器中。其中，电子设备可以是PC机或移动终端。本发明实施例对此不作限定。

如图1所示，PID控制器抗积分饱和的计算方法，包括：

S110，获取当前车辆的状态参数，状态参数包括当前车速和目标车速。

在本发明的实施例中，在PID控制器抗积分饱和的计算方法中，可先获取当前车辆的状态参数。其中，状态参数可预先设置至存储模块中。

其中，状态参数包括但不仅限于当前车速、目标车速、仿真步长、第一控制误差数值和第一控制误差积分数值等。

其中，可实时获取车辆的当前车速，并将当前车速存储至存储模块中。

其中，根据N-1次的目标车速+当前车辆的加速度*仿真步长，计算目标车速。

例如，仿真步长为0.05秒。

S120，根据当前车速和目标车速，确定车速误差值和车速误差积分值。

在本发明的实施例中，获取到当前车速和目标车速，可根据当前车速和目标车速，确定车速误差值，进而根据车速误差值和状态参数中的第一控制误差积分数值，确定车速误差积分值。

其中，获取到当前车速和目标车速，可将当前车速和目标车速的差值，作为车速误差值。

其中，确定踏板控制参数值的绝对值；根据N-1次的车速误差积分值+(1-踏板控制参数值的绝对值)*车速误差*第一控制误差积分数值，计算车速误差积分值，其中N为正整数，由车速误差积分值的精度确定。通过计算车速误差积分值可消除稳态误差(稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差)，同时也消除积分饱和问题。

S130，根据车速误差积分值和参数算法，确定踏板控制参数值。

在本发明的实施例中，计算出车速误差积分值后，可结合状态参数包括第一控制误差数值和参数算法，确定踏板控制参数值。

其中，可根据第一控制误差数值*车速误差值+车速误差积分值，计算踏板控制参数值。

S140，结合车辆档位和踏板控制参数，确定加速踏板分离信号值和制动踏板分离信号值。

其中，车辆档位包括倒档、空挡、前进挡和驻车档。

在本发明的实施例中，基于不同的车辆档位和踏板控制参数，可确定不同的加速踏板分离信号值和制动踏板分离信号值。具体地实现方式可如图2所示。

如图2所示，确定加速踏板分离信号值和制动踏板分离信号值，具体实现方式如下：

S210，确定车辆的档位。

S220，确定车辆档位为倒档，且踏板控制参数值大于零时，加速踏板分离信号值为零，制动踏板分离信号值为踏板控制参数值。

在本发明的一个实施例中，确定车辆档位为倒档，且踏板控制参数值不大于零时，加速踏板分离信号值为踏板控制参数值的相反数，制动踏板分离信号值为零。

S230，确定车辆档位为空挡或前进挡，且踏板控制参数值大于零时，加速踏板分离信号值为踏板控制参数值，制动踏板分离信号值为零。

在本发明的一个实施例中，确定车辆档位为空挡或前进挡，且踏板控制参数值不大于零时，加速踏板分离信号值为零，制动踏板分离信号值为踏板控制参数值的相反数。

S240，确定车辆档位为驻车档，加速踏板分离信号值为零，制动踏板分离信号值为1。

在本发明的实施例中，确定车辆档位为驻车档，进而结合踏板控制参数，以确定加速踏板分离信号值和制动踏板分离信号值，实现了该PID控制器抗积分饱和的计算方法，对于高速的行车仿真场景测试适用，对于低速泊车仿真场景也适用。

根据本发明实施例的PID控制器抗积分饱和的计算方法，通过获取当前车辆的状态参数，状态参数包括当前车速和目标车速，之后根据当前车速和目标车速，确定车速误差值和车速误差积分值，然后根据车速误差积分值和参数算法，确定踏板控制参数值，结合车辆档位和踏板控制参数，确定加速踏板分离信号值和制动踏板分离信号值。该方法通过确定加速踏板分离信号值和制动踏板分离信号值，可确定仿真系统中车辆的制动踏板开度和加速度开度，且解决了PID控制器积分饱和的问题。

基于PID控制器抗积分饱和的计算方法，如图3-4所示，为时速20km/h的PID控制器抗积分饱和的计算方法的测试结果。其中，该测试结果是基于行驶轨迹相同，且档位相同的前提下的实现的。其中实际仿真过程中路面系统为无任何纹理及噪声的绝对平面，且无动力传动系统震动模拟，系统观测量未引入高斯白噪声。其中，PID控制器抗积分饱和的计算方法的测试结果中，包括方向盘转角的测试跟踪，加速度的测试跟踪。其中，如图3所示中“△”表示实际方向盘转角，“＿”表示目标方向盘转角；图4所示“△”表示实际加速度，“＿”表示目标加速度。其中，目标方向盘转角或目标加速度表示本申请PID控制器抗积分饱和的计算时的方向盘转角或加速度。

与上述几种实施例提供的PID控制器抗积分饱和的计算方法相对应，本发明的一种实施例还提供一种PID控制器抗积分饱和的计算装置，由于本发明实施例提供的PID控制器抗积分饱和的计算装置与上述几种实施例提供的PID控制器抗积分饱和的计算方法相对应，因此在PID控制器抗积分饱和的计算方法的实施方式也适用于本实施例提供的PID控制器抗积分饱和的计算装置，在本实施例中不再详细描述。图5是根据本发明一个实施例的PID控制器抗积分饱和的计算装置的结构示意图。

如图5所示，该PID控制器抗积分饱和的计算装置500包括：获取模块510、第一确定模块520、第二确定模块530和第三确定模块540，其中，

获取模块510，用于获取当前车辆的状态参数，所述状态参数包括当前车速和目标车速；

第一确定模块520，用于根据所述当前车速和所述目标车速，确定车速误差值和车速误差积分值；

第二确定模块530，用于根据所述车速误差积分值和参数算法，确定踏板控制参数值；

第三确定模块540，用于结合车辆档位和所述踏板控制参数，确定加速踏板分离信号值和制动踏板分离信号值。

根据本发明实施例的PID控制器抗积分饱和的计算装置，通过获取当前车辆的状态参数，状态参数包括当前车速和目标车速，之后根据当前车速和目标车速，确定车速误差值和车速误差积分值，然后根据车速误差积分值和参数算法，确定踏板控制参数值，结合车辆档位和踏板控制参数，确定加速踏板分离信号值和制动踏板分离信号值。由此通过确定加速踏板分离信号值和制动踏板分离信号值，可确定仿真系统中车辆的制动踏板开度和加速度开度，且解决了PID控制器积分饱和的问题。

在本发明的一个实施例中，所述获取模块510，具体用于所述状态参数包括仿真步长，根据N-1次的所述目标车速+所述当前车辆的加速度*所述仿真步长，计算所述目标车速。

在本发明的一个实施例中，所述第一确定模块520，具体用于所述确定车速误差值包括：将所述当前车速和所述目标车速的差值，作为所述车速误差值。

在本发明的一个实施例中，状态参数包括第一控制误差积分数值；

根据N-1次的所述车速误差积分值+(1-所述踏板控制参数值的绝对值)*所述车速误差*所述第一控制误差积分数值，计算所述车速误差积分值，其中N为正整数，由车速误差积分值的精度确定。

在本发明的一个实施例中，状态参数包括第一控制误差数值，所述第二确定模块530，具体用于根据所述第一控制误差数值*所述车速误差值+所述车速误差积分值，计算踏板控制参数值。

在本发明的一个实施例中，所述第三确定模块540，具体用于所述车辆档位为倒档，且所述踏板控制参数值大于零时，所述加速踏板分离信号值为零，所述制动踏板分离信号值为所述踏板控制参数值；或所述踏板控制参数值不大于零时，所述加速踏板分离信号值为所述踏板控制参数值的相反数，所述制动踏板分离信号值为零。

在本发明的又一实施例中，所述第三确定模块540，具体用于所述车辆档位为空挡或前进挡，且所述踏板控制参数值大于零时，所述加速踏板分离信号值为所述踏板控制参数值，所述制动踏板分离信号值为零；或所述踏板控制参数值不大于零时，所述加速踏板分离信号值为零，所述制动踏板分离信号值为所述踏板控制参数值的相反数。

在本发明的再一实施例中，所述第三确定模块540，具体用于所述车辆档位为驻车档，所述加速踏板分离信号值为零，所述制动踏板分离信号值为1。

根据本发明实施例的装置，下面参考图6，其示出了适于用来实现本发明实施例的电子设备(例如图1中的终端设备或服务器)600的结构示意图。本发明实施例中的电子设备可以包括但不限于诸如移动电话、笔记本电脑、数字广播接收器、PDA(个人数字助理)、PAD(平板电脑)、PMP(便携式多媒体播放器)、车载终端(例如车载导航终端)等等的移动终端以及诸如数字TV、台式计算机等等的固定终端。图6示出的电子设备仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图6所示，电子设备600可以包括处理装置(例如中央处理器、图形处理器等)601，其可以根据存储在只读存储器(ROM)602中的程序或者从存储装置608加载到随机访问存储器(RAM)603中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 603中，还存储有电子设备600操作所需的各种程序和数据。处理装置601、ROM 602以及RAM 603通过总线604彼此相连。输入/输出(I/O)接口605也连接至总线604。

通常，以下装置可以连接至I/O接口605：包括例如触摸屏、触摸板、键盘、鼠标、摄像头、麦克风、加速度计、陀螺仪等的输入装置606；包括例如液晶显示器(LCD)、扬声器、振动器等的输出装置607；包括例如磁带、硬盘等的存储装置608；以及通信装置609。通信装置609可以允许电子设备600与其他设备进行无线或有线通信以交换数据。虽然图6示出了具有各种装置的电子设备600，但是应理解的是，并不要求实施或具备所有示出的装置。可以替代地实施或具备更多或更少的装置。

特别地，根据本发明的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在非暂态计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信装置609从网络上被下载和安装，或者从存储装置608被安装，或者从ROM602被安装。在该计算机程序被处理装置601执行时，执行本发明实施例的方法中限定的上述功能。

需要说明的是，本发明上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本发明中，计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读信号介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：电线、光缆、RF(射频)等等，或者上述的任意合适的组合。

在一些实施方式中，客户端、服务器可以利用诸如HTTP(HyperText TransferProtocol，超文本传输协议)之类的任何当前已知或未来研发的网络协议进行通信，并且可以与任意形式或介质的数字数据通信(例如，通信网络)互连。通信网络的示例包括局域网(“LAN”)，广域网(“WAN”)，网际网(例如，互联网)以及端对端网络(例如，ad hoc端对端网络)，以及任何当前已知或未来研发的网络。

上述计算机可读介质可以是上述电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。

上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被该电子设备执行时，使得该电子设备：获取当前车辆的状态参数，状态参数包括当前车速和目标车速；根据当前车速和目标车速，确定车速误差值和车速误差积分值；根据车速误差积分值和参数算法，确定踏板控制参数值；结合车辆档位和踏板控制参数，确定加速踏板分离信号值和制动踏板分离信号值。

或者，上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被该电子设备执行时，使得该电子设备：获取当前车辆的状态参数，状态参数包括当前车速和目标车速；根据当前车速和目标车速，确定车速误差值和车速误差积分值；根据车速误差积分值和参数算法，确定踏板控制参数值；结合车辆档位和踏板控制参数，确定加速踏板分离信号值和制动踏板分离信号值。

可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括但不限于面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

描述于本发明实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。其中，单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定，例如，第一获取单元还可以被描述为“获取至少两个网际协议地址的单元”。

本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、片上系统(SOC)、复杂可编程逻辑设备(CPLD)等等。

在本发明的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。

以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

此外，虽然采用特定次序描绘了各操作，但是这不应当理解为要求这些操作以所示出的特定次序或以顺序次序执行来执行。在一定环境下，多任务和并行处理可能是有利的。同样地，虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本发明的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实施例中。相反地，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实施例中。

尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。