一種自動(dòng)駕駛車(chē)輛的轉(zhuǎn)向控制方法研究

徐紀(jì)洋 李曉宇 馬飛

摘 要：本研究設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)駕駛車(chē)輛的轉(zhuǎn)向控制方法、裝置及系統(tǒng)，方法包括：獲取自動(dòng)駕駛車(chē)輛的當(dāng)前方向、位置及行駛速度;將當(dāng)前位置及方向與所設(shè)定的目標(biāo)軌跡進(jìn)行對(duì)比，得到橫向和航向誤差;根據(jù)上述兩個(gè)誤差、當(dāng)前行駛速度及自動(dòng)駕駛車(chē)輛的軸距和前視距離來(lái)計(jì)算自動(dòng)駕駛車(chē)輛的目標(biāo)角速率;利用角速率測(cè)量元件測(cè)量自動(dòng)駕駛車(chē)輛的當(dāng)前的角速率，根據(jù)兩個(gè)角速率的差值來(lái)對(duì)自動(dòng)駕駛車(chē)輛進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制。本設(shè)計(jì)測(cè)量角速率的元件可以安裝在任何位置，大大減少了測(cè)量角速率的元件出現(xiàn)損壞和掉落的幾率，從而可以提高自動(dòng)駕駛車(chē)輛轉(zhuǎn)向控制的控制效果。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)駕駛;車(chē)輛轉(zhuǎn)向;控制

引言

人工智能（Artificial Intelligence，AI），是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，它是根據(jù)了解人類(lèi)的思想，并能以人類(lèi)智能相似的方式做出反應(yīng)的智能機(jī)器[1]。隨著該技術(shù)的發(fā)展，人們便把該技術(shù)運(yùn)用于醫(yī)學(xué)[2]、軍事[3]、教育[4]、公共治理[5]等方面，近年來(lái)汽車(chē)上的自動(dòng)駕駛的控制轉(zhuǎn)向方面也有該技術(shù)的應(yīng)用[6]。

自動(dòng)駕駛是當(dāng)代計(jì)算機(jī)科學(xué)、模式識(shí)別、控制技術(shù)的結(jié)合和發(fā)展所產(chǎn)生出來(lái)的，其通過(guò)傳感器來(lái)獲得車(chē)輛的周?chē)h(huán)境的信息，規(guī)劃一條安全的道路，進(jìn)而控制車(chē)輛的轉(zhuǎn)向與速度，完成了上述操作，車(chē)輛便能夠在道路上安全地自主駕駛。

有獨(dú)立完成轉(zhuǎn)向操作裝置的車(chē)輛才能有自動(dòng)駕駛的功能，傳統(tǒng)的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足自動(dòng)駕駛的要求，李學(xué)鋆等人設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，改造轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不僅可以滿(mǎn)足車(chē)輛自動(dòng)駕駛的情況還可以滿(mǎn)足駕駛員駕駛的情況，仿真結(jié)果表明，該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在足自動(dòng)駕駛工況下可以保證車(chē)輛的穩(wěn)定性[7]。在拖拉機(jī)的自動(dòng)駕駛方面，為了滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)大型機(jī)具的需求，劉成強(qiáng)實(shí)現(xiàn)了拖拉機(jī)自動(dòng)行走、調(diào)頭、避障等功能，且能滿(mǎn)足拖拉機(jī)農(nóng)田作業(yè)的需求[8]。朱志強(qiáng)設(shè)計(jì)一種汽車(chē)自動(dòng)駕駛用轉(zhuǎn)向裝置，采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接齒圈組件控制驅(qū)動(dòng)方向盤(pán)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向，結(jié)果表明，這種裝置不影響駕駛員操作，方便設(shè)備的標(biāo)定[9]。

在上述的研究中，進(jìn)行自動(dòng)駕駛車(chē)輛轉(zhuǎn)向控制時(shí)，都是通過(guò)測(cè)量車(chē)輪的絕對(duì)或相對(duì)角度，并以獲取到的車(chē)輪角度作比較來(lái)進(jìn)行控制，且常通過(guò)如下兩種方式測(cè)量車(chē)輪的角度：一種是在車(chē)輪轉(zhuǎn)軸上安裝絕對(duì)角度傳感器，一種是在車(chē)輪轉(zhuǎn)軸上安裝相對(duì)角度傳感器。但是，由于路面不平，車(chē)輛在行駛過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到顛簸的情況，而這就容易導(dǎo)致測(cè)量車(chē)輪角度的傳感器發(fā)生損壞甚至掉落，從而會(huì)降低了車(chē)輛轉(zhuǎn)向控制的準(zhǔn)確性，甚至?xí)o(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛車(chē)輛的轉(zhuǎn)向控制。

通過(guò)上述背景，本研究設(shè)計(jì)一種新型的自動(dòng)駕駛車(chē)輛的轉(zhuǎn)向控制方法、裝置及系統(tǒng)，來(lái)解決上述自動(dòng)駕駛車(chē)輛轉(zhuǎn)向控制的控制效果不佳的問(wèn)題。

1 設(shè)計(jì)的基本原理

本設(shè)計(jì)的基本原理是：

1.1獲取自動(dòng)駕駛車(chē)輛的當(dāng)前方向、位置及行駛速度;

1.2將當(dāng)前位置及方向與所設(shè)定的目標(biāo)軌跡進(jìn)行對(duì)比，得到橫向和航向誤差;

1.3根據(jù)上述兩個(gè)誤差、當(dāng)前行駛速度及自動(dòng)駕駛車(chē)輛的軸距和前視距離這五個(gè)參數(shù)，自動(dòng)駕駛車(chē)輛的目標(biāo)角速率便可以計(jì)算出來(lái);

1.4利用角速率測(cè)量元件測(cè)量自動(dòng)駕駛車(chē)輛的當(dāng)前的角速率，根據(jù)目標(biāo)角速率與當(dāng)前角速率的差值來(lái)對(duì)自動(dòng)駕駛車(chē)輛進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制。

由上述基本原理可得，利用自動(dòng)駕駛車(chē)輛的角速率來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，在上述過(guò)程中角速率測(cè)量元件可以安裝在任何位置，因此，在獲取角速率得到數(shù)據(jù)就不會(huì)出現(xiàn)測(cè)量元件損壞和掉落等情況，從而可以提高自動(dòng)駕駛車(chē)輛轉(zhuǎn)向控制的控制準(zhǔn)確度。

2 轉(zhuǎn)向控制方法

本設(shè)計(jì)提供了一種自動(dòng)駕駛車(chē)輛的轉(zhuǎn)向控制的流程圖，流程圖如圖1所示。

圖1體現(xiàn)出了本設(shè)計(jì)的自動(dòng)駕駛車(chē)輛的轉(zhuǎn)向控制方法，可以包括：

2.1獲取自動(dòng)駕駛車(chē)輛的當(dāng)前位置、方向和行駛速度三個(gè)參數(shù)。首先在駕駛之前，可以預(yù)先設(shè)定好自動(dòng)駕駛車(chē)輛自動(dòng)駕駛的目標(biāo)軌跡，通過(guò)電機(jī)控制方向盤(pán)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)向的控制，使得自動(dòng)駕駛車(chē)輛能夠沿該目標(biāo)軌跡進(jìn)行行駛，目標(biāo)軌跡有著作為參考標(biāo)準(zhǔn)的作用。而且可以預(yù)先通過(guò)測(cè)量獲取自動(dòng)駕駛車(chē)輛的軸距和前視距離的參數(shù)。在車(chē)輛進(jìn)行自動(dòng)駕駛過(guò)程中，目標(biāo)角速率的計(jì)算是通過(guò)獲取自動(dòng)駕駛車(chē)輛的位置、方向和當(dāng)前行駛速度這些當(dāng)前信息計(jì)算得出。其中，為了提高對(duì)進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制的控制精度，則可以實(shí)時(shí)獲取上述的當(dāng)前信息，這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)駕駛車(chē)輛實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)向控制。

2.2將當(dāng)前位置和當(dāng)前方向與目標(biāo)軌跡進(jìn)行對(duì)比，得到橫向和航向兩個(gè)誤差。在完成步驟（1）之后，可以將所獲取到車(chē)輛的當(dāng)前位置、當(dāng)前方向與目標(biāo)軌跡進(jìn)行對(duì)比，得到自動(dòng)駕駛車(chē)輛的橫向和航向誤差。在進(jìn)行對(duì)比時(shí)，可以根據(jù)自動(dòng)駕駛車(chē)輛沿目標(biāo)軌跡做與自動(dòng)駕駛車(chē)輛的車(chē)身平行的直線(xiàn)，并記為直線(xiàn)a，則橫向誤差即為直線(xiàn)a與自動(dòng)駕駛車(chē)輛的車(chē)身間的距離;同時(shí)，在進(jìn)行對(duì)比時(shí)，可以根據(jù)自動(dòng)駕駛車(chē)輛的當(dāng)前位置過(guò)自動(dòng)駕駛車(chē)輛的目標(biāo)軌跡做切線(xiàn)，并記為直線(xiàn)b，則航向誤差即為直線(xiàn)b與自動(dòng)駕駛車(chē)輛車(chē)頭的朝向（根據(jù)自動(dòng)駕駛車(chē)輛的當(dāng)前方向進(jìn)行確定）間所形成的角度。其中，為了提高對(duì)轉(zhuǎn)向控制的控制精度，則可以將當(dāng)前位置及方向與目標(biāo)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)駕駛車(chē)輛實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)向控制。

2.3根據(jù)橫向和航向兩個(gè)誤差、當(dāng)前行駛速度及預(yù)先獲取的軸距和前視距離這五個(gè)參數(shù)，得到自動(dòng)駕駛車(chē)輛的目標(biāo)角速率。在執(zhí)行完步驟（2）之后，可以根據(jù)所獲取到的橫向和航向誤差、當(dāng)前行駛速度及預(yù)先獲取軸距和前視距離，計(jì)算出自動(dòng)駕駛車(chē)輛的目標(biāo)角速率，即計(jì)算出自動(dòng)駕駛車(chē)輛當(dāng)前應(yīng)該以什么樣的角速率進(jìn)行行駛才能使得自動(dòng)駕駛車(chē)輛可以沿著目標(biāo)軌跡進(jìn)行自動(dòng)駕駛。其中，為了提高對(duì)轉(zhuǎn)向控制的控制精度，實(shí)時(shí)得到自動(dòng)駕駛車(chē)輛的目標(biāo)角速率，這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)駕駛車(chē)輛實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)向控制。

2.4利用測(cè)量角速率的元件測(cè)量出自動(dòng)駕駛車(chē)輛的當(dāng)前角速率，并計(jì)算兩個(gè)角速率的差值。在進(jìn)行自動(dòng)駕駛之前，可以把角速率的測(cè)量元件預(yù)先安裝在自動(dòng)駕駛車(chē)輛上，并在進(jìn)行自動(dòng)駕駛的過(guò)程中，可以預(yù)先安裝的角速率測(cè)量元件獲取得到自動(dòng)駕駛車(chē)輛的當(dāng)前角速率。之后，可以將角速率測(cè)量元件所獲取的自動(dòng)駕駛車(chē)輛的當(dāng)前角速率與步驟（3）所獲取的自動(dòng)駕駛車(chē)輛的目標(biāo)角速率相減，得到兩個(gè)角速率的差值Diff Z（Diff Z=目標(biāo)角速率-當(dāng)前角速率）。其中，為了提高對(duì)轉(zhuǎn)向控制的控制精度，則可以利用角速率測(cè)量元件實(shí)時(shí)獲取自動(dòng)駕駛車(chē)輛的當(dāng)前角速率，并實(shí)時(shí)得到目標(biāo)角速率與當(dāng)前角速率的差值，這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)駕駛車(chē)輛實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)向控制。

2.5根據(jù)計(jì)算的差值對(duì)自動(dòng)駕駛車(chē)輛進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制。在計(jì)算得出兩個(gè)角速率的差值之后，可以根據(jù)差值對(duì)先安裝在自動(dòng)駕駛車(chē)輛的方向盤(pán)上的電機(jī)進(jìn)行控制，然后電機(jī)控制方向盤(pán)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)駕駛車(chē)輛的轉(zhuǎn)向控制。其中，為了提高對(duì)轉(zhuǎn)向控制的控制精度，則可以根據(jù)實(shí)時(shí)得到的差值對(duì)自動(dòng)駕駛車(chē)輛進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)駕駛車(chē)輛實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)向控制。

3 角速率的計(jì)算與檢測(cè)

3.1 角速率的計(jì)算

本設(shè)計(jì)根據(jù)橫向和航向兩個(gè)誤差、當(dāng)前行駛速度及預(yù)先獲取到的自動(dòng)駕駛車(chē)輛的軸距和前視距離這五個(gè)參數(shù)，得到自動(dòng)駕駛車(chē)輛的目標(biāo)角速率，角速率的計(jì)算如公式（1）和（2）所示。

上面兩式中，L為自動(dòng)駕駛車(chē)輛的軸距，λ為自動(dòng)駕駛車(chē)輛車(chē)輪的目標(biāo)角度，ψ為航向誤差，d為橫向的誤差，v為當(dāng)前行駛速度，F(xiàn)為前視距離，δ為自動(dòng)駕駛車(chē)輛的目標(biāo)角速率。

首先通過(guò)公式（1）得到自動(dòng)駕駛車(chē)輛車(chē)輪的目標(biāo)角度，在通過(guò)公式（2）得到自動(dòng)駕駛車(chē)輛的目標(biāo)角速率。

3.2 角速率的檢測(cè)

在自動(dòng)駕駛車(chē)輛對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系（即在車(chē)體坐標(biāo)系）中，可以包含三個(gè)軸，一個(gè)為沿自動(dòng)駕駛車(chē)輛前進(jìn)方向的軸，一個(gè)為沿自動(dòng)駕駛車(chē)輛側(cè)向（即左側(cè)或右側(cè)）的軸，一個(gè)為指向車(chē)頂?shù)妮S（即指向車(chē)頂?shù)妮S），這三個(gè)軸相互垂直。

本設(shè)計(jì)所用到的角速率測(cè)量元件具體為陀螺儀，且該陀螺儀可以為單軸陀螺儀或多軸陀螺儀，而且陀螺儀中的一個(gè)軸被配置為自動(dòng)駕駛車(chē)輛的天向軸，以便于利用該陀螺儀測(cè)量自動(dòng)駕駛車(chē)輛的當(dāng)前角速率。

4 轉(zhuǎn)向控制裝置與系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向控制裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2（a）所示。

（1）第一獲取模塊21，通過(guò)該模塊得到自動(dòng)駕駛車(chē)輛的當(dāng)前位置、方向和行駛速度三個(gè)參數(shù);

（2）對(duì)比模塊22，通過(guò)該模塊可以將當(dāng)前位置及方向與目標(biāo)軌跡進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而得到橫向和航向誤差;

（3）得到目標(biāo)角速率模塊23，通過(guò)該模塊得到自動(dòng)駕駛車(chē)輛的目標(biāo)角速率;

（4）第二獲取模塊24，通過(guò)該模塊可以用角速率測(cè)量元件獲取自動(dòng)駕駛車(chē)輛的當(dāng)前角速率，并計(jì)算得到兩個(gè)角速率的差值;

（5）轉(zhuǎn)向控制模塊25，通過(guò)該模塊根據(jù)差值對(duì)自動(dòng)駕駛車(chē)輛進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制。

本設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向控制裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2（b）所示。

（1）角速率測(cè)量元件33具體為陀螺儀，用于獲取自動(dòng)駕駛車(chē)輛的當(dāng)前角速率;

（2）控制器31可以安裝在自動(dòng)駕駛車(chē)輛的內(nèi)部，以通過(guò)自動(dòng)駕駛車(chē)輛對(duì)控制器31起到保護(hù)的作用，它通過(guò)存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī)程序，來(lái)實(shí)現(xiàn)上述任一種自動(dòng)駕駛車(chē)輛的轉(zhuǎn)向控制方法;

（3）電機(jī)32，用于根據(jù)控制器31的控制對(duì)自動(dòng)駕駛車(chē)輛的方向盤(pán)進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制。角速率測(cè)量元件33，且陀螺儀的一個(gè)軸被配置為自動(dòng)駕駛車(chē)輛的天向軸;

（4）安裝在自動(dòng)駕駛車(chē)輛上的導(dǎo)航系統(tǒng)34，該系統(tǒng)是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，通過(guò)它來(lái)獲取自動(dòng)駕駛車(chē)輛的當(dāng)前位置、方向和行駛速度。

5 結(jié)語(yǔ)

本文詳盡地從轉(zhuǎn)向控制方法、角速率的計(jì)算與檢測(cè)和轉(zhuǎn)向裝置與系統(tǒng)三個(gè)方面介紹了一種自動(dòng)駕駛車(chē)輛的轉(zhuǎn)向控制方法、裝置及系統(tǒng)。此外本設(shè)計(jì)利用自動(dòng)駕駛車(chē)輛的角速率的差值進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，在該過(guò)程中測(cè)量角速率的元件可以安裝在任何位置，因此，則可以大大減少了出現(xiàn)損壞和掉落的幾率，從而可以提高自動(dòng)駕駛車(chē)輛轉(zhuǎn)向控制的控制效果。

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作者簡(jiǎn)介：

徐紀(jì)洋（1982—），男，工程師，北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)與研究。

基金項(xiàng)目：上海市科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目（19511100700）。