一種自動駕駛車輛的轉(zhuǎn)向控制方法研究

徐紀(jì)洋 李曉宇 馬飛

摘 要：本研究設(shè)計了一種自動駕駛車輛的轉(zhuǎn)向控制方法、裝置及系統(tǒng)，方法包括：獲取自動駕駛車輛的當(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)軌跡進行對比，得到橫向和航向誤差;根據(jù)上述兩個誤差、當(dāng)前行駛速度及自動駕駛車輛的軸距和前視距離來計算自動駕駛車輛的目標(biāo)角速率;利用角速率測量元件測量自動駕駛車輛的當(dāng)前的角速率，根據(jù)兩個角速率的差值來對自動駕駛車輛進行轉(zhuǎn)向控制。本設(shè)計測量角速率的元件可以安裝在任何位置，大大減少了測量角速率的元件出現(xiàn)損壞和掉落的幾率，從而可以提高自動駕駛車輛轉(zhuǎn)向控制的控制效果。

關(guān)鍵詞：自動駕駛;車輛轉(zhuǎn)向;控制

引言

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

自動駕駛是當(dāng)代計算機科學(xué)、模式識別、控制技術(shù)的結(jié)合和發(fā)展所產(chǎn)生出來的，其通過傳感器來獲得車輛的周圍環(huán)境的信息，規(guī)劃一條安全的道路，進而控制車輛的轉(zhuǎn)向與速度，完成了上述操作，車輛便能夠在道路上安全地自主駕駛。

有獨立完成轉(zhuǎn)向操作裝置的車輛才能有自動駕駛的功能，傳統(tǒng)的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無法滿足自動駕駛的要求，李學(xué)鋆等人設(shè)計了一種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，改造轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不僅可以滿足車輛自動駕駛的情況還可以滿足駕駛員駕駛的情況，仿真結(jié)果表明，該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在足自動駕駛工況下可以保證車輛的穩(wěn)定性[7]。在拖拉機的自動駕駛方面，為了滿足國內(nèi)大型機具的需求，劉成強實現(xiàn)了拖拉機自動行走、調(diào)頭、避障等功能，且能滿足拖拉機農(nóng)田作業(yè)的需求[8]。朱志強設(shè)計一種汽車自動駕駛用轉(zhuǎn)向裝置，采用驅(qū)動電機連接齒圈組件控制驅(qū)動方向盤驅(qū)動轉(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，進行自動駕駛車輛轉(zhuǎn)向控制時，都是通過測量車輪的絕對或相對角度，并以獲取到的車輪角度作比較來進行控制，且常通過如下兩種方式測量車輪的角度：一種是在車輪轉(zhuǎn)軸上安裝絕對角度傳感器，一種是在車輪轉(zhuǎn)軸上安裝相對角度傳感器。但是，由于路面不平，車輛在行駛過程中經(jīng)常會遇到顛簸的情況，而這就容易導(dǎo)致測量車輪角度的傳感器發(fā)生損壞甚至掉落，從而會降低了車輛轉(zhuǎn)向控制的準(zhǔn)確性，甚至?xí)o法實現(xiàn)自動駕駛車輛的轉(zhuǎn)向控制。

通過上述背景，本研究設(shè)計一種新型的自動駕駛車輛的轉(zhuǎn)向控制方法、裝置及系統(tǒng)，來解決上述自動駕駛車輛轉(zhuǎn)向控制的控制效果不佳的問題。

1 設(shè)計的基本原理

本設(shè)計的基本原理是：

1.1獲取自動駕駛車輛的當(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)軌跡進行對比，得到橫向和航向誤差;

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

1.4利用角速率測量元件測量自動駕駛車輛的當(dāng)前的角速率，根據(jù)目標(biāo)角速率與當(dāng)前角速率的差值來對自動駕駛車輛進行轉(zhuǎn)向控制。

由上述基本原理可得，利用自動駕駛車輛的角速率來進行轉(zhuǎn)向控制，在上述過程中角速率測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)就不會出現(xiàn)測量元件損壞和掉落等情況，從而可以提高自動駕駛車輛轉(zhuǎn)向控制的控制準(zhǔn)確度。

2 轉(zhuǎn)向控制方法

本設(shè)計提供了一種自動駕駛車輛的轉(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)計的自動駕駛車輛的轉(zhuǎn)向控制方法，可以包括：

2.1獲取自動駕駛車輛的當(dāng)前位置、方向和行駛速度三個參數(shù)。首先在駕駛之前，可以預(yù)先設(shè)定好自動駕駛車輛自動駕駛的目標(biāo)軌跡，通過電機控制方向盤實現(xiàn)對轉(zhuǎn)向的控制，使得自動駕駛車輛能夠沿該目標(biāo)軌跡進行行駛，目標(biāo)軌跡有著作為參考標(biāo)準(zhǔn)的作用。而且可以預(yù)先通過測量獲取自動駕駛車輛的軸距和前視距離的參數(shù)。在車輛進行自動駕駛過程中，目標(biāo)角速率的計算是通過獲取自動駕駛車輛的位置、方向和當(dāng)前行駛速度這些當(dāng)前信息計算得出。其中，為了提高對進行轉(zhuǎn)向控制的控制精度，則可以實時獲取上述的當(dāng)前信息，這樣可以實現(xiàn)對自動駕駛車輛實時轉(zhuǎn)向控制。

2.2將當(dāng)前位置和當(dāng)前方向與目標(biāo)軌跡進行對比，得到橫向和航向兩個誤差。在完成步驟（1）之后，可以將所獲取到車輛的當(dāng)前位置、當(dāng)前方向與目標(biāo)軌跡進行對比，得到自動駕駛車輛的橫向和航向誤差。在進行對比時，可以根據(jù)自動駕駛車輛沿目標(biāo)軌跡做與自動駕駛車輛的車身平行的直線，并記為直線a，則橫向誤差即為直線a與自動駕駛車輛的車身間的距離;同時，在進行對比時，可以根據(jù)自動駕駛車輛的當(dāng)前位置過自動駕駛車輛的目標(biāo)軌跡做切線，并記為直線b，則航向誤差即為直線b與自動駕駛車輛車頭的朝向（根據(jù)自動駕駛車輛的當(dāng)前方向進行確定）間所形成的角度。其中，為了提高對轉(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)軌跡進行實時對比，這樣可以實現(xiàn)對自動駕駛車輛實時轉(zhuǎn)向控制。

2.3根據(jù)橫向和航向兩個誤差、當(dāng)前行駛速度及預(yù)先獲取的軸距和前視距離這五個參數(shù)，得到自動駕駛車輛的目標(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，計算出自動駕駛車輛的目標(biāo)角速率，即計算出自動駕駛車輛當(dāng)前應(yīng)該以什么樣的角速率進行行駛才能使得自動駕駛車輛可以沿著目標(biāo)軌跡進行自動駕駛。其中，為了提高對轉(zhuǎn)向控制的控制精度，實時得到自動駕駛車輛的目標(biāo)角速率，這樣可以實現(xiàn)對自動駕駛車輛實時轉(zhuǎn)向控制。

2.4利用測量角速率的元件測量出自動駕駛車輛的當(dāng)前角速率，并計算兩個角速率的差值。在進行自動駕駛之前，可以把角速率的測量元件預(yù)先安裝在自動駕駛車輛上，并在進行自動駕駛的過程中，可以預(yù)先安裝的角速率測量元件獲取得到自動駕駛車輛的當(dāng)前角速率。之后，可以將角速率測量元件所獲取的自動駕駛車輛的當(dāng)前角速率與步驟（3）所獲取的自動駕駛車輛的目標(biāo)角速率相減，得到兩個角速率的差值Diff Z（Diff Z=目標(biāo)角速率-當(dāng)前角速率）。其中，為了提高對轉(zhuǎn)向控制的控制精度，則可以利用角速率測量元件實時獲取自動駕駛車輛的當(dāng)前角速率，并實時得到目標(biāo)角速率與當(dāng)前角速率的差值，這樣可以實現(xiàn)對自動駕駛車輛實時轉(zhuǎn)向控制。

2.5根據(jù)計算的差值對自動駕駛車輛進行轉(zhuǎn)向控制。在計算得出兩個角速率的差值之后，可以根據(jù)差值對先安裝在自動駕駛車輛的方向盤上的電機進行控制，然后電機控制方向盤，從而實現(xiàn)對自動駕駛車輛的轉(zhuǎn)向控制。其中，為了提高對轉(zhuǎn)向控制的控制精度，則可以根據(jù)實時得到的差值對自動駕駛車輛進行轉(zhuǎn)向控制，這樣可以實現(xiàn)對自動駕駛車輛實時轉(zhuǎn)向控制。

3 角速率的計算與檢測

3.1 角速率的計算

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

上面兩式中，L為自動駕駛車輛的軸距，λ為自動駕駛車輛車輪的目標(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為自動駕駛車輛的目標(biāo)角速率。

首先通過公式（1）得到自動駕駛車輛車輪的目標(biāo)角度，在通過公式（2）得到自動駕駛車輛的目標(biāo)角速率。

3.2 角速率的檢測

在自動駕駛車輛對應(yīng)的坐標(biāo)系（即在車體坐標(biāo)系）中，可以包含三個軸，一個為沿自動駕駛車輛前進方向的軸，一個為沿自動駕駛車輛側(cè)向（即左側(cè)或右側(cè)）的軸，一個為指向車頂?shù)妮S（即指向車頂?shù)妮S），這三個軸相互垂直。

本設(shè)計所用到的角速率測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軸被配置為自動駕駛車輛的天向軸，以便于利用該陀螺儀測量自動駕駛車輛的當(dāng)前角速率。

4 轉(zhuǎn)向控制裝置與系統(tǒng)

本設(shè)計的轉(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，通過該模塊得到自動駕駛車輛的當(dāng)前位置、方向和行駛速度三個參數(shù);

（2）對比模塊22，通過該模塊可以將當(dāng)前位置及方向與目標(biāo)軌跡進行對比，進而得到橫向和航向誤差;

（3）得到目標(biāo)角速率模塊23，通過該模塊得到自動駕駛車輛的目標(biāo)角速率;

（4）第二獲取模塊24，通過該模塊可以用角速率測量元件獲取自動駕駛車輛的當(dāng)前角速率，并計算得到兩個角速率的差值;

（5）轉(zhuǎn)向控制模塊25，通過該模塊根據(jù)差值對自動駕駛車輛進行轉(zhuǎn)向控制。

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

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

（2）控制器31可以安裝在自動駕駛車輛的內(nèi)部，以通過自動駕駛車輛對控制器31起到保護的作用，它通過存儲的計算機程序，來實現(xiàn)上述任一種自動駕駛車輛的轉(zhuǎn)向控制方法;

（3）電機32，用于根據(jù)控制器31的控制對自動駕駛車輛的方向盤進行轉(zhuǎn)向控制。角速率測量元件33，且陀螺儀的一個軸被配置為自動駕駛車輛的天向軸;

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

5 結(jié)語

本文詳盡地從轉(zhuǎn)向控制方法、角速率的計算與檢測和轉(zhuǎn)向裝置與系統(tǒng)三個方面介紹了一種自動駕駛車輛的轉(zhuǎn)向控制方法、裝置及系統(tǒng)。此外本設(shè)計利用自動駕駛車輛的角速率的差值進行轉(zhuǎn)向控制，在該過程中測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，從而可以提高自動駕駛車輛轉(zhuǎn)向控制的控制效果。

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作者簡介：

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)用開發(fā)與研究。

基金項目：上海市科技創(chuàng)新行動計劃項目（19511100700）。