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CN106394650B - 基于场的扭矩转向控制 - Google Patents

基于场的扭矩转向控制 Download PDF

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CN106394650B
CN106394650B CN201610609403.5A CN201610609403A CN106394650B CN 106394650 B CN106394650 B CN 106394650B CN 201610609403 A CN201610609403 A CN 201610609403A CN 106394650 B CN106394650 B CN 106394650B
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University of Michigan
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Ford Global Technologies LLC
University of Michigan
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Abstract

本发明是基于场的扭矩转向控制。一种系统，包括计算机，该计算机被编程为沿着车辆将要行驶的路径确定代表用于车辆的行驶通道的势场。该计算机被进一步编程为识别当前时间该车辆相对于势场的位置，以及将扭矩施加到该车辆的转向柱上。扭矩至少部分地基于位置。势场包括引导车辆保持在通道中的引力势。

Description

基于场的扭矩转向控制
技术领域
本发明涉及扭矩转向控制领域，并且尤其涉及一种基于场的扭矩转向控制装置及方法。
背景技术
自主车辆可以通过调节车辆的转向角被转向以遵循路径的中心线。这与典型的人类驾驶行为不同，其将行驶操纵过程中施加在转向柱上的自对准扭矩考虑在内，以及还典型地为与中心线的更多偏差留出余地。
发明内容
根据本发明，提供一种包含具有处理器和存储器的计算机的系统，存储器存储所述处理器可执行的指令以使计算机被编程为：
沿着车辆将要行驶的标准路径确定代表用于车辆的行驶通道的势场；
识别在当前时间车辆相对于势场的第一位置；以及
至少部分地基于第一位置将扭矩施加到车辆的转向柱上；其中势场包括引导车辆保持在通道中的引力势。
根据本发明的一个实施例，其中计算机被编程为随着第一位置到标准路径的第一距离的增加而增加引力势。
根据本发明的一个实施例，其中引力势和第一距离之间的第一关系为二阶的。
根据本发明的一个实施例，其中引力势被限定为使得标准路径沿着行驶方向处于势场的近似中心。
根据本发明的一个实施例，其中计算机被进一步编程为：
识别相对于势场的第二位置，第二位置表示车辆在当前时间后的第一预定时间段的计划的未来位置，其中至少部分地基于第二位置来确定施加到车辆的转向柱上的扭矩。
根据本发明的一个实施例，其中施加的扭矩至少部分地基于车辆行驶的第一方向以及车辆的第一速度被确定，以及计算机进一步被编程为将第二位置计算为等于第一位置加第一位移，该第一位移等于沿着行驶的第一方向的第一速度与第一预定时间段的乘积。
根据本发明的一个实施例，其中势场进一步包括推斥势，推斥势引导车辆远离在标准路径的预定距离内的物体。
根据本发明的一个实施例，其中计算机被进一步编程为：
基于车辆与物体的第二距离来计算推斥势。
根据本发明的一个实施例，其中推斥势随着第二距离的减小而增加。
根据本发明的一个实施例，其中势场为引力势与推斥势的和。
根据本发明的一个实施例，其中计算机被进一步编程为：
计算负梯度
Figure GDA0002542922410000021
以及
部分地基于负梯度确定扭矩；
其中U(x)为在二维平面上的位置x上的势场。
根据本发明的一个实施例，其中计算机被进一步编程为：
确定扭矩
Figure GDA0002542922410000022
其中：
F(xt+L)为在计划的未来位置xt+L上的势场的负梯度；
t为当前时间；
L为预定时间段；
Kp为比例增益；以及
Kd为微分增益。
根据本发明，还提供一种方法，包含：
沿着车辆将要行驶的标准路径确定代表用于车辆的行驶通道的势场；
识别当前时间车辆相对于势场的第一位置；以及
至少部分地基于第一位置向车辆的转向柱施加扭矩；其中势场包括引导车辆保持在通道中的引力势。
根据本发明的一个实施例，其中计算机被编程为随着第一位置到标准路径的第一距离的增加而增加引力势。
根据本发明的一个实施例，其中引力势和第一距离之间的第一关系为二阶的。
根据本发明的一个实施例，其中引力势被限定为使得标准路径沿着行驶方向处于势场的近似中心。
根据本发明的一个实施例，其中计算机被进一步编程以：
识别相对于引力势的第二位置，第二位置表示车辆在当前时间后的第一预定时间段之后的计划的未来位置，其中至少部分地基于第二位置来确定施加到车辆的转向柱上的扭矩。
根据本发明的一个实施例，其中施加的扭矩至少部分地基于车辆行驶的第一方向以及车辆的第一速度被确定，以及计算机进一步被编程为将第二位置计算为等于第一位置加第一位移，该第一位移等于沿着行驶的第一方向的第一速度与第一预定时间段的乘积。
根据本发明的一个实施例，其中势场进一步包括推斥势，该推斥势引导车辆远离在标准路径的预定距离内的物体。
根据本发明的一个实施例，该方法进一步包含：
基于车辆与物体的第二距离来计算推斥势。
根据本发明的一个实施例，其中推斥势随着第二距离的减小而增加。
根据本发明的一个实施例，其中势场为引力势与推斥势的和。
根据本发明的一个实施例，该方法进一步包含：
计算负梯度
Figure GDA0002542922410000031
以及
部分地基于负梯度来确定扭矩；
其中U(x)为在二维平面上的位置x上的势场。
根据本发明的一个实施例，其中计算机被进一步编程以：
确定扭矩
Figure GDA0002542922410000041
其中：
F(xt+L)为在预计的未来位置xt+L上的势场的负梯度；
t为当前时间；
L为预定时间段；
Kp为比例增益；以及
Kd为微分增益。
附图说明
图1是包括基于势场的扭矩转向控制的示例车辆的示意图；
图2为包括势场的表示的道路上的图1的示例车辆的示意图；
图3为用于基于场的扭矩转向系统的示例反馈控制的示意图；
图4为用于基于场的扭矩转向系统的示例流程的示意图；
图5为用于测试示例的基于场的扭矩转向系统的测试轨迹的示意图；
图6A为表示在示例的基于场的扭矩转向系统的第一部分测试过程中车辆轨迹的图；
图6B为表示在图6A所示的示例的基于场的扭矩转向系统的第二部分测试过程中车辆轨迹的图；
图6C为表示在图6A和6B所示的示例的基于场的扭矩转向系统的第三部分测试过程中车辆轨迹的图；
图6D为表示在图6A、6B和6C所示的示例的基于场的扭矩转向系统的第四部分测试过程中车辆轨迹的图；
图6E为表示在对应于图6A的车辆轨迹的第一部分测试过程中势场梯度和施加的扭矩的图；
图6F为表示在对应于图6B的车辆轨迹的第二部分测试过程中势场梯度和施加的扭矩的图；
图6G为表示在对应于图6C的车辆轨迹的第三部分测试过程中势场梯度和施加的扭矩的图；
图6H为表示在对应于图6D的车辆轨迹的第四部分测试过程中势场梯度和施加的扭矩的图；
图7A为表示在方向盘转角(SWA)转向系统的第一部分测试过程中车辆轨迹的图；
图7B为表示在图7A中所示的方向盘转角(SWA)转向系统的第二部分测试过程中车辆轨迹的图；
图7C为表示在图7A和图7B中所示的方向盘转角(SWA)转向系统的第三部分测试过程中车辆轨迹的图；
图7D为表示在对应于图7A的车辆轨迹的方向盘转角(SWA)转向系统的第一部分测试过程中施加的扭矩的图；
图7E为表示在对应于图7B的车辆轨迹的方向盘转角(SWA)转向系统的第二部分测试过程中施加的扭矩的图；
图7F为表示在对应于图7C的车辆轨迹的方向盘转角(SWA)转向系统的第三部分测试过程中施加的扭矩的图；
图8A为表示基于场的扭矩转向系统的跟踪性能的图；
图8B为表示SWA转向系统的跟踪性能的图；
图9为表示基于场的扭矩转向系统和SWA转向系统的总功(以焦耳计)的图表；
图10为具有基于场的转向控制的示例车辆中道路上的示意图，该基于场的转向控制包括沿着标准路径的第一势场以及与障碍物相关的第二势场。
具体实施方式
综述
使用势场和扭矩转向控制操纵自主车辆允许车辆在限定的通道(corridor)中偏离标准路径，并更近似于人类的驾驶。基于场的扭矩转向系统限定了势场，其代表了沿着车辆将要行驶的标准路径的车辆的驾驶通道。系统识别当前时间相对于势场的车辆位姿。“车辆位姿”(pose of thevehicle)至少包括在特定时间上的车辆的位置，以及可以进一步包括与车辆相关的附加信息——诸如在特定时间上车辆的行驶方向、车辆的速度、车辆的加速度等。系统基于相对于势场的车辆位姿确定被施加到车辆转向柱上的扭矩。势场包括引导车辆保持在通道之中的引力势。
通过测试结果示出，这样的基于场的扭矩转向系统可以引发与方向盘转角(SWA)转向系统的跟踪相似的跟踪，该方向盘转角转向系统现在已经被开发用于自主车辆，同时基于场的扭矩转向系统还使用了更少的功(以焦耳计量)来操纵车辆。这将使在驾驶体验上具有与由人驾驶的车辆的感觉相似的更自然的感觉。
示例性系统元件
示例车辆10——包括被编程为使用势场及扭矩控制以操纵车辆10的计算机——在图1中被示出。车辆10包括计算机12、存储道路网络定义文件(RNDF)16的存储器、一个或多个数据采集器14、用户界面18、以及一个或多个控制器20。车辆10通常为具有三个或更多个车轮的路基车辆——例如，乘用车辆、轻型卡车等。车辆10具有前部、后部、左侧和右侧，其中术语前部、后部、左侧和右侧以处于标准的操作位置——即面向方向盘——坐在驾驶员座椅上的车辆10的操作者的视角来理解。
车辆10的计算机12通常包括处理器和存储器，该存储器包括一个或多个形式的计算机可读介质，并存储处理器可执行的指令以实施包括此处所公开的各种操作。进一步，车辆10的计算机12可以包括和/或可通信地连接到包含在车辆10中的一个或多个其他计算装置以监测和/或控制各种车辆部件——例如诸如控制器20这样的电子控制单元(ECU)。车辆10的计算机12总体上被编程并被设置用于在控制器局域网(CAN)总线或其类似物上通信。
车辆10的计算机12还可以具有与车载诊断连接器(OBD-II)、CAN(控制器局域网)总线、和/或其他有线或无线机构的连接。通过一个或多个这样的通信机构，计算机12可以将消息传送到车辆10中的各种装置和/或从各种装置接收消息，各种装置是例如致动器传感器等，包括数据收集器14和控制器20。可选择地或可附加地，在车辆10实际上包含多种装置的情况下，在本公开中的CAN总线或其类似物可以用于在以计算机12为代表的装置之间进行通信。此外，计算机12可以被配置用于通过各种有线的和/或无线的网络技术——例如蜂窝、蓝牙、通用串行总线(USB)、有线的和/或无线的分组网络等——与其他装置进行通信。
计算机12的存储器通常存储收集的数据。收集的数据可以包括通过数据收集器14在计算机12中收集的各种数据和/或由此得出的数据。收集的数据可以进一步包括通过与例如车辆10外部的数据源通信收到的数据。收集的数据的示例可以包括与车辆10相关的数据——诸如车辆10正在运行的区域中的物体的位置、物体的类型、其他车辆的位置和速度、道路特征等。收集的数据可以进一步包括涉及车辆状态的数据——诸如车辆10的速度、车辆10的行驶方向、施加到转向柱上的扭矩、发动机速度等。此外，该数据可以包括——例如从全球定位系统(GPS)接收到的位置数据、或在车辆10正在运行或计划运行的区域的地图数据。通常，收集的数据可以包括——可以通过数据收集器14收集的、通过车辆与车辆之间(V2V)或车辆与基础设施之间(V2I)的通信接收到的、通过卫星通信接收到的、从其他数据源收集或接收到的——任何数据和/或从这些数据计算得到的任何数据。
计算机12可以进一步被编程为收集与车辆10的目标相关的数据以及与车辆10相关的其他数据。如此处所使用的，车辆10的“目标”指的是旅程的目标，诸如最终的目的地、中间的目的地、将要行驶的路线，优选的抵达时间、所使用的行驶方式(保守式、运动式)等。
举例来说，计算机12可以通过用户界面18从用户接收输入，该输入表明了用户的目的地和用户想要采用的路线。如下所述，基于收集的数据，计算机12可以依据道路地图上的行驶指示来规划到所需的目的地的标准路线。计算机12可以进一步限定围绕标准路径的可接受的偏差的通道。基于所限定的通道，计算机12可以确定并向车辆控制器20发送指令以通过调节施加到车辆转向柱上的扭矩来控制车辆10沿着标准路径并处于通道中行驶。
通常，每个控制器20可以包括处理器，该处理器被编程为从车辆10接收指令，执行指令，并将消息发送给计算机12。电子控制单元(ECU)——诸如现有的以及此外具有用于进行此处所述的操作的编制程序的
——为控制器20的示例。此外，每个控制器20可以包括致动器或其类似物或与其通信地连接，该致动器或其类似物被提供以驱动车辆部件——例如制动器、转向器、节气门等。举例来说，扭矩控制器20可以包括处理器和用于将扭矩施加到转向柱上的电动机。在这个示例中，一旦从计算机12接收到指令，则处理器可以启动电动机以便调节车辆10的转向。
此外，控制器20的每个可以包括传感器或以其他方式作为数据收集器14运行以向计算机12提供与车辆10的速度、转向角、悬架高度等相关的数据。举例来说，扭矩控制器20可以将对应于被施加到转向柱上的扭矩的数据发送到计算机12。
数据收集器14可以包括各种装置。举例来说，数据收集器14可以包括用于感测环境的激光雷达(LIDAR)、雷达、摄像机、超声传感器、红外线传感器。数据收集器14可以进一步包括收集动态车辆10数据——诸如速度、横摆率、转向角等——的部件。此外，前述示例并非意在限制。其他类型的数据收集器14——举例来说加速度计、陀螺仪、压力传感器、温度计、气压计、高度计等——可以被用于向车辆10提供数据。
道路网络定义文件(RNDF)16可以包括车辆10可以运行的编码的道路网络的地志计量的地图。该地志计量的地图包括用于道路特征的经度和纬度坐标以及环境中的其他物体并基于RNFD文档格式的导数进行编码。RNDF 16可以向例如计算机12提供地图数据。
车辆10可以进一步包括用户界面18，其可以被包括在车辆10中或与其通信地连接。用户界面18可以被用于例如接收来自用户的与车辆10的所需的目的地、所需采用的路线等相关的输入。界面18可以包括一个或多个输出装置——诸如显示器、扬声器等——用于向用户传送信息。界面18可以进一步包括一个或多个输入装置——诸如触摸显示器、键盘、手势识别装置、开关等——用于接收来自用户的输入。
过程
用于控制车辆10沿着标准路径30的基于场的扭矩转向系统可以包括围绕路径30的通道32以及使用基于扭矩的界面的转向控制器20。通道32可以以势场34构建，该势场34引导车辆10沿着标准路径30。势场34可以包括引导车辆10朝向标准路径30的转向分量以及引导车辆10远离处于标准路径30的预定距离内的障碍物——例如静止物体、其他车辆等——的障碍分量。举例来说，预定距离可以被限定例如处于与标准路径的固定的横向距离中——例如20米。如另一示例，预定距离可以被限定为处于以势场表示的通道中。如另一示例，预定距离可以为与车辆状态(位置、速度、加速度等)相关的距离和/或与环境中的状况(道路类型、天气状况等)相关的距离。转向控制器20可以向转向柱施加扭矩，该扭矩根据车辆10相对于势场34的位置和/或另一计划位置来确定。
构建势场
代表车辆10的行驶通道32的势场34可以通过势场能量函数
Figure GDA0002542922410000091
的方式构建：
U(x)＝Uatt+Urep (1)
其中x为车辆10的二维平面上的点，Uatt为引导车辆10朝向标准路径30的引力势以及Urep为引导车辆10远离环境中的障碍物的推斥势。车辆10的目标是通过基于势场的负梯度控制转向扭矩输入来最小化这个势的能量：
Figure GDA0002542922410000092
引力势Uatt可以围绕标准路径30——例如行驶路线的中心——生成，举例来说，标准路径30可以从之前的道路网络地图或使用已知的运动规划获得。将标准路径30Π给定为一系列N个二维导航点Π＝ω1,…,ωN,，引力势Uatt(x)可以被看作处于车辆10的本地街区中的所有点x，其具有以下形式：
Figure GDA0002542922410000101
其中，d(x,Π)为标准路径30П中从点x到最靠近的段之间的距离。根据经验，已经确定的是二阶的势——即i＝2提供了充分的控制权以在标准路径30上操纵控制车辆10，而线性势(i＝1)需要在导致不稳定的反馈控制系统上的高比例增益。此外，已经确定的是高阶(i＞2)不提供与二阶势相比实质上改进的性能。根据这种简化，势可以被限定为
Uatt(x)＝d2(x,Π)。 (4)
等式4中的场势通过具有零值中心线避免了局部极小值，其相对于与标准路径30的横向偏移是凸面的，并允许甚至处于障碍物区域中的直接的导数计算。
类似地，在障碍物附近二阶势Urep(x)可以被使用。通过增加引力势和推斥势，总势U(x)＝Uatt+Urep可以被获得。按照等式2，势函数被限定为势场的负梯度范数，并通过以下等式得到：
Figure GDA0002542922410000102
势场34特别地被构建为控制车辆的转向控制器20(忽略纵向控制)。一种劣化情况——其中行驶通道32被障碍物完全阻碍——可以通过纵向控制器20处理，一旦检测到行驶通道32被完全阻碍则命令车辆10停止。
以扭矩为基础的转向控制
根据实证测试，已经确定的是成比例的、导出的(PD)反馈控制器足以稳定用于车辆10的基于场的扭矩转向系统。该PD控制器可以根据势场34向控制器20发出扭矩指令。控制目标为遵循等式5中的势函数操纵车辆10。
更准确地，对控制器20的输入变量为势函数，其在位于未来
Figure GDA0002542922410000111
中的前向时间L上的点xt+L上被评估，其中xt为在时间t上车辆10的后车轴中心的位置。相应地，时间t上的扭矩指令以以下等式得出：
Figure GDA0002542922410000112
其中Kp为比例增益以及Kd为导数增益(调节参数)。前向时间L可以为固定的时间，例如50ms。作为选择，前向时间可以根据与车辆10相关的数据——诸如车辆速度——和/或与环境相关的数据——诸如行驶的道路类型、交通密度、天气状况等——来确定。
基于场的转向系统40的框图在图3中被示出。如上所述，车辆10包括计算机12和一个或多个控制器20。计算机12被编程为根据如等式6中所描述的势梯度来确定扭矩指令。计算机12向一个或多个控制器20发出扭矩指令。一个或多个控制器20包括扭矩转向控制器20。扭矩转向控制器调节施加到车辆10的转向柱上的扭矩，从而调整车辆10的行驶方向。
车辆10持续在势场34中行驶。根据车辆10在势场34中的位置x，更新的势梯度被提供作为对车辆10的计算机12的输入。
示例的方法流程
图4为使用基于场的扭矩转向系统40控制车辆10的示例性方法400的示意图。该方法400在框405开始。
在框405，计算机12接收和/或更新用于车辆10的路径数据。举例来说，在旅程的起点，车辆10的操作者可以通过用户界面18输入旅程的目的地数据。根据目的地数据，计算机12可以例如从路径网络定义文件(RNDF)16中检索地图。计算机12可以进一步检索例如从全球定位系统(GPS)检索当前位置数据。如已知的，根据目的地数据、检索的地图、以及当前位置数据，计算机12可以确定用于车辆10的标准路径30。计算机12可以进一步识别已知的沿着标准路径的障碍物——例如，举例来说损坏的路段、建筑工地等。障碍物数据可以从RNDF16中检索，从GPS中接收，从车辆与基础设置(V2I)间的通信接收，从车辆与车辆(V2V)间通信接收等。方法400在框410继续。
在框410，计算机12可以限定沿着如上所述的标准路径30的势场34。方法400在框415继续。
在框415处，计算机确定在势场34中的车辆10的位姿。位姿可以包括车辆10的当前位置、当前速度、当前的行驶方向、当前的加速度等。计算机12可以使用——至少部分地使用——GPS数据以确定车辆10的位姿。计算机12可以进一步使用来自数据收集器14的数据、来自控制器20的数据等以确定车辆10的位姿。该方法在框420继续。
在框420，计算机12基于当前时间的位姿计划在预定前向时间之后的车辆的未来位置。如上所述，预定前向时间可以为固定的时间——例如50毫秒(ms)。可选择地，预定前向时间可以基于车辆10的相关数据——诸如车辆速度，或与旅途环境相关的数据——诸如道路的类型、交通密度、天气状况等。
如上所述，计算机12可以将未来的位置计划为等于当前位置加上位移，该位移等于当前速度与沿着当前行驶方向的前向时间的乘积。该方法在框430继续。
在框430，计算机12计算施加到转向柱上的扭矩。如上所述，计算机12基于等式5计算势场34的势函数.
Figure GDA0002542922410000121
该计算机接着基于等式6计算施加到转向柱上的扭矩：
Figure GDA0002542922410000122
该方法接着在框435继续。
在框435，计算机12将指令发送给控制器20并特别地发送给扭矩转向控制器20。扭矩转向控制器调节施加到车辆10的转向柱上的扭矩。车辆10继续沿着标准路径30行驶。方法400在框440继续。
在框440，计算机12决定方法400是否应当继续。举例来说，车辆10可以继续沿着标准路径30行驶，并且尚未抵达目的地。在这种情况下，方法400在框445继续。
可选择地，车辆10可能例如已经抵达目的地，已经通过用户界面18接收到车辆10应当靠边停车的输入，已经从操作者处接收到转换到手动控制的指令等。在这样的情况下，计算机12可以确定方法400应当结束。
在框445，计算机12确定路径数据是否需要更新。举例来说，计算机12可能已经通过界面18从操作员处接收到车辆10应当继续进行到新的目的地或遵循不同的路线的输入。可选择地，车辆10可以沿着标准路径30继续进行，但是地图数据可能需要更新以应对沿着标准路径30的进度。仍进一步地，车辆10可能已经检测到沿着标准路径30的障碍物，并需要更新地图数据以包括障碍物。在这种情况下，方法400可以在框405继续。
在其他情况下，沿着标准路径30的进度可能已经增长，以及当前可能不需要更新地图数据。在这种情况下，方法400可以在框415继续。
实验设置
测试跑道
测试的自主车辆装配有如上所述的基于场的扭矩转向系统40并使用动态车辆测试场(vehicle dynamics area)(VDA)，转向及操作路线(steering and handing)(SHC)以及低速直线跑道(LSSA)测试表面被测试。该VDA提供了开放的、铺设的表面用于实施自由形式的转向测试。该SHC包括具有急弯以及明显的斜度变化的双车道道路。该LSSA包括具有两个长直线跑道的双车道环路。
测试车辆
如上所述，用于实验的自主车辆装配有线控系统，该线控系统以可以被配置接受扭矩请求的转向界面为特征。该转向界面可选择地被配置为接受方向盘转角(SWA)请求，其与当前已有的用于自主车辆的系统是可比较的。装配了两种类型的转向控制系统的车辆10允许在相同的测试车辆10中比较两种类型的转向控制的性能。
测试车辆装配有四个威利登HDL-32E型号的3D激光扫描器(Velodyne HDL-32E 3DLIDAR scanners)，Applanix公司的POS-LV 420型惯性导航系统(INS)，GPS，以及多个其他的传感器。在测试车辆中的车载五节点计算机簇实质上实时地对系统执行所有规划、控制与感测。特别地，所推荐的基于场的扭矩转向控制方法以20Hz在测试车辆上实施。
测试车辆使用其运行所处的区域的地图，该地图捕捉与环境相关的信息——诸如激光雷达反射率和道路高度，并用于定位、障碍物探测以及其他感测任务。使用路线网络定义文件(RNDF)格式的导数将道路网络编码为度量的地志地图，由此提供与位置相关的以及与其中路段和车道连通性相关的信息。所需行驶路径可以利用现有知识获取。
对其他交通参与者的状态的估算通过在车辆上运行的动态目标跟踪器提供，该跟踪器使用已知的LIDAR距离测量值。静止障碍物的几何结构和位置也使用LIDAR测量值在车上进行推断。
测试结果
对于测试的装配有基于场的测试扭矩转向系统的自主车辆的评估结果在以下提出。最初，直线操纵以及具有增大的曲率的自由形式的转向操纵在VDA表面上实施。这些测试在低速下实施(～4m/s)。多个测试运行接着在SHC上实施，以增加至7m/s的速度运动。最终，多个测试运行以涉及存在障碍物的操纵以低速在VDA上再次实施(即，涉及具有障碍物分量的势场)。
初始测试
最初，多个自由形式的转向轨迹在VDA表面上实施并在LSSA上遵循直线路径。基于场的扭矩转向系统使用相关联的势场成功地沿着标准路径操纵测试车辆。标准路径包括了多个不同的曲率，以及所有的曲率都以4m/s的恒定速度被跟踪。
如前所讨论的，图2示出了一个测试结果。可以看到的是，该测试车辆遭受与势场的零曲线(沿着标准路径)的偏移。然而，其为用于测试车辆在导航上的可接受的势场区域，其允许测试车辆在遵循缓和曲线的曲线上行驶，获得了与标准路径的可允许的偏差的益处。
转向及操作路线
测试在SHC上实施以测试基于场的扭矩转向系统并将其与基于SWA的转向控制器相比较，基于SWA的转向控制器遵循沿着该路线的相同的标准路径。基于SWA的控制器使用测试车辆的动态模型以命令SWA值在最低跨轨迹误差的情况下遵循标准路径30，其以与完全遵循路径跟踪算法相似的方式运行。基于场的扭矩转向系统的性能在施加到转向系统上的扭矩、并根据路径跟踪误差和控制效果方面与SWA控制器进行比较。
图5示出了由测试车辆在多个试验运行的一个中遵循的测试轨迹。图6A-6H示出了在对控制器的输入信号
Figure GDA0002542922410000151
以及输出(施加到转向系统上的扭矩)方面，基于场的扭矩转向系统的性能。通过对比，图7A-7F示出了由基于SWA的控制器施加的扭矩。
可以观察到的是基于场的扭矩转向系统在扭矩信号中产生一些低频振荡，但是来自驾驶员的视角的转向行为与人类驾驶员典型的转向行为没有定性差别。相反地，作为试图在特定的角度上刚性地锁定车轮的结果，基于SWA的控制器在转向系统上施加非常高频的扭矩。
在路径跟踪误差以及控制效果方面，基于场的扭矩转向系统与基于SWA控制器的性能上的定性比较在以下被提出。路径跟踪误差作为标准路径中的车辆位置与临近路段的符号距离被计算，如果车辆处于路径的右侧则为正值否则为负值。控制效果作为由致动器完成的功的量被给定：
Figure GDA0002542922410000152
其中τ(t)为时间t上施加到车辆转向系统上的扭矩，t0和tf分别为运行的起动和停止的瞬间，以及θ为转向柱角度。
图8A示出了沿着用于测试扭矩控制系统的典型测试运行的路径跟踪误差以及图8B示出了沿着用于基于SWA控制器的相同路径的路径跟踪误差。图9示出了控制效果。由于对径向速度进行了区分，因此轨迹具有不同的持续时间：通过基于扭矩的控制器跟踪的轨迹持续255s以及通过基于SWA控制器跟踪的轨迹持续了160s。然而，标准路径30对于两个控制器是相同的，因此在转向方面，测试对两种方法设置了相同的挑战。
关于路径跟踪误差，两个控制器表现了相似的性能，对于大多数轨迹在30cm的精度内运行。当通过急剧的弯道曲线时，基于场的扭矩转向系统在穿过轨迹的半途中在仅小于90厘米(cm)的跟踪误差上显示了明显的峰值。这种情况的发生是由于在该区域中需要非常大的转向力。基于场的扭矩转向系统权衡跟踪精度以实施更平滑的转向行为。然而，基于SWA的控制器在高于60cm的误差上同样表现了高峰值。
然而，关于扭矩力，基于场的扭矩转向系统在运行过程中积累了接近1500J(焦耳)。基于SWA的控制器需要超过4500J的功。这样明显的区别证实了基于扭矩的控制系统的更平滑的转向行为。
在势场中包含障碍物
如上所讨论的，障碍物可以在势场的构建中被包含作为推斥势。这可以消除对明确地计算/更新标准路径以包括被识别的障碍物的需要。图10示出了VDA表面的测试运行，在此静态障碍物处于标准路径的左侧。如上所述的计算机12限定了围绕标准路径的势场34a。计算机12进一步限定了围绕静态物体的第二势场34b。结合的势场34a、34b沿着行驶路径31引导车辆10平滑地绕开障碍物。
结论
如此处使用的，副词“实质上”意为形状、结构、测量值、数量、时间等由于材料、加工、制造等方面的不完全相同，可以偏离精确描述的几何结构、距离、测量值、数量、时间等。
术语“示例性”用于此处为表示举例的意思，例如关于“示例性的部件”应当被解读为仅仅指代该部件的示例。
诸如此处讨论的计算装置通常每个都包括诸如以上指出的由一个或多个计算装置可执行的指令，以及用于执行上述的方法的框图或步骤。举例来说，以上讨论的方法框图可以被具体化为计算机可执行指令。
计算机可执行的指令可以从使用多种程序语言和/或技术建立的计算机程序中编辑或翻译，这些程序语言和/或技术包括，但不限于，单独的或组合的JavaTM，C，C++，VisualBasic，Java Script，Perl等。通常，处理器(例如，微处理器)接收例如来自存储器或计算机可读介质等的指令，并且执行这些指令，因此完成一个或多个过程，这些过程包括一个或多个在此描述的过程。可以使用多种计算机可读介质存储并传输该指令及其他数据。计算装置中的文档通常为存储在计算机可读介质中——诸如存储介质、随机存取存储器等——的数据的集合。
计算机可读介质(也被称为处理器可读介质)包括任何参与提供可以由计算机(即，由计算机的处理器)读取的数据(即，指令)的永久(即，有形的)介质。这样的介质可以采取多种形式，包括，但不限于非易失性介质和易失性介质。非易失性介质可以包括，例如光盘或磁盘及其他永久存储器。易失性介质可以包括，例如动态随机访问存储器(DRAM)，该存储器通常形成主存储器。这些指令可以由一个或多个传输介质传输，这些传输介质包括同轴线缆、铜线和光学纤维，其包括包含耦接到计算机处理器的系统总线的电线。计算机可读介质的常见形式包括，例如软盘、可折叠磁盘、硬盘、磁带、其他磁介质，只读光盘驱动器(CD-ROM)、数字化视频光盘(DVD)、其他任何光学介质，穿孔卡片、纸带、其他任何有孔式样的物理介质，随机存取存储器(RAM)、可编程序只读存储器(PROM)、电可编程序只读存储器(EPROM)、闪存电可擦可编程序只读存储器(FLASH-EEPROM)、其他任何存储器芯片或盒式磁盘，或者其他计算机可从中读取的任何介质。
在附图中，相同的附图标记指代相同的元件。此外，这些元件中的一些或全部可以被改变。关于在此描述的过程、系统、方法、启示等，应该明白，虽然此过程等的步骤等已经被描述为按照特定有序序列发生，该过程可以通过以与本发明所描述的不一样的顺序执行所述的步骤来进行实施。应当进一步理解的是，相关步骤可以被同时地执行，其他步骤可以被加入，或在此描述的某些步骤可以被忽略。换言之，在此对过程的描述被提供用于描述特定实施例，并且绝不应当被解释为对所要求保护的发明的限制。
因此，可以理解的是以上的说明是为了解释而不是限制。提供的示例以外的许多实施例和应用通过阅读以上的描述将变得显而易见。不应当根据上述的说明书来确定本发明的保护范围，而是应该根据所附的权利要求书连同该权利要求书所享有的全部等效范围来确定。可以预期或想到，此处讨论的技术会发生未来的改进，所公开的系统和方法将合并入这些将来的实施例。总而言之，应该理解为本发明是可以修改和改变以及通过所附的权利要求书进行限定的。
除非本发明另有明确相反的指示，使用在权利要求书中的所有的术语旨在被赋予它们最广义的合理解释以及本领域的技术人员所理解的通常含义。特别地，除非权利要求书详述出明确相反的限制，使用的单个冠词——例如“一”、“这个”、“所述”等——应该理解为叙述一个或多个所示的元件。

Claims (24)

1.一种包含具有处理器和存储器的计算机的系统，所述存储器存储所述处理器可执行的指令以使所述计算机被编程为：
沿着车辆将要行驶的标准路径确定代表用于所述车辆的行驶通道的势场；
识别在当前时间所述车辆相对于所述势场的第一位置；以及
至少部分地基于所述第一位置将扭矩施加到所述车辆的转向柱上；其中所述势场包括引导所述车辆保持在所述通道中的引力势。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述计算机被编程为随着所述第一位置到所述标准路径的第一距离的增加而增加所述引力势。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述引力势和所述第一距离之间的第一关系为二阶的。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述引力势被限定为使得所述标准路径沿着行驶方向处于所述势场的近似中心。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述计算机被进一步编程为：
识别相对于所述势场的第二位置，所述第二位置表示所述车辆在所述当前时间后的第一预定时间段的计划的未来位置，其中至少部分地基于所述第二位置来确定施加到所述车辆的所述转向柱上的所述扭矩。
6.如权利要求5所述的系统，其中所述施加的扭矩至少部分地基于所述车辆行驶的第一方向以及所述车辆的第一速度被确定，以及所述计算机进一步被编程为将所述第二位置计算为等于所述第一位置加第一位移，所述第一位移等于沿着行驶的所述第一方向的所述第一速度与所述第一预定时间段的乘积。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述势场进一步包括推斥势，所述推斥势引导所述车辆远离在所述标准路径的预定距离内的物体。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述计算机被进一步编程为：
基于所述车辆与所述物体的第二距离来计算所述推斥势。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述推斥势随着所述第二距离的减小而增加。
10.如权利要求7所述的系统，其中所述势场为所述引力势与所述推斥势的和。
11.如权利要求1所述的系统，其中所述计算机被进一步编程为：
计算负梯度
Figure FDA0002682979900000021
以及
部分地基于所述负梯度来确定扭矩；
其中U(x)为在二维平面上的位置x上的势场。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述计算机被进一步编程为：
确定所述扭矩
Figure FDA0002682979900000022
其中：
F(xt+L)为在计划的未来位置xt+L上的所述势场的所述负梯度；
t为当前时间；
L为预定时间段；
Kp为比例增益；以及
Kd为微分增益。
13.一种基于场的扭矩转向控制方法，包含：
沿着车辆将要行驶的标准路径确定代表用于所述车辆的行驶通道的势场；
识别当前时间所述车辆相对于所述势场的第一位置；以及
至少部分地基于所述第一位置向所述车辆的转向柱施加扭矩；其中所述势场包括引导所述车辆保持在所述通道中的引力势。
14.如权利要求13所述的方法，其中计算机被编程为随着所述第一位置到所述标准路径的第一距离的增加而增加所述引力势。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述引力势和所述第一距离之间的第一关系为二阶的。
16.如权利要求13所述的方法，其中所述引力势被限定为使得所述标准路径沿着行驶方向处于所述势场的近似中心。
17.如权利要求13所述的方法，进一步包含：
识别相对于所述引力势的第二位置，所述第二位置表示所述车辆在所述当前时间后的第一预定时间段的计划的未来位置，其中至少部分地基于所述第二位置来确定施加到所述车辆的所述转向柱上的所述扭矩。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述施加的扭矩至少部分地基于所述车辆行驶的第一方向以及所述车辆的第一速度被确定，以及计算机进一步被编程为将所述第二位置计算为等于所述第一位置加第一位移，所述第一位移等于沿着行驶的所述第一方向的所述第一速度与所述第一预定时间段的乘积。
19.如权利要求13所述的方法，其中所述势场进一步包括推斥势，所述推斥势引导所述车辆远离在所述标准路径的预定距离内的物体。
20.如权利要求19所述的方法，进一步包含：
基于所述车辆与所述物体的第二距离来计算所述推斥势。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述推斥势随着所述第二距离的减小而增加。
22.如权利要求19所述的方法，其中所述势场为所述引力势与所述推斥势的和。
23.如权利要求13所述的方法，进一步包含：
计算负梯度
Figure FDA0002682979900000031
以及
部分地基于所述负梯度来确定扭矩；
其中U(x)为在二维平面上的位置x上的势场。
24.如权利要求23所述的方法，进一步包含：
确定所述扭矩
Figure FDA0002682979900000032
其中：
F(xt+L)为在计划的未来位置xt+L上的所述势场的所述负梯度；
t为当前时间；
L为预定时间段；
Kp为比例增益；以及
Kd为微分增益。
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