CN113928339A - 一种基于状态判断和误差反馈的车辆纵向运动控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于状态判断和误差反馈的车辆纵向运动控制系统，包括：车辆纵向运动控制模块、坡道起步模块、车辆运动状态传感器；其中车辆纵向运动控制模块包括上层控制器和下层控制器，上层控制器用于根据距离和速度得到期望加速度，下层控制器用于协调驱动和制动指令跟踪上层控制器给出的期望值，车辆运动状态传感器用以检测车辆的车速并且将其输入给所述车辆纵向运动控制模块与坡道起步模块，本发明能够同时协调车辆的制动和驱动，避免车辆由于驱动、制动频繁切换导致的纵向抖动；能够消除车辆纵向运动的稳态误差，使得被控车辆的实际车速精确跟随期望速度；能够实现车辆的坡道起步控制，在不同坡度的坡道上都能够避免溜坡。
Description
技术领域
本发明涉及自动驾驶领域，尤其涉及一种基于状态判断和误差反馈的车辆纵向运动控制系统及方法。
背景技术
车辆纵向运动控制是指利用某种控制策略调节车辆的纵向运动状态，让被控车辆实际运动状态尽可能的贴近期望运动状态，车辆纵向运动控制也是当下自动驾驶车辆运动控制的重要组成部分，在自动驾驶车辆中，决策规划模块负责判断车辆当前所处状态，将当前车辆的期望车速下发给纵向控制策略，纵向控制策略根据车辆的当前车速和期望车速计算出对应的驱动力矩或制动力矩，准确、平稳地使车辆纵向运动状态达到期望状态。
现有技术驱动/制动使用不同独立控制算法容易产生的切换波动、不稳定、参数复杂等问题，体现在车辆控制上就是出现车辆出现抖动，乘员乘坐不舒适；现有技术在坡道上仅增加了一个附加力矩，缺乏其他的控制输入，在坡道起步时由于IMU感知误差、行驶环境的扰动、车辆执行机构存在间隙等因素，往往出现起步溜坡的现象。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于状态判断和误差反馈的车辆纵向运动控制系统，包括：车辆纵向运动控制模块、坡道起步模块、车辆运动状态传感器，其中车辆纵向运动控制模块包括上层控制器和下层控制器，上层控制器用于根据距离和速度得到期望加速度，下层控制器用于协调驱动和制动指令跟踪上层控制器给出的期望值，车辆运动状态传感器用以检测车辆的车速并且将其输入给所述车辆纵向运动控制模块与坡道起步模块。
本发明提供一种基于状态判断和误差反馈的车辆纵向运动控制方法，包括：
步骤1、上层控制器接收下发的参考路径点和车辆当前位置信息，定位出参考路径点与车辆当前位置最近的点的位置，然后挑选出实际的参考点，输出参考点处的速度作为期望速度以及距离参考点的距离；
步骤2、上层控制器接收当前车速、期望车速以及相对距离，根据运动学公式V 2 -V 0 2 =2AX，计算出期望加速度a；
步骤3、下层控制器接收驱动力矩和制动减速度以及无动力滑行时的减速度，在无动力滑行减速度上下0.1m/s 2 划分区间，加减速功能在期望加速度和无动力滑行减速度满足以下关系时，分别进行相应输出：
步骤4、根据汽车纵向动力学与PID控制算法计算出驱动转距与当前加速度和车速的关系；车辆的行驶阻力分别为：滚动阻力、坡道阻力、空气阻力和加速阻力；
步骤5、弥补误差后，在车速达到期望车速±0.4m/s的范围内时，输出实际驱动/制动力矩控制量到被控车辆，被控车辆实际车速达到期望车速。
作为优选，在步骤3中，除了正常加减速切换逻辑外，还额外增加了削减怠速判断，减速到怠速以下直至停车时，怠速转矩会抵消滑行减速度，故限制怠速期望速度在1.1m/s以下时，减速度判断不再考虑滑行减速度；
作为优选，在步骤4中，误差计算时，车辆的行驶阻力分别为：滚动阻力、坡道阻力、空气阻力和加速阻力；
作为优选，在步骤5中，本发明还提供一种基于车辆状态判断的坡道起步方法：
步骤51、车辆启动时，坡道起步模块将车辆置于停车状态，输出油门开度为零，输出刹车信号为最大值，输出档位信号为P档，输出EPB信号为使能；输出刹车信号值为零；
步骤52、以惯导的俯仰角pitch为输出信号，计算车辆在坡道为pitch的坡道上克服坡道阻力和滚动阻力所需的转矩；
步骤53、判断车辆是否准备起步；
步骤54、判断车辆是否准备坡道起步；如果是坡道起步状态，则执行坡道起步动作；如果不是坡道起步状态，则执行平地起步动作；
步骤55、判断起步是否溜车，如果是则车辆进入异常状态，如果否则车辆起步成功，进入正常行驶状态；
步骤56、判断车辆是否意图停车。
作为优选，在步骤53中，车辆挡位位于P档、车辆速度为零、速度跟随部分的请求车速大于零时，则车辆准备起步；
作为优选，在步骤54中，车辆进入准备起步状态且惯导输出的pitch值大于阈值时，车辆进入坡道起步状态；
作为优选，在步骤55中，车速如果出现负值，则表示车辆溜车；
作为优选，在步骤56中，车辆在正常行驶过程中会实时监测车辆速度、速度跟随部分的请求车速，当车辆速度为零且速度跟随部分的请求车速为零时，则判断车辆意图停车，此时车辆由正常行驶状态进入停车状态。
本发明带来的有益效果：
1.本发明提出的车辆纵向运动控制方法，车辆的驱动和制动采用同一套控制策略，能够同时协调车辆的制动和驱动，避免车辆由于驱动、制动频繁切换导致的纵向抖动；能够消除车辆纵向运动的稳态误差，使得被控车辆的实际车速精确跟随期望速度；能够实现车辆的坡道起步控制，在不同坡度的坡道上都能够避免溜坡。
2.本发明提出的车辆纵向运动控制方法，车辆的驱动和制动采用同一套控制策略，统一了车辆驱动控制与制动控制间的关系，实现了单一方法同时控制驱动和制动，控制方法结构简单、计算量低、控制效果好。本发明能够大大降低现有方法产生的车辆纵向运动的稳态误差，使得被控车辆的实际车速精确跟随期望速度。
3.本发明基于车辆状态判断实现了车辆的坡道起步控制，同时利用了车辆的EPB信号和制动信号，在不同坡度的坡道上都能够避免溜坡。
4.本发明相比现有方法不需要改变原车制动系统，在硬件上没有任何要求，以较低成本大大提高了控制效果。
附图说明
图1为本发明基于误差反馈的车辆纵向运动控制模块技术方案流程图；
图2为本发明基于车辆状态判断的坡道起步模块技术方案流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供了一种基于状态判断和误差反馈的车辆纵向运动控制系统，包括：车辆纵向运动控制模块和坡道起步模块，其中车辆纵向运动控制模块包括上层控制器和下层控制器，上层控制器用于根据距离和速度得到期望加速度，下层控制器用于协调驱动和制动指令跟踪上层控制器给出的期望值，车辆运动状态传感器用以检测车辆的车速并且将其输入给所述车辆纵向运动控制模块与坡道起步模块。
本实施例还提供一种基于状态判断和误差反馈的车辆纵向运动控制方法，如图1所示，包括：
S1、上层控制器接收下发的参考路径点和车辆当前位置信息，定位出参考路径点与车辆当前位置最近的点的位置，然后挑选出实际的参考点，输出参考点处的速度作为期望速度以及距离参考点的距离；
S2、上层控制器接收当前车速、期望车速以及相对距离，根据运动学公式V 2 -V 0 2 = 2AX，计算出期望加速度a；
S3、下层控制器接收驱动力矩和制动减速度以及无动力滑行时的减速度，在无动力滑行减速度上下0.1m/s 2 划分区间，加减速功能在期望加速度和无动力滑行减速度满足以下关系时，分别进行相应输出：
其中，除了正常加减速切换逻辑外，还额外增加了削减怠速判断，减速到怠速以下直至停车时，怠速转矩会抵消滑行减速度，故限制怠速期望速度在1.1m/s以下时，减速度判断不再考虑滑行减速度；
S4、根据汽车纵向动力学与PID控制算法计算出驱动转距与当前加速度和车速的关系，在进行误差计算时，车辆的行驶阻力分别为：滚动阻力、坡道阻力、空气阻力和加速阻力；
S5、弥补误差后，在车速达到期望车速±0.4m/s的范围内时，输出实际驱动/制动力矩控制量到被控车辆，被控车辆实际车速达到期望车速。
如图2所示，本发明还提供一种基于车辆状态判断的坡道起步方法：
S51、车辆启动时，坡道起步模块将车辆置于停车状态，输出油门开度为零，输出刹车信号为最大值，输出档位信号为P档，输出EPB信号为使能；输出刹车信号值为零；
S52、以惯导的俯仰角pitch为输出信号，计算车辆在坡道为pitch的坡道上克服坡道阻力和滚动阻力所需的转矩；
S53、判断车辆是否准备起步，当满足：
a.车辆挡位位于P档；
b.车辆速度为零；
c.速度跟随部分的请求车速大于零时，则代表车辆进入准备起步状态；
S54、判断车辆是否准备坡道起步，当满足：
a.车辆准备起步；
b.惯导输出的pitch值大于阈值，以上两个条件的时候，则判断车辆准备坡道起步；如果满足条件则进入坡道起步状态，如果不满足条件则进入平地起步状态；
其中，当车辆进入坡道起步状态时会执行以下动作：
a.刹车信号输出最大值，车辆挡位信号输出为D档；
b.延迟1秒；
c.转矩的输出切换坡道起步转矩，EPB输出信号为释放；
d.判断电机转矩是否达到控制器输出的转矩，如果是则进入则释放刹车，如果否则在此步骤等待；
当车辆进入坡道起步状态时会执行以下动作：
a.车辆挡位信号输出为D档；
b.EPB输出信号为释放；
c.转矩的输出切换纵向控制速度跟随模块计算的转矩；
起步成功后车辆进入正常行驶状态。
S55、判断起步是否溜车，当车速出现负值时，则表示车辆溜车，如果溜车，则车辆进入异常状态，如果否则车辆起步成功，进入正常行驶状态；
其中，当车辆进入异常行驶状态时会执行以下动作：
a.油门开度信号输出为零，刹车信号输出最大值；
b.延迟1秒；
c.车辆挡位信号输出为P档；
d.EPB输出信号为使能；
以上动作执行完毕后，车辆会继续监测车辆速度、速度跟随部分的请求车速、车辆档位以及道路的坡道角等车辆状态，判断车辆是否重新进入坡道起步状态或平地起步状态。如果是则重新起步，如果否则在此步骤等待；
当车辆进入正常行驶状态时会执行以下动作：
a.转矩的输出切换为纵向控制速度跟随模块计算的转矩；
b.车辆档位输出信号为P档；
c.刹车信号切换为纵向控制速度跟随的刹车信号；
S56、车辆在正常行驶过程中会实时监测车辆速度、速度跟随部分的请求车速，当车辆速度为零且速度跟随部分的请求车速为零时，则判断车辆意图停车，此时车辆由正常行驶状态进入停车状态。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (9)
1.一种基于状态判断和误差反馈的车辆纵向运动控制系统，包括：车辆纵向运动控制模块、坡道起步模块、车辆运动状态传感器；其中车辆纵向运动控制模块包括上层控制器和下层控制器，上层控制器用于根据距离和速度得到期望加速度，下层控制器用于协调驱动和制动指令跟踪上层控制器给出的期望值，车辆运动状态传感器用以检测车辆的车速并且将其输入给所述车辆纵向运动控制模块与坡道起步模块。
2.一种基于状态判断和误差反馈的车辆纵向运动控制方法，包括：
步骤1、上层控制器接收下发的参考路径点和车辆当前位置信息，定位出参考路径点与车辆当前位置最近的点的位置，然后挑选出实际的参考点，输出参考点处的速度作为期望速度以及距离参考点的距离；
步骤2、上层控制器接收当前车速、期望车速以及相对距离，根据运动学公式V 2 -V 0 2 = 2AX，计算出期望加速度a；
步骤3、下层控制器接收驱动力矩和制动减速度以及无动力滑行时的减速度，在无动力滑行减速度上下0.1m/s 2 划分区间，加减速功能在期望加速度和无动力滑行减速度满足以下关系时，分别进行相应输出：
步骤4、根据汽车纵向动力学与PID控制算法计算出驱动转距与当前加速度和车速的关系；车辆的行驶阻力分别为：滚动阻力、坡道阻力、空气阻力和加速阻力；
步骤5、弥补误差后，在车速达到期望车速±0.4m/s的范围内时，输出实际驱动/制动力矩控制量到被控车辆，被控车辆实际车速达到期望车速。
3.如权利要求2所述的一种基于状态判断和误差反馈的车辆纵向运动控制方法，其特征在于，在步骤3中，除了正常加减速切换逻辑外，还额外增加了削减怠速判断，减速到怠速以下直至停车时，怠速转矩会抵消滑行减速度，故限制怠速期望速度在1.1m/s以下时，减速度判断不再考虑滑行减速度。
4.如权利要求2所述的一种基于状态判断和误差反馈的车辆纵向运动控制方法，其特征在于，在步骤4中，误差计算时，车辆的行驶阻力分别为：滚动阻力、坡道阻力、空气阻力和加速阻力。
5.如权利要求2所述的一种基于状态判断和误差反馈的车辆纵向运动控制方法，其特征在于，在步骤5中，本发明还提供一种基于车辆状态判断的坡道起步方法：
步骤51、车辆启动时，坡道起步模块将车辆置于停车状态，输出油门开度为零，输出刹车信号为最大值，输出档位信号为P档，输出EPB信号为使能；输出刹车信号值为零；
步骤52、以惯导的俯仰角pitch为输出信号，计算车辆在坡道为pitch的坡道上克服坡道阻力和滚动阻力所需的转矩；
步骤53、判断车辆是否准备起步；
步骤54、判断车辆是否准备坡道起步；如果是坡道起步状态，则执行坡道起步动作；如果不是坡道起步状态，则执行平地起步动作；
步骤55、判断起步是否溜车，如果是则车辆进入异常状态，如果否则车辆起步成功，进入正常行驶状态；
步骤56、判断车辆是否意图停车。
6.如权利要求5所述的一种基于状态判断和误差反馈的车辆纵向运动控制方法，其特征在于，在步骤53中，车辆挡位位于P档、车辆速度为零、速度跟随部分的请求车速大于零时，则车辆准备起步。
7.如权利要求5所述的一种基于状态判断和误差反馈的车辆纵向运动控制方法，其特征在于，在步骤54中，车辆进入准备起步状态且惯导输出的pitch值大于阈值时，车辆进入坡道起步状态。
8.如权利要求5所述的一种基于状态判断和误差反馈的车辆纵向运动控制方法，其特征在于，在步骤55中，车速如果出现负值，则表示车辆溜车。
9.如权利要求5所述的一种基于状态判断和误差反馈的车辆纵向运动控制方法，其特征在于，在步骤56中，车辆在正常行驶过程中会实时监测车辆速度、速度跟随部分的请求车速，当车辆速度为零且速度跟随部分的请求车速为零时，则判断车辆意图停车，此时车辆由正常行驶状态进入停车状态。
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