[发明专利]一种用于无人驾驶车辆的轨迹跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种用于无人驾驶车辆的轨迹跟踪控制方法，包括如下步骤：根据参考轨迹确定出车身当前的位置点；搜索出距离车辆当前位置点最近的匹配点，依据两点求曲率法得到最近匹配点处的道路曲率；根据车辆当前位置点与最近匹配点计算得到轨迹跟踪偏差，包括横向偏差和头指向误差；建立基于前轮反馈侧偏力的动力学模型，采用LQR控制算法得到最优反馈控制率；确定出前轮侧偏力，基于逆轮胎模型得到前轮侧偏角，进而得到方向盘转角控制量，下发到线控转向系统中实现轨迹跟踪控制。该方法提高了无人驾驶车辆轨迹跟踪控制的稳定性，并提高了轨迹跟踪精度，约束了轮胎侧偏角，避免了车辆在极限工况下轮胎力饱和而出现车辆失稳的可能。

技术领域

本发明属于车辆自动控制技术领域，具体涉及一种用于无人驾驶车辆的轨迹跟踪控制方法。

背景技术

无人驾驶车辆是未来智能交通系统的有机组成部分，而车辆自动转向系统在无人驾驶车辆控制中占有非常重要的地位。轨迹跟踪控制是自动转向过程中的基本控制问题之一，它要求无人驾驶车辆在指定的时间到达给定的或规划的轨迹点。由于车辆是一个强非线性、高度耦合的复杂系统，很难建立精确的车辆动力学系统模型，因此无人驾驶车辆的轨迹跟踪控制始终是一个难点。

目前国际上关于无人驾驶车辆轨迹跟踪问题的研究，往往忽略或者简化了车辆运动学约束以及动力学约束，而这类约束不仅对轨迹跟随控制误差有着显著影响，而且对确保车辆的稳定性也具有重要的意义。比如在低附着路面上，如果不对轮胎侧偏角进行约束，那么车辆很可能就会出现侧向轮胎力饱和，此时如果有外界的干扰，就会出现车辆失稳的情况，影响到车辆的安全。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种用于无人驾驶车辆的轨迹跟踪控制方法，该方法提高了无人驾驶车辆轨迹跟踪控制的稳定性，并提高了轨迹跟踪精度，约束了轮胎侧偏角，避免了车辆在极限工况下轮胎力饱和而出现车辆失稳的可能。

为此，本发明采用了以下技术方案：

一种用于无人驾驶车辆的轨迹跟踪控制方法，包括如下步骤：

步骤一，根据GPS/INS系统采集一条高精度地图信息作为参考轨迹，当车辆在这条参考轨迹上循迹运动时依据车辆传感器确定出车身当前的位置点；

步骤二，车辆在循迹运动的过程中，根据步骤一中采集的参考轨迹搜索出距离车辆当前位置点最近的匹配点，选取距离最近匹配点一定距离的前向点，依据两点求曲率法得到最近匹配点处的道路曲率；

步骤三，由步骤一中确定的车辆当前位置点与步骤二中确定的最近匹配点计算得到轨迹跟踪偏差，包括横向偏差和头指向误差；找到车辆打击中心COP，计算出打击中心处的轨迹跟踪偏差；根据车辆动力学模型和循迹状态变量以及道路曲率计算得到COP处横向偏差加速度与轮胎侧偏力和道路曲率的关系，并将横向偏差加速度取零计算得到前轮前馈侧偏力，用于消除横向偏差加速度和道路曲率的影响，提高车辆的侧倾稳定性；

步骤四，建立基于前轮反馈侧偏力的动力学模型，采用LQR控制算法得到最优反馈控制率，并结合步骤三获得的循迹状态变量构建全状态的线性反馈控制器，由此得到的反馈控制量即为前轮反馈侧偏力，用于消除外部环境干扰和模型不准确性所产生的循迹误差；

步骤五，根据步骤三得到的前轮前馈侧偏力和步骤四得到的前轮反馈侧偏力确定出前轮侧偏力，再基于逆轮胎模型得到前轮侧偏角，最后根据前轮转角输入得到轨迹跟踪控制的方向盘转角控制量，下发到线控转向系统中实现轨迹跟踪控制。

进一步地，步骤二中两点求曲率法计算道路曲率的具体步骤如下：

提取出参考轨迹上最近匹配点以及选取距离最近匹配点一定距离的前向点，找出这两点的横向坐标和纵向坐标的差值，根据几何学关系求解出该最近匹配点处的曲率。