劉 偉， 寧作濤

（東軟睿馳汽車技術(shù)有限公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110179）

汽車電子化、信息化為汽車帶來(lái)了巨大的變革，不斷提升涉及舒適、安全、節(jié)能、操縱穩(wěn)定性等汽車性能，隨著電子信息、人工智能等領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和在汽車電子領(lǐng)域的應(yīng)用，更多豐富的智能網(wǎng)聯(lián)功能在汽車中集成［1］。自動(dòng)駕駛涉及技術(shù)領(lǐng)域廣泛，隨著迫切的市場(chǎng)需求，各類傳感器、底盤線控、域控制器技術(shù)日趨成熟，車規(guī)級(jí)芯片算力的提升、感知、決策等算法的迭代，使自動(dòng)駕駛產(chǎn)品功能日益豐富、功能不斷升級(jí)［2-3］。本文在自動(dòng)駕駛軌跡規(guī)劃完成的條件下，研究自動(dòng)駕駛汽車的縱/側(cè)向控制策略，充分利用全局路徑規(guī)劃提供的軌跡信息，完成自動(dòng)駕駛汽車控制策略的開發(fā)，為更復(fù)雜環(huán)境下自動(dòng)駕駛技術(shù)的研究提供基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)在軌跡規(guī)劃指導(dǎo)下的自動(dòng)駕駛功能。通過(guò)在封閉道路中的自動(dòng)駕駛測(cè)試，驗(yàn)證軌跡信息利用的有效性，以及本文控制策略的軌跡跟隨效果。

1 自動(dòng)駕駛功能架構(gòu)

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，全局路徑規(guī)劃模塊根據(jù)行駛目標(biāo)和車輛當(dāng)前位置，調(diào)用地圖數(shù)據(jù)規(guī)劃出全局路徑；在自動(dòng)駕駛功能運(yùn)行過(guò)程中，局部軌跡根據(jù)車輛實(shí)時(shí)運(yùn)行的高精度定位數(shù)據(jù)，提取模塊提取前方車道級(jí)行駛軌跡；縱側(cè)向控制模塊根據(jù)前方行駛軌跡，規(guī)劃車輛控制動(dòng)作，由控制執(zhí)行模塊控制車輛實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)駕駛功能［4-5］。自動(dòng)駕駛功能流程如圖1所示。

圖1 自動(dòng)駕駛功能流程示意圖

本文重點(diǎn)研究局部軌跡提取以及車輛縱/側(cè)向決策控制算法，涉及如何充分提取和利用局部軌跡信息，如何實(shí)現(xiàn)縱/側(cè)向控制及解決縱向、側(cè)向控制間的耦合。

2 自動(dòng)駕駛局部軌跡提取

在全局路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上，自動(dòng)駕駛局部軌跡提取的目標(biāo)在于：根據(jù)車輛當(dāng)前位置，在全局路徑中截取一段軌跡，并提取該段軌跡中用于指導(dǎo)當(dāng)前縱/側(cè)向控制的相關(guān)信息［6-7］。本文使用的全局路徑如圖2所示。

圖2 自動(dòng)駕駛?cè)致窂绞疽鈭D

局部軌跡截取范圍為當(dāng)前車輛位置以及前方預(yù)瞄點(diǎn)范圍的軌跡，預(yù)瞄點(diǎn)在全局路徑上，距離當(dāng)前車輛位置的長(zhǎng)度取決于當(dāng)前車速和設(shè)置的最小預(yù)瞄距離，即預(yù)瞄距離：

式中：K——預(yù)瞄系數(shù)，s；Vx——縱向車速，m/s；dmin——預(yù)設(shè)的最小預(yù)瞄距離，s。

dmin用于車速為0時(shí)最短預(yù)瞄距離的選擇，本文道路測(cè)試中設(shè)置該值為10m。預(yù)瞄距離的計(jì)算與預(yù)瞄點(diǎn)的選擇如圖3所示，這樣就得到了縱/側(cè)向控制所需的局部軌跡。

圖3 局部軌跡信息的提取

3 縱向控制決策

縱向控制決策用于確定車輛在全局路徑中各點(diǎn)處的縱向速度。在縱向速度決策中，綜合考慮以下約束［8］：①全局路徑起點(diǎn)車速為0m/s，此處車輛起動(dòng)，并開始自動(dòng)駕駛?cè)蝿?wù)；②全局路徑終點(diǎn)車速為0m/s，此處車輛停止，完成自動(dòng)駕駛?cè)蝿?wù)；③根據(jù)交通規(guī)則設(shè)定的道路限速Vx-rule_lim，車輛在特定路段行駛時(shí)不能超過(guò)該限速，在地圖數(shù)據(jù)中提??；④由道路曲率限制的車速Vx-curve_lim，用于滿足車輛行駛過(guò)程中的側(cè)向加速度限制ay-lim，保證安全性和舒適性，通過(guò)下文計(jì)算方法獲得；⑤由前方目標(biāo)限制的車速Vx-target_lim，用于保證與前車的安全距離，可通過(guò)自適應(yīng)巡航系統(tǒng)開發(fā)中相關(guān)方法計(jì)算得到［9］。

道路曲率限制的車速需要從路徑和軌跡中提取道路曲率，應(yīng)用海倫公式，采用三點(diǎn)法計(jì)算道路曲率Croad［10］，道路曲率計(jì)算方法如圖4所示，進(jìn)而得到由道路曲率限制下的車速：

首先，通過(guò)上述約束，選擇各點(diǎn)最小值，作為各路徑點(diǎn)初始的縱向速度規(guī)劃值：

然后設(shè)置起始點(diǎn)車速為0，考慮縱向加速度限制，更新路徑點(diǎn)縱向速度。

圖4 道路曲率計(jì)算示意圖

使用縱向控制決策方法得到基于圖2全局路徑的縱向速度規(guī)劃，以及在與人工駕駛過(guò)程中實(shí)際車速記錄值的對(duì)比，縱向控制策略比較好地實(shí)現(xiàn)了與人工駕駛一致的縱向速度規(guī)劃。如圖5所示。

圖5 自動(dòng)駕駛縱向控制決策與人工駕駛實(shí)際縱向控制車速的對(duì)比

4 側(cè)向控制策略

側(cè)向控制策略用于在自動(dòng)駕駛過(guò)程中，側(cè)向控制即車輛轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的控制。圖6為側(cè)向決策相關(guān)參數(shù)示意圖。為保證車輛運(yùn)動(dòng)軌跡與局部軌跡提取的軌跡吻合，即使車輛能夠按照規(guī)劃軌跡行駛，在側(cè)向控制策略中，綜合考慮以下約束［11］。

1） 側(cè)向加速度限制，該項(xiàng)約束在縱向速度規(guī)劃中已經(jīng)初步考慮，保證車輛在各軌跡段側(cè)向加速度滿足安全性、舒適性要求。

2） 當(dāng)前軌跡點(diǎn)的軌跡曲率1/Rt與車輛運(yùn)動(dòng)軌跡曲率1/Rv之間的偏差應(yīng)盡可能小，車輛運(yùn)動(dòng)軌跡曲率由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角δ、轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比i，通過(guò)車輛阿克曼轉(zhuǎn)向關(guān)系計(jì)算得到。

3） 當(dāng)前軌跡點(diǎn)Pt與車輛位置Pv的側(cè)向偏差dis_offset應(yīng)盡可能小。

4） 當(dāng)前軌跡點(diǎn)的軌跡航向AZMt與車輛當(dāng)前航向AZMv的偏差azm_offset應(yīng)盡可能小［12-13］。

圖6 側(cè)向決策相關(guān)參數(shù)示意圖

綜合上述因素，對(duì)于產(chǎn)生的各偏差項(xiàng)使用PID算法決策對(duì)應(yīng)的修正轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，即車輛在當(dāng)前軌跡點(diǎn)的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角決策計(jì)算如下：

使用側(cè)向控制決策方法在圖2全局路徑中進(jìn)行自動(dòng)駕駛控制，最終決策出的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角由曲率、航向、位置偏差需求轉(zhuǎn)角構(gòu)成，各成分側(cè)向控制決策的影響如圖7所示。

圖7 側(cè)向控制策略中成分分析

自動(dòng)駕駛功能在該全局路徑上的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角決策結(jié)果與人工駕駛狀態(tài)下轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角決策結(jié)果對(duì)比如圖8所示，結(jié)果表明本文提出的側(cè)向控制策略能夠與人工駕駛較為一致地完成側(cè)向控制輸出。

5 軌跡跟隨效果

試驗(yàn)平臺(tái)由具備底盤控制功能的車輛、高精度定位設(shè)備、自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)構(gòu)成，如圖9所示。

將前述軌跡提取、縱側(cè)向控制策略集成到測(cè)試車輛中，沿全局路徑完成車輛的自動(dòng)駕駛，并對(duì)比分析人工駕駛時(shí)車輛行駛軌跡與自動(dòng)駕駛實(shí)際控制的車輛行駛軌跡，如圖10所示。

圖8 自動(dòng)駕駛側(cè)向控制決策與人工駕駛實(shí)際側(cè)向控制車速的對(duì)比

圖9 自動(dòng)駕駛測(cè)試平臺(tái)

圖10 人工駕駛車輛運(yùn)動(dòng)軌跡與自動(dòng)駕駛車輛運(yùn)動(dòng)軌跡的對(duì)比

6 分析與結(jié)論

本文分析了自動(dòng)駕駛?cè)周壽E所蘊(yùn)含信息，研究局部軌跡提取策略，充分應(yīng)用局部軌跡信息，結(jié)合車輛動(dòng)力學(xué)對(duì)車輛底盤控制的約束，設(shè)計(jì)自動(dòng)駕駛縱/側(cè)向控制策略。在實(shí)際道路測(cè)試中，本文提供的控制策略能夠與人工駕駛一致地完成基于全局路徑的自動(dòng)駕駛功能，很好地跟隨規(guī)劃軌跡，過(guò)程中縱向車速規(guī)劃、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角規(guī)劃也與人工駕駛保持了比較高的一致性。試驗(yàn)結(jié)果證明本文提供的基于軌跡規(guī)劃的自動(dòng)駕駛控制策略，能夠達(dá)到很好的巡線控制效果，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的自動(dòng)駕駛功能［14］。

本文提供的控制策略僅考慮靜態(tài)路徑條件下，車輛基本運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)，在后續(xù)研究中，需要關(guān)注動(dòng)態(tài)目標(biāo)的引入［15］對(duì)自動(dòng)駕駛控制策略的影響。