一種自動駕駛車輛的轉向控制方法研究

徐紀洋 李曉宇 馬飛

摘 要：本研究設計了一種自動駕駛車輛的轉向控制方法、裝置及系統，方法包括：獲取自動駕駛車輛的當前方向、位置及行駛速度;將當前位置及方向與所設定的目標軌跡進行對比，得到橫向和航向誤差;根據上述兩個誤差、當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角速率;利用角速率測量元件測量自動駕駛車輛的當前的角速率，根據兩個角速率的差值來對自動駕駛車輛進行轉向控制。本設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損壞和掉落的幾率，從而可以提高自動駕駛車輛轉向控制的控制效果。

關鍵詞：自動駕駛;車輛轉向;控制

引言

人工智能（Artificial Intelligence，AI），是計算機科學的一個分支，它是根據了解人類的思想，并能以人類智能相似的方式做出反應的智能機器[1]。隨著該技術的發展，人們便把該技術運用于醫學[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向方面也有該技術的應用[6]。

自動駕駛是當代計算機科學、模式識別、控制技術的結合和發展所產生出來的，其通過傳感器來獲得車輛的周圍環境的信息，規劃一條安全的道路，進而控制車輛的轉向與速度，完成了上述操作，車輛便能夠在道路上安全地自主駕駛。

有獨立完成轉向操作裝置的車輛才能有自動駕駛的功能，傳統的助力轉向系統無法滿足自動駕駛的要求，李學鋆等人設計了一種轉向系統，改造轉向系統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，仿真結果表明，該轉向系統在足自動駕駛工況下可以保證車輛的穩定性[7]。在拖拉機的自動駕駛方面，為了滿足國內大型機具的需求，劉成強實現了拖拉機自動行走、調頭、避障等功能，且能滿足拖拉機農田作業的需求[8]。朱志強設計一種汽車自動駕駛用轉向裝置，采用驅動電機連接齒圈組件控制驅動方向盤驅動轉向，結果表明，這種裝置不影響駕駛員操作，方便設備的標定[9]。

在上述的研究中，進行自動駕駛車輛轉向控制時，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：一種是在車輪轉軸上安裝絕對角度傳感器，一種是在車輪轉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常會遇到顛簸的情況，而這就容易導致測量車輪角度的傳感器發生損壞甚至掉落，從而會降低了車輛轉向控制的準確性，甚至會無法實現自動駕駛車輛的轉向控制。

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

1 設計的基本原理

本設計的基本原理是：

1.1獲取自動駕駛車輛的當前方向、位置及行駛速度;

1.2將當前位置及方向與所設定的目標軌跡進行對比，得到橫向和航向誤差;

1.3根據上述兩個誤差、當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，自動駕駛車輛的目標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前的角速率，根據目標角速率與當前角速率的差值來對自動駕駛車輛進行轉向控制。

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據就不會出現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向控制的控制準確度。

2 轉向控制方法

本設計提供了一種自動駕駛車輛的轉向控制的流程圖，流程圖如圖1所示。

圖1體現出了本設計的自動駕駛車輛的轉向控制方法，可以包括：

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

2.2將當前位置和當前方向與目標軌跡進行對比，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前位置、當前方向與目標軌跡進行對比，得到自動駕駛車輛的橫向和航向誤差。在進行對比時，可以根據自動駕駛車輛沿目標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，可以根據自動駕駛車輛的當前位置過自動駕駛車輛的目標軌跡做切線，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（根據自動駕駛車輛的當前方向進行確定）間所形成的角度。其中，為了提高對轉向控制的控制精度，則可以將當前位置及方向與目標軌跡進行實時對比，這樣可以實現對自動駕駛車輛實時轉向控制。

2.3根據橫向和航向兩個誤差、當前行駛速度及預先獲取的軸距和前視距離這五個參數，得到自動駕駛車輛的目標角速率。在執行完步驟（2）之后，可以根據所獲取到的橫向和航向誤差、當前行駛速度及預先獲取軸距和前視距離，計算出自動駕駛車輛的目標角速率，即計算出自動駕駛車輛當前應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軌跡進行自動駕駛。其中，為了提高對轉向控制的控制精度，實時得到自動駕駛車輛的目標角速率，這樣可以實現對自動駕駛車輛實時轉向控制。

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，可以預先安裝的角速率測量元件獲取得到自動駕駛車輛的當前角速率。之后，可以將角速率測量元件所獲取的自動駕駛車輛的當前角速率與步驟（3）所獲取的自動駕駛車輛的目標角速率相減，得到兩個角速率的差值Diff Z（Diff Z=目標角速率-當前角速率）。其中，為了提高對轉向控制的控制精度，則可以利用角速率測量元件實時獲取自動駕駛車輛的當前角速率，并實時得到目標角速率與當前角速率的差值，這樣可以實現對自動駕駛車輛實時轉向控制。

2.5根據計算的差值對自動駕駛車輛進行轉向控制。在計算得出兩個角速率的差值之后，可以根據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，從而實現對自動駕駛車輛的轉向控制。其中，為了提高對轉向控制的控制精度，則可以根據實時得到的差值對自動駕駛車輛進行轉向控制，這樣可以實現對自動駕駛車輛實時轉向控制。

3 角速率的計算與檢測

3.1 角速率的計算

本設計根據橫向和航向兩個誤差、當前行駛速度及預先獲取到的自動駕駛車輛的軸距和前視距離這五個參數，得到自動駕駛車輛的目標角速率，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角度，ψ為航向誤差，d為橫向的誤差，v為當前行駛速度，F為前視距離，δ為自動駕駛車輛的目標角速率。

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

3.2 角速率的檢測

在自動駕駛車輛對應的坐標系（即在車體坐標系）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向（即左側或右側）的軸，一個為指向車頂的軸（即指向車頂的軸），這三個軸相互垂直。

本設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前角速率。

4 轉向控制裝置與系統

本設計的轉向控制裝置結構示意圖如圖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前位置、方向和行駛速度三個參數;

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

（3）得到目標角速率模塊23，通過該模塊得到自動駕駛車輛的目標角速率;

（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前角速率，并計算得到兩個角速率的差值;

（5）轉向控制模塊25，通過該模塊根據差值對自動駕駛車輛進行轉向控制。

本設計的轉向控制裝置結構示意圖如圖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前角速率;

（2）控制器31可以安裝在自動駕駛車輛的內部，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，來實現上述任一種自動駕駛車輛的轉向控制方法;

（3）電機32，用于根據控制器31的控制對自動駕駛車輛的方向盤進行轉向控制。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航系統34，該系統是北斗導航系統，通過它來獲取自動駕駛車輛的當前位置、方向和行駛速度。

5 結語

本文詳盡地從轉向控制方法、角速率的計算與檢測和轉向裝置與系統三個方面介紹了一種自動駕駛車輛的轉向控制方法、裝置及系統。此外本設計利用自動駕駛車輛的角速率的差值進行轉向控制，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損壞和掉落的幾率，從而可以提高自動駕駛車輛轉向控制的控制效果。

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[9]朱志強， 柴媛欣， 石晶. 一種汽車自動駕駛用轉向裝置的研究[J]. 汽車實用技術， 2019（05）：53-54+63.

作者簡介：

徐紀洋（1982—），男，工程師，北斗衛星定位導航系統的農業應用開發與研究。

基金項目：上海市科技創新行動計劃項目（19511100700）。