基于軌跡規劃的自動駕駛控制策略研究

劉 偉， 寧作濤

（東軟睿馳汽車技術有限公司， 遼寧 沈陽 110179）

汽車電子化、信息化為汽車帶來了巨大的變革，不斷提升涉及舒適、安全、節能、操縱穩定性等汽車性能，隨著電子信息、人工智能等領域相關技術的發展和在汽車電子領域的應用，更多豐富的智能網聯功能在汽車中集成［1］。自動駕駛涉及技術領域廣泛，隨著迫切的市場需求，各類傳感器、底盤線控、域控制器技術日趨成熟，車規級芯片算力的提升、感知、決策等算法的迭代，使自動駕駛產品功能日益豐富、功能不斷升級［2-3］。本文在自動駕駛軌跡規劃完成的條件下，研究自動駕駛汽車的縱/側向控制策略，充分利用全局路徑規劃提供的軌跡信息，完成自動駕駛汽車控制策略的開發，為更復雜環境下自動駕駛技術的研究提供基礎，實現在軌跡規劃指導下的自動駕駛功能。通過在封閉道路中的自動駕駛測試，驗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 自動駕駛功能架構

自動駕駛系統中，全局路徑規劃模塊根據行駛目標和車輛當前位置，調用地圖數據規劃出全局路徑；在自動駕駛功能運行過程中，局部軌跡根據車輛實時運行的高精度定位數據，提取模塊提取前方車道級行駛軌跡；縱側向控制模塊根據前方行駛軌跡，規劃車輛控制動作，由控制執行模塊控制車輛實現車輛的自動駕駛功能［4-5］。自動駕駛功能流程如圖1所示。

圖1 自動駕駛功能流程示意圖

本文重點研究局部軌跡提取以及車輛縱/側向決策控制算法，涉及如何充分提取和利用局部軌跡信息，如何實現縱/側向控制及解決縱向、側向控制間的耦合。

2 自動駕駛局部軌跡提取

在全局路徑規劃的基礎上，自動駕駛局部軌跡提取的目標在于：根據車輛當前位置，在全局路徑中截取一段軌跡，并提取該段軌跡中用于指導當前縱/側向控制的相關信息［6-7］。本文使用的全局路徑如圖2所示。

圖2 自動駕駛全局路徑示意圖

局部軌跡截取范圍為當前車輛位置以及前方預瞄點范圍的軌跡，預瞄點在全局路徑上，距離當前車輛位置的長度取決于當前車速和設置的最小預瞄距離，即預瞄距離：

式中：K——預瞄系數，s；Vx——縱向車速，m/s；dmin——預設的最小預瞄距離，s。

dmin用于車速為0時最短預瞄距離的選擇，本文道路測試中設置該值為10m。預瞄距離的計算與預瞄點的選擇如圖3所示，這樣就得到了縱/側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全局路徑起點車速為0m/s，此處車輛起動，并開始自動駕駛任務；②全局路徑終點車速為0m/s，此處車輛停止，完成自動駕駛任務；③根據交通規則設定的道路限速Vx-rule_lim，車輛在特定路段行駛時不能超過該限速，在地圖數據中提?。虎苡傻缆非氏拗频能囁賄x-curve_lim，用于滿足車輛行駛過程中的側向加速度限制ay-lim，保證安全性和舒適性，通過下文計算方法獲得；⑤由前方目標限制的車速Vx-target_lim，用于保證與前車的安全距離，可通過自適應巡航系統開發中相關方法計算得到［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，應用海倫公式，采用三點法計算道路曲率Croad［10］，道路曲率計算方法如圖4所示，進而得到由道路曲率限制下的車速：

首先，通過上述約束，選擇各點最小值，作為各路徑點初始的縱向速度規劃值：

然后設置起始點車速為0，考慮縱向加速度限制，更新路徑點縱向速度。

圖4 道路曲率計算示意圖

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劃，以及在與人工駕駛過程中實際車速記錄值的對比，縱向控制策略比較好地實現了與人工駕駛一致的縱向速度規劃。如圖5所示。

圖5 自動駕駛縱向控制決策與人工駕駛實際縱向控制車速的對比

4 側向控制策略

側向控制策略用于在自動駕駛過程中，側向控制即車輛轉向盤轉角的控制。圖6為側向決策相關參數示意圖。為保證車輛運動軌跡與局部軌跡提取的軌跡吻合，即使車輛能夠按照規劃軌跡行駛，在側向控制策略中，綜合考慮以下約束［11］。

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

2） 當前軌跡點的軌跡曲率1/Rt與車輛運動軌跡曲率1/Rv之間的偏差應盡可能小，車輛運動軌跡曲率由轉向盤轉角δ、轉向系傳動比i，通過車輛阿克曼轉向關系計算得到。

3） 當前軌跡點Pt與車輛位置Pv的側向偏差dis_offset應盡可能小。

4） 當前軌跡點的軌跡航向AZMt與車輛當前航向AZMv的偏差azm_offset應盡可能小［12-13］。

圖6 側向決策相關參數示意圖

綜合上述因素，對于產生的各偏差項使用PID算法決策對應的修正轉向盤轉角，即車輛在當前軌跡點的轉向盤轉角決策計算如下：

使用側向控制決策方法在圖2全局路徑中進行自動駕駛控制，最終決策出的轉向盤轉角由曲率、航向、位置偏差需求轉角構成，各成分側向控制決策的影響如圖7所示。

圖7 側向控制策略中成分分析

自動駕駛功能在該全局路徑上的轉向盤轉角決策結果與人工駕駛狀態下轉向盤轉角決策結果對比如圖8所示，結果表明本文提出的側向控制策略能夠與人工駕駛較為一致地完成側向控制輸出。

5 軌跡跟隨效果

試驗平臺由具備底盤控制功能的車輛、高精度定位設備、自動駕駛控制系統構成，如圖9所示。

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

圖8 自動駕駛側向控制決策與人工駕駛實際側向控制車速的對比

圖9 自動駕駛測試平臺

圖10 人工駕駛車輛運動軌跡與自動駕駛車輛運動軌跡的對比

6 分析與結論

本文分析了自動駕駛全局軌跡所蘊含信息，研究局部軌跡提取策略，充分應用局部軌跡信息，結合車輛動力學對車輛底盤控制的約束，設計自動駕駛縱/側向控制策略。在實際道路測試中，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駕駛功能，很好地跟隨規劃軌跡，過程中縱向車速規劃、轉向盤轉角規劃也與人工駕駛保持了比較高的一致性。試驗結果證明本文提供的基于軌跡規劃的自動駕駛控制策略，能夠達到很好的巡線控制效果，實現預期的自動駕駛功能［14］。

本文提供的控制策略僅考慮靜態路徑條件下，車輛基本運動控制的實現，在后續研究中，需要關注動態目標的引入［15］對自動駕駛控制策略的影響。