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一种基于最优状态点的无人车路径跟踪横向控制方法

王炳琪 杨明 王春香 王冰

王炳琪, 杨明, 王春香, 王冰. 一种基于最优状态点的无人车路径跟踪横向控制方法. 自动化学报, 2019, 45(10): 1883-1892. doi: 10.16383/j.aas.c170531
引用本文: 王炳琪, 杨明, 王春香, 王冰. 一种基于最优状态点的无人车路径跟踪横向控制方法. 自动化学报, 2019, 45(10): 1883-1892. doi: 10.16383/j.aas.c170531
WANG Bing-Qi, YANG Ming, WANG Chun-Xiang, WANG Bing. Path Tracking Lateral Control of Self-driving Vehicles Based on the Optimal State Point. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2019, 45(10): 1883-1892. doi: 10.16383/j.aas.c170531
Citation: WANG Bing-Qi, YANG Ming, WANG Chun-Xiang, WANG Bing. Path Tracking Lateral Control of Self-driving Vehicles Based on the Optimal State Point. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2019, 45(10): 1883-1892. doi: 10.16383/j.aas.c170531

一种基于最优状态点的无人车路径跟踪横向控制方法

doi: 10.16383/j.aas.c170531
基金项目: 

国家自然科学基金 U1764264

详细信息
    作者简介:

    王炳琪  上海交通大学机械与动力工程学院硕士研究生.主要研究方向为自主驾驶车辆方面的路径规划与车辆控制.E-mail:wangbingqi@sjtu.edu.cn

    王春香  上海交通大学自动化系副教授.主要研究方向为移动机器人, 自动驾驶, 高级辅助驾驶.E-mail:wangcx@sjtu.edu.cn

    王冰  上海交通大学自动化系高级工程师.主要研究为自动导向车, 自动导向技术.E-mail:bingwang@sjtu.edu.cn

    通讯作者:

    杨明  上海交通大学自动化系教授.主要研究方向为智能车辆的定位、感知、导航、控制、自主驾驶、辅助驾驶和协作驾驶.本文通信作者.E-mail:MingYang@sjtu.edu.cn

Path Tracking Lateral Control of Self-driving Vehicles Based on the Optimal State Point

Funds: 

National Natural Science Foundation of China U1764264

More Information
    Author Bio:

    Master student at the School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University. His research interest covers path tracking and vehicle control of self-driving vehicles

    Associate professor in the Department of Automation, Shanghai Jiao Tong University. Her research interest covers mobile robots, autonomous driving, and assistant driving

    Senior engineer in the Department of Automation, Shanghai Jiao Tong University. His research interest covers automatic guided vehicle and automatic guiding technology

    Corresponding author: YANG Ming Professor in the Department of Automation, Shanghai Jiao Tong University. His research interest covers positioning, perception, navigation, control related to intelligent vehicles, autonomous driving assisted driving, and cooperative driving. Corresponding author of this paper
  • 摘要: 对于小区、施工导流路段等狭窄区域,很难保证大中型车辆安全地通过.针对这类情况,本文研究了整个车体的路径跟踪横向控制问题,提出了车辆最优状态点和最优参考状态的概念.为了求解最优状态点,本文构造了车辆参考状态所对应的整体偏差这一目标函数,基于车辆运动学模型,依据最优状态点处车辆与参考轨迹的偏差设计了横向控制器,并利用Lyapunov方法证明了该控制系统的稳定性.与车体特定位置的横向偏差相比,整体偏差更为显著地反映了整个车体的跟踪性能.最后,在具有代表性的狭窄区域场景和普通城区道路场景分别进行了仿真实验,结果表明该方法能够有效提高车辆低速行驶时的整体跟踪精度,不仅可以保证车辆安全裕度较大地通过狭窄区域,而且也提升了车辆在城区交通场景驾驶的安全性.
    1)  本文责任编委 魏庆来
  • 图  1  狭窄区域车辆行驶示意图

    Fig.  1  Vehicle driving illustration in a narrow area

    图  2  车辆参考状态示意图

    Fig.  2  The reference state of the vehicle

    图  3  车辆当前状态到参考状态的转移图

    Fig.  3  The transfer from the current state to the reference state

    图  4  车辆坐标系下的车辆运动学模型

    Fig.  4  Kinematic model in vehicle coordinates

    图  5  狭窄区域车辆前后轮行驶轨迹图

    Fig.  5  The front wheel and rear wheel path in a narrow area

    图  6  城区场景车辆前后轮行驶轨迹图

    Fig.  6  The front wheel and rear wheel path on the urban road

    图  7  左转弯道场景

    Fig.  7  The left corner

    图  8  右转弯场景

    Fig.  8  The right corner

    图  9  小曲率弯道场景

    Fig.  9  The small curvature road

    图  10  直角弯道场景

    Fig.  10  The right angle road

    图  11  "S"型弯道场景

    Fig.  11  The "S" curved road

    表  1  车辆参数

    Table  1  Vehicle parameters

    参数 数值 单位
    前轮胎侧偏刚度$(C_f)$ 80 000 ${\rm N/rad}$
    后轮胎侧偏刚度$(C_r)$ 80 000 ${\rm N/rad}$
    车辆质量$(m)$ 1 960 ${\rm kg}$
    偏航转动惯量$(I_z)$ 3 580 ${\rm kg\cdot m^2}$
    重心与前轴距离$(l_f)$ 1.300 ${\rm m}$
    重心与后轴距离$(l_r)$ 1.788 ${\rm m}$
    最大转角$(\delta_{\max})$ $\dfrac{\pi}{6}$ ${\rm rad}$
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    表  2  左转弯场景偏差对比

    Table  2  A comparison of the deviation on the left corner

    控制方法 车体平均偏差$({\rm m})$ 车体最大偏差$({\rm m})$
    模型预测控制 0.261 0.509
    后轮控制 0.234 0.646
    前轮控制 0.411 0.673
    预瞄PID法 0.519 0.752
    纯跟踪法 0.471 0.729
    本文方法 0.196 0.418
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    表  3  右转弯场景偏差对比

    Table  3  A comparison of the deviation on the right corner

    控制方法 车体平均偏差$({\rm m})$ 车体最大偏差$({\rm m})$
    模型预测控制 0.456 0.847
    后轮控制 0.461 1.217
    前轮控制 0.748 1.207
    预瞄PID法 0.839 1.252
    纯跟踪法 0.952 1.358
    本文方法 0.361 0.673
    下载: 导出CSV

    表  4  小曲率弯道场景偏差对比

    Table  4  A comparison of the deviation on the small curvature road

    控制方法 车体平均偏差$({\rm m})$ 车体最大偏差$({\rm m})$
    模型预测控制 0.012 0.025
    后轮控制 0.012 0.033
    前轮控制 0.019 0.033
    预瞄PID法 0.033 0.045
    纯跟踪法 0.043 0.057
    本文方法 0.010 0.020
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    表  5  直角弯道场景偏差对比

    Table  5  A comparison of the deviation on the right angle road

    控制方法 车体平均偏差$({\rm m})$ 车体最大偏差$({\rm m})$
    模型预测控制 0.185 0.373
    后轮控制 0.213 0.567
    前轮控制 0.289 0.477
    预瞄PID法 0.624 0.836
    纯跟踪法 0.574 0.786
    本文方法 0.166 0.326
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    表  6  "S"型弯道场景偏差对比

    Table  6  A comparison of the deviation on the "S" curved road

    控制方法 车体平均偏差$({\rm m})$ 车体最大偏差$({\rm m})$
    模型预测控制 0.117 0.236
    后轮控制 0.118 0.322
    前轮控制 0.183 0.317
    预瞄PID法 0.286 0.419
    纯跟踪法 0.353 0.492
    本文方法 0.103 0.200
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-09-20
  • 录用日期:  2018-04-16
  • 刊出日期:  2019-10-20

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