路径规划自动驾驶仪制造技术

即使车辆远离期望路径，路径规划自动驾驶仪也可导向车辆。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】即使车辆远离期望路径，路径规划自动驾驶仪也可导向车辆。【专利说明】路径规划自动驾驶仪 相关申请 本申请涉及并要求题目为"路径规划自动驾驶仪"的第13/470, 028号美国申请的 优先权，该美国申请以全文引用的方式并入本文。
本专利技术主要涉及用于车辆的自动控制系统。
技术介绍
与草率的操作相比，根据精确的期望路径来导向农用拖拉机、施工车辆、矿用卡 车、军用坦克或其它大型车辆通常会省时和节能。精确的农用拖拉机控制，例如，整体来说 给农民、消费者和社会带来好处。农民能够更高效地劳动，且在肥料和杀虫剂上花费更少的 钱。消费者享受高质量的低价产品，以及农场和农药的精确使用减少了浪费和过量的污水。 能够高精度、重复导向农用拖拉机、喷洒车、收割机等的自动驾驶仪系统给农场和 农药使用带来好处。例如，农田通常由90英尺宽或甚至更大的水栅喷雾。当使用这么宽的 水栅时，就需要谨慎以使从一个喷雾片到下一个喷雾片重叠几英尺。然而，该重叠可在拖拉 机或喷洒车配备高性能的自动驾驶仪时减小至仅数英寸。由非双喷雾片边缘产生的节约在 大面积农场上迅速增加。 现有的自动驾驶仪系统足以将车辆保持在预定路径上。这些自动驾驶仪是基于反 馈控制技术的以及其可以使大型的农用拖拉机例如遵循航迹误差在一或两英寸内的线。图 1A示出了在反馈控制下遵循路径的车辆；车辆105遵循路径110。当航迹误差XTE小于车 辆轴距b时，该车辆处于小信号机制或"靠近"期望路径。 当车辆远离期望路径时，反馈自动驾驶仪表现不好。出现这样的常见情况包括从 很远的地方加入路径或者在路径的末端调转方向以加入附近的路径。图1B示出了具有可 能的路径125的车辆，该路径125可以由在大信号机制下使用小信号反馈自动驾驶仪引起。 通过反馈自动驾驶仪将车辆115向路径120导向。当航迹误差大于车辆轴距时，该车辆处 于大信号机制或离期望路径"远"。 针对常规的反馈自动驾驶仪，存在小信号机制下的性能和大信号机制下的可接受 行为之间的权衡。例如，在小信号机制下保持小航迹误差的高反馈增益可导致陡峭的接近 期望路径并在加入如图1B所示的路径时发生振荡。常规的自动驾驶仪在遭遇与期望路径 之间的大偏差时，通过调用启发式的限制来避免不良的大信号行为。这些限制意味着大信 号导向并非想象的那样有效。 在以上例子中，轴距作为特征长度尺度的例子用来区分小信号机制和大信号机 制。也可以使用其它特征长度，例如，在特征自动驾驶仪响应时间内移动的距离。通常，小 信号机制是指车辆自动驾驶仪表现为线性的时不变系统的任何情况。另一方面，大信号机 制是指出现非线性行为（例如，转向角限值或转向角变化率限值）的情况。 不管车辆靠近或远离期望路径，都需要能够提供高性能导向的车辆自动驾驶仪。 该自动驾驶仪应该不仅将车辆保持在路径上，而且应该从任何起始点将车辆有效地导向以 加入路径。 【专利附图】【附图说明】 图1A示出了在反馈控制下遵循路径的车辆。 图1B示出了具有可能的路径的车辆，该路径可以由在大信号机制下使用小信号 反馈自动驾驶仪引起。 图2A示出了具有在任意位置（x，y)、航向（Φ)和曲率（Θ)的特征的车辆；以及 用于车辆遵循的期望路径。 图2B示出了遵循规划路径以加入期望路径的车辆。 图3示出了对牵引场地边界内的器械的拖拉机规划的掉头路径。 图4是包含反馈控制器和前馈控制器的路径规划自动驾驶仪的框图。 图5是基于路径规划算法的反馈控制系统的框图。 图6是在反馈模式下的反馈和前馈控制系统的框图。 图7是在结合的反馈和前馈模式下的反馈和前馈控制系统的框图。 图8是受约束的双积分器系统的反馈图。 图9是表示在从受约束的所有可能的航向和曲率的初始条件下转向期间行进的 航迹距离的表面的图。 图10A示出了用于车辆加入直线期望路径的示例路径。 图10B示出了图10A所示的路径中时间与u、Θ和φ的关系。 图11示出了两个示例性加入路径。 图12是在迭代路径规划方法中使用的曲率与时间或距离的关系的第一示意图。 图13是在迭代路径规划方法中使用的曲率与时间或距离的关系的第二示意图。 图14是在迭代路径规划方法中最终航迹误差与迭代次数的关系的示例性示意 图。 图15A至图15D示出了掉头路径。 图16A和图16B示出了速度依赖于曲率限值和曲率变化率限值的示意图。 图17示出了对弯曲的期望路径的接近。 图18A和图18B示出了不一定最佳的加入路径。 【具体实施方式】 简介 以下描述的路径规划自动驾驶仪与常规自动驾驶仪相比提供了更复杂的车辆导 向。图2A示出了在由任意位置（x，y)、航向（Φ)和曲率（Θ)限定的配置下的车辆205 ; 以及用于车辆要遵循的期望路径210。路径规划自动驾驶仪创建了使车辆从任意初始配置 (y，Φ，Θ )移动至期望路径的有效加入路径。初始配置可以靠近或远离期望路径。例如，图 2B示出了遵循规划路径220的车辆215要加入期望路径225。 与常规自动驾驶仪不同，路径规划自动驾驶仪提供对约束（例如最大允许转向角 或最大转向角变化率）的直接控制。这些约束可以是车速的函数。路径规划技术可作为反 馈自动驾驶仪的补充前馈能力来实现或可替代所有反馈。 许多高级策略可应用于路径规划自动驾驶仪。可以以高达指定的最大角例如 α (图2B中虚线230和期望路径225之间的角）加入路径。可以以特定的方向（在掉头中 使用的能力）加入期望路径。图3示出了对在场地边界315内牵引器械310的拖拉机305 所规划的掉头路径。规划路径320被设计成保持器械310与边界之间的距离大于器械宽度 的一半（W)。规划路径320在与拖拉机当前的航向相反的方向上加入期望路径325。 系统概述 路径规划自动驾驶仪计算用于车辆要遵循的有效路径。该自动驾驶仪使用纯反馈 或结合前馈和反馈的控制结构来沿着该路径导向车辆。描述了两种不同的用于计算有效路 径的方法。 说明路径规划自动驾驶仪的用处的典型场景是加入期望路径。例如，在农业上，拖 拉机操作者会希望加入用于种植、喷雾或收割的预定的直线。不要求在任何特定的位置处 加入该直线。反之，操作者会只是想在舒适操作的约束下以最短的时间加入该直线。 将车辆从其初始位置导向到期望直线的加入路径具有连续的曲率，该曲率被限制 为小于最大的曲率限值。这意味着加入路径没有急转弯且考虑了在车辆如何快速改变其曲 率和航向上的实际限制。 对于轮式车辆，曲率由车轮转向角和轴距来确定。路径规划自动驾驶仪可以与具 有两个可转向的车轮和两个或更多个固定的车轮的类似卡车的车辆、中心铰链车辆、履带 式车辆、三轮车等一起使用。一些车辆控制系统接受曲率作为直接输入而不接受转向角作 为直接输入。 在假设车速恒定的情况下计算加入路径。每当速度改变时，可以重新计算加入路 径，或者，不管车速是否改变，周期性地重新计算加入路径。 加入路径被构建成一系列直线段、圆形段和回旋曲线段。回旋曲线用作加入不同 的恒定曲率的段；例如加入直线和圆弧。回旋曲线的曲率随着曲线长度而线性改变。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于将车辆导向到期望路径的方法，包括：创建从初始车辆配置到所述期望路径的加入路径，所述加入路径包括第一最佳转弯；以及，使用自动驾驶仪以沿着所述加入路径引导所述车辆。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·W·皮克，S·普雷尼斯，
申请(专利权)人：天宝导航有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US