无人车的编队保持控制方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及无人车驾驶领域，具体涉及一种无人车的编队保持控制方法及系统，目的在于提供一种基于改进领航‑跟随法的无人车编队保持控制方法，并提高队形保持精度与乘坐舒适度。本发明专利技术提出的无人车的编队保持控制方法，包括：根据无人车编队队形、目标轨迹，规划出领航者下一时刻的行驶轨迹，并计算出跟随者下一时刻需要与领航者保持的目标距离和目标角度；设计改进的领航‑跟随算法，基于无人车运动学模型，根据领航者、跟随者当前的行驶状态参数，计算出跟随者下一时刻所需要的底层控制输入参数；根据所述底层控制输入参数，对跟随者进行底层控制，进而实现编队保持。在保证无人车编队的同时，也实现了安全舒适。

【技术实现步骤摘要】
无人车的编队保持控制方法及系统
本专利技术涉及无人车驾驶领域，具体涉及一种无人车的编队保持控制方法及系统。
技术介绍
机器人编队属于机器人的协同控制研究问题，通过形成特定队形在时间和空间上协作完成复杂的任务，提高了工作效率、各机器人在功能上互补，具有经济可靠、响应快速等优点，并且具有极为重要的现实意义。在危险环境作业、探测、军事、物流、娱乐等领域具有广阔的应用前景。编队保持控制是无人车编队研究中重要的一个方面。无人车是一个非线性系统，关键技术包括环境感知、路径规划、智能决策、车辆的导航定位以及车辆的智能控制，控制系统作为智能车的最底层、最重要的环节，如何实现高精度的横向和纵向控制是无人车研究必须解决的重点问题，受到广大专家学者的重视。车辆控制主要是对转向、油门和制动器的控制。车辆横向动力学始于20世纪50年代，主要对车辆建立车辆动力学模型，并对车辆进行开环控制，研究车辆的时域和频域响应。对于车辆动力学模型，研究学者先后提出车辆“线性二自由度”、“线性三自由度”、“线性四自由度”以及其他自由度的研究。车辆的控制主要分为横向控制和纵向控制，在横向控制中出现许多的理论和方法，包括支持向量机方法、分阶控制方法、传统PID控制方法、智能控制方法包括模糊控制和神经网络控制方法。目前国内在车辆的控制方式上，有基于“预瞄-跟随”的控制模型、跟随车道线的控制、滑模控制规律等一系列控制方法。“领航-跟随”算法多数应用于轮式机器人，还未应用到无人车的编队控制上。而且现有的“领航-跟随”技术未将编队保持方法和底层控制方法结合，如果直接应用到无人车上，无法实现精准保持和安全舒适。专利
技术实现思路
为了解决现有技术中的上述问题，本专利技术提出了一种无人车的编队保持控制方法及系统，实现了无人车编队队形的精准保持与控制。本专利技术的一方面，提出一种无人车的编队保持控制方法，包括：根据无人车编队队形、目标轨迹，规划出领航者下一时刻的行驶轨迹，并计算出跟随者下一时刻需要与领航者保持的目标距离和目标角度；基于无人车运动学模型，根据领航者、跟随者当前的行驶状态参数，计算出跟随者下一时刻所需要的底层控制输入参数；其中，领航者当前的行驶状态参数，包括：领航者的位置坐标、角度、速度、角速度、前轮相对于车体的转向角；跟随者当前的行驶状态参数，包括：位置坐标、角度；所述底层控制输入参数，用于对跟随者进行底层控制，进而实现编队保持；包括：无人车速度、角速度、向心加速度、前轮相对于车体的转向角。优选地，计算所述底层控制输入参数时，采用改进的领航-跟随算法模型：其中：ω1(t)和ω2(t)分别为领航者、跟随者在t时刻的角速度，单位是rad/s；d为无人车前后轮间的距离，单位是m；α和β为闭环控制中的比例系数；ld代表领航者和跟随者质心间需要保持的所述目标距离，单位是m；代表领航者和跟随者的质心连线与领航者行驶方向的夹角需要保持的所述目标角度，单位是rad；l(t)为领航者和跟随者间在t时刻的质心间的距离，单位是m；为领航者和跟随者之间质心连线与领航者行驶方向在t时刻的夹角，单位是rad；vr1(t)、vr2(t)分别为领航者、跟随者的后轮轴中心点在t时刻的速度，单位是m/s；a2(t)为跟随者的加速度，θ2(t)为跟随者前轮相对于车体的转向角；ψ1(t)、ψ2(t)分别表示地面坐标系下领航者、跟随者车体纵向对称轴与X轴在t时刻的夹角，单位是rad。优选地，所述底层控制包括：横向控制和纵向控制；所述横向控制，包括对车辆方向盘转角的控制，从而使车辆沿着期望的路径行驶；所述纵向控制，包括油门控制和制动控制，从而使车辆按照期望的速度行驶。优选地，所述横向控制，基于遗传算法和模糊控制算法；所述横向控制的输入参数包括：前轮相对于车体的转向角、角速度、向心加速度。优选地，所述纵向控制，采用专家PID控制。优选地，所述油门控制的专家规则包括：期望速度输入值Ri、速度误差ei、速度误差变化率Δei对PID控制参数的相应修正系数、以及控制输出值ui的限幅。优选地，所述制动控制的专家规则包括：当v(k)<V1时，车辆需要加速，设置ubrake＝0；当V1<|v(k)|<V2时，车速需要保持，设置ubrake＝0；当v(k)>V2，且Δv(k)≤0时，需要提供较小的制动力，ubrake＝M1；当v(k)>V2，且Δv(k)>0时，需要提供较大的制动力，设置ubrake＝M2；当v(k)>0，且期望车速为0时，尤其是车速较快时，需要紧急停车，设置最大制动力ubrake＝M3；其中，v(k)为车速；Δv(k)为车辆的加速度；ubrake为制动输出量；V1、V2分别为预设的最小和最大期望速度阈值，单位为m/s；M1、M2、M3分别为第一制动力阈值、第二制动力阈值、最大制动力阈值，且M1<M2<M3，单位为N，具体值由车辆实验测试得到。本专利技术的另一方面，提出一种无人车的编队保持控制系统，基于上面所述无人车的编队保持控制方法；包括：上层规划决策子系统、车辆底层控制子系统；所述上层规划决策子系统，配置为：根据无人车编队队形、目标轨迹计算领航者、跟随者下一时刻需要保持的目标距离和目标角度，进而计算出跟随者下一时刻所需要的底层控制输入参数；所述车辆底层控制子系统，配置为：根据所述底层控制输入参数，对跟随者进行底层控制，进而实现编队保持。优选地，所述上层规划决策子系统，包括：目标距离和目标角度计算单元、底层控制输入参数计算单元；所述目标距离和目标角度计算单元：用于根据无人车编队队形、目标轨迹，计算出领航者、跟随者下一时刻需要保持的目标距离和目标角度；所述底层控制输入参数计算单元：用于根据领航者、跟随者当前的行驶状态参数，以及所述目标距离和所述目标角度，基于无人车运动学模型计算出跟随者下一时刻所需要的底层控制输入参数。优选地，所述车辆底层控制子系统，包括：横向控制器、纵向控制器；所述横向控制器，用于车辆方向盘转角的控制，使车辆沿着期望的路径行驶；所述纵向控制器，用于油门控制和制动控制，使车辆按照期望的速度行驶。本专利技术的有益效果：本专利技术中考虑机器人集群任务中常见的无人驾驶汽车编队保持控制方法。针对现有的领航-跟随算法多数应用于轮式机器人，还未应用到无人车的编队控制上。本专利技术结合无人车的特点以及其底层控制输入，设计改进的领航-跟随算法，将其输出的参数设计为无人车底层所需的时间函数，在保证编队的同时，实现无人车乘坐的安全舒适。针对编队保持控制方法，本专利技术针对现有技术未将编队保持方法和底层控制方法结合的问题，将无人车的编队保持和底层控制系统无缝衔接，同时结合无人车特点及领航-跟随算法，将无人车速度、角速度、向心加速度、前轮相对于车体的转向角作为无人车规划决策的输出，同时也是无人车底层控制的输入，从而达到车辆编队队形的精准保持与控制的目标。该研究前沿新颖，多无人车编队在多个领域具有广泛的应用，如军事应用、集成制造、交通运输、协助震后搜索与营救、清除危险区域等，因此多无人车系统协同控制的研究有着极其重要的战略与经济意义。附图说明图1是本专利技术无人车的编队保持控制方法实施例的流程示意图；图2是本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无人车的编队保持控制方法，其特征在于，包括：根据无人车编队队形、目标轨迹，规划出领航者下一时刻的行驶轨迹，并计算出跟随者下一时刻需要与领航者保持的目标距离和目标角度；基于无人车运动学模型，根据领航者、跟随者当前的行驶状态参数，计算出跟随者下一时刻所需要的底层控制输入参数；其中，领航者当前的行驶状态参数，包括：领航者的位置坐标、角度、速度、角速度、前轮相对于车体的转向角；跟随者当前的行驶状态参数，包括：位置坐标、角度；所述底层控制输入参数，用于对跟随者进行底层控制，进而实现编队保持；包括：无人车速度、角速度、向心加速度、前轮相对于车体的转向角。

【技术特征摘要】
1.一种无人车的编队保持控制方法，其特征在于，包括：根据无人车编队队形、目标轨迹，规划出领航者下一时刻的行驶轨迹，并计算出跟随者下一时刻需要与领航者保持的目标距离和目标角度；基于无人车运动学模型，根据领航者、跟随者当前的行驶状态参数，计算出跟随者下一时刻所需要的底层控制输入参数；其中，领航者当前的行驶状态参数，包括：领航者的位置坐标、角度、速度、角速度、前轮相对于车体的转向角；跟随者当前的行驶状态参数，包括：位置坐标、角度；所述底层控制输入参数，用于对跟随者进行底层控制，进而实现编队保持；包括：无人车速度、角速度、向心加速度、前轮相对于车体的转向角。2.根据权利要求1所述的编队保持控制方法，其特征在于，计算所述底层控制输入参数时，采用改进的领航-跟随算法模型：其中，ω1(t)和ω2(t)分别为领航者、跟随者在t时刻的角速度，单位是rad/s；d为无人车前后轮间的距离，单位是m；α和β为闭环控制中的比例系数；ld代表领航者和跟随者质心间需要保持的所述目标距离，单位是m；代表领航者和跟随者的质心连线与领航者行驶方向的夹角需要保持的所述目标角度，单位是rad；l(t)为领航者和跟随者间在t时刻的质心间的距离，单位是m；为领航者和跟随者之间质心连线与领航者行驶方向在t时刻的夹角，单位是rad；vr1(t)、vr2(t)分别为领航者、跟随者的后轮轴中心点在t时刻的速度，单位是m/s；a2(t)为跟随者的加速度，θ2(t)为跟随者前轮相对于车体的转向角；ψ1(t)、ψ2(t)分别表示地面坐标系下领航者、跟随者车体纵向对称轴与X轴在t时刻的夹角，单位是rad。3.根据权利要求2所述的编队保持控制方法，其特征在于，所述底层控制包括：横向控制和纵向控制；所述横向控制，包括对车辆方向盘转角的控制，从而使车辆沿着期望的路径行驶；所述纵向控制，包括油门控制和制动控制，从而使车辆按照期望的速度行驶。4.根据权利要求3所述的编队保持控制方法，其特征在于，所述横向控制，基于遗传算法和模糊控制算法；所述横向控制的输入参数包括：前轮相对于车体的转向角、角速度、向心加速度。5.根据权利要求3所述的编队保持控制方法，其特征在于，所述纵向控制，采用专家PID控制。6.根据权利要求5所...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩双双，王迎春，要婷婷，王飞跃，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11