無(wú)人駕駛汽車的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

無(wú)人駕駛汽車運(yùn)動(dòng)控制分為縱向控制和橫向控制?？v向控制是指通過(guò)對(duì)油門(mén)和制動(dòng)的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)期望車速的精確跟隨。橫向控制實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛汽車的路徑跟蹤。其目的是在保證車輛操縱穩(wěn)定性的前提下，不僅使車輛精確跟蹤期望道路，同時(shí)使車輛具有良好的動(dòng)力性和乘坐舒適性。在無(wú)人駕駛汽車的行駛過(guò)程中，車輛的橫向運(yùn)動(dòng)和縱向運(yùn)動(dòng)存在耦合關(guān)系。通常將縱向運(yùn)動(dòng)和橫向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行講解，設(shè)計(jì)兩個(gè)獨(dú)立互補(bǔ)關(guān)系的控制器，對(duì)其分別進(jìn)行控制。

首先介紹無(wú)人駕駛汽車的縱向控制，包括對(duì)油門(mén)和制動(dòng)的控制，以及對(duì)油門(mén)和制動(dòng)控制的切換規(guī)則。在橫向控制的過(guò)程中，通常需要考慮車輛縱向速度、道路曲率以及未知干擾等諸多因素的影響。其次介紹考慮車輛縱向速度的橫向控制，通過(guò)航向預(yù)估竹法解決無(wú)人駕駛汽車在縱向速度發(fā)生變化時(shí)的橫向穩(wěn)定性較差的問(wèn)題，提高無(wú)人駕駛汽車對(duì)縱向速度的自適應(yīng)能力。

再次介紹考慮已知道路曲率和未知環(huán)境干擾時(shí)的橫向控制，通過(guò)滑模變結(jié)構(gòu)控制理論建立自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，采用前饋控制解決道路曲率對(duì)橫向控制的影響，進(jìn)一步添加反饋控制解決橫向控制過(guò)程中由于未知干擾造成的航向偏差。最后介紹考慮環(huán)境信息與車輛約束的無(wú)人駕駛汽車路徑跟蹤。

本節(jié)首先介紹縱向速度控制模型。然后，分別介紹無(wú)人駕駛汽車的油門(mén)控制以及基于模糊分檔的制動(dòng)控制。最后，闡述具體的切換規(guī)則，協(xié)調(diào)油門(mén)控制與制動(dòng)控制。無(wú)人駕駛汽車采用油門(mén)和制動(dòng)綜合控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)定速度的跟蹤。根據(jù)預(yù)定速度和無(wú)人駕駛汽車實(shí)測(cè)速度的偏差，油門(mén)控制器和制動(dòng)控制器根據(jù)各自的算法分別得到油門(mén)控制量和制動(dòng)控制量。切換規(guī)則根據(jù)油門(mén)控制量、速度控制量和速度偏差選擇油門(mén)控制還是制動(dòng)控制:，未選擇的控制系統(tǒng)回到初始位置，如按切換規(guī)則選擇了油門(mén)控制，則制動(dòng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)將回到零初始位置。

7M油門(mén)控制增量PID控制算法在油門(mén)控制中，采用增量PID控制算法。增量PID算法為：Au-u,(k)-ut(k-l)=kp[e(k)-e(/c-l)]+/c,e(A:)+kd[e(k)-2e(k-l)+e(k-2)](7-1)其中，分別為比例、積分和微分系數(shù)；u,(A)表示第一=0,1，2,…）個(gè)采樣時(shí)刻的控制量；e(幻表示第A個(gè)采樣時(shí)刻的速度輸入偏差。從式（7-1)得到控制量后，根據(jù)傳動(dòng)比、伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈所需的驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)確定一個(gè)比例系數(shù)將控制量乘上該系數(shù)發(fā)送給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。坡道速度跟蹤油門(mén)控制的純延遲較小，在算法中可以不考慮。

利用這種固定系數(shù)的P1D控制方法，對(duì)平坦路面的速度跟蹤性能是可以達(dá)到要求的，但當(dāng)?shù)缆非闆r變化時(shí)，跟蹤效果誤差較大。如上坡時(shí)，速度明顯低于期望速度，需要較長(zhǎng)時(shí)間才能調(diào)整到期望速度，且穩(wěn)態(tài)誤差較大；而下坡時(shí)，速度高于期望速度。無(wú)人駕駛汽車在坡道上時(shí)由重力產(chǎn)生的加速度為：=土gsina,—! (7-2)下坡時(shí)受到與前進(jìn)方向相同的力，符號(hào)為正；上坡受到與前進(jìn)方向相反的力，符號(hào)為負(fù)。無(wú)人駕駛汽車行駛過(guò)程中，坡道傾斜角可以用無(wú)人駕駛汽車俯、仰角代替。

再用期望速度減去該速度增量，得到新的速度偏差:e=Vj-Avslope-vt (1-4)這實(shí)質(zhì)上是改變了無(wú)人駕駛汽車在坡道上的期望速度。人工駕駛車輛進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，往往踩住制動(dòng)踏板至一定行程并保持一段時(shí)間，估計(jì)車輛可在要求的距離內(nèi)達(dá)到需要的速度，就松開(kāi)制動(dòng)踏板。如果沒(méi)有達(dá)到需要的速度，還可重新踩下制動(dòng)踏板。若不是緊急制動(dòng)，司機(jī)一般會(huì)根據(jù)當(dāng)前車輛速度與減速距離判斷制動(dòng)踏板的行程。減速過(guò)程中車輛行駛一般相當(dāng)平穩(wěn)，即制動(dòng)踏板不會(huì)頻繁抖動(dòng)；但在pn)算法作為制動(dòng)控制器時(shí)，制動(dòng)時(shí)制動(dòng)踏板出現(xiàn)抖動(dòng)。