一种自动驾驶车辆的转向控制方法研究

徐纪洋 李晓宇 马飞

摘 要：本研究设计了一种自动驾驶车辆的转向控制方法、装置及系统，方法包括：获取自动驾驶车辆的当前方向、位置及行驶速度;将当前位置及方向与所设定的目标轨迹进行对比，得到横向和航向误差;根据上述两个误差、当前行驶速度及自动驾驶车辆的轴距和前视距离来计算自动驾驶车辆的目标角速率;利用角速率测量元件测量自动驾驶车辆的当前的角速率，根据两个角速率的差值来对自动驾驶车辆进行转向控制。本设计测量角速率的元件可以安装在任何位置，大大减少了测量角速率的元件出现损坏和掉落的几率，从而可以提高自动驾驶车辆转向控制的控制效果。

关键词：自动驾驶;车辆转向;控制

引言

人工智能（Artificial Intelligence，AI），是计算机科学的一个分支，它是根据了解人类的思想，并能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器[1]。随着该技术的发展，人们便把该技术运用于医学[2]、军事[3]、教育[4]、公共治理[5]等方面，近年来汽车上的自动驾驶的控制转向方面也有该技术的应用[6]。

自动驾驶是当代计算机科学、模式识别、控制技术的结合和发展所产生出来的，其通过传感器来获得车辆的周围环境的信息，规划一条安全的道路，进而控制车辆的转向与速度，完成了上述操作，车辆便能够在道路上安全地自主驾驶。

有独立完成转向操作装置的车辆才能有自动驾驶的功能，传统的助力转向系统无法满足自动驾驶的要求，李学鋆等人设计了一种转向系统，改造转向系统不仅可以满足车辆自动驾驶的情况还可以满足驾驶员驾驶的情况，仿真结果表明，该转向系统在足自动驾驶工况下可以保证车辆的稳定性[7]。在拖拉机的自动驾驶方面，为了满足国内大型机具的需求，刘成强实现了拖拉机自动行走、调头、避障等功能，且能满足拖拉机农田作业的需求[8]。朱志强设计一种汽车自动驾驶用转向装置，采用驱动电机连接齿圈组件控制驱动方向盘驱动转向，结果表明，这种装置不影响驾驶员操作，方便设备的标定[9]。

在上述的研究中，进行自动驾驶车辆转向控制时，都是通过测量车轮的绝对或相对角度，并以获取到的车轮角度作比较来进行控制，且常通过如下两种方式测量车轮的角度：一种是在车轮转轴上安装绝对角度传感器，一种是在车轮转轴上安装相对角度传感器。但是，由于路面不平，车辆在行驶过程中经常会遇到颠簸的情况，而这就容易导致测量车轮角度的传感器发生损坏甚至掉落，从而会降低了车辆转向控制的准确性，甚至会无法实现自动驾驶车辆的转向控制。

通过上述背景，本研究设计一种新型的自动驾驶车辆的转向控制方法、装置及系统，来解决上述自动驾驶车辆转向控制的控制效果不佳的问题。

1 设计的基本原理

本设计的基本原理是：

1.1获取自动驾驶车辆的当前方向、位置及行驶速度;

1.2将当前位置及方向与所设定的目标轨迹进行对比，得到横向和航向误差;

1.3根据上述两个误差、当前行驶速度及自动驾驶车辆的轴距和前视距离这五个参数，自动驾驶车辆的目标角速率便可以计算出来;

1.4利用角速率测量元件测量自动驾驶车辆的当前的角速率，根据目标角速率与当前角速率的差值来对自动驾驶车辆进行转向控制。

由上述基本原理可得，利用自动驾驶车辆的角速率来进行转向控制，在上述过程中角速率测量元件可以安装在任何位置，因此，在获取角速率得到数据就不会出现测量元件损坏和掉落等情况，从而可以提高自动驾驶车辆转向控制的控制准确度。

2 转向控制方法

本设计提供了一种自动驾驶车辆的转向控制的流程图，流程图如图1所示。

图1体现出了本设计的自动驾驶车辆的转向控制方法，可以包括：

2.1获取自动驾驶车辆的当前位置、方向和行驶速度三个参数。首先在驾驶之前，可以预先设定好自动驾驶车辆自动驾驶的目标轨迹，通过电机控制方向盘实现对转向的控制，使得自动驾驶车辆能够沿该目标轨迹进行行驶，目标轨迹有着作为参考标准的作用。而且可以预先通过测量获取自动驾驶车辆的轴距和前视距离的参数。在车辆进行自动驾驶过程中，目标角速率的计算是通过获取自动驾驶车辆的位置、方向和当前行驶速度这些当前信息计算得出。其中，为了提高对进行转向控制的控制精度，则可以实时获取上述的当前信息，這样可以实现对自动驾驶车辆实时转向控制。

2.2将当前位置和当前方向与目标轨迹进行对比，得到横向和航向两个误差。在完成步骤（1）之后，可以将所获取到车辆的当前位置、当前方向与目标轨迹进行对比，得到自动驾驶车辆的横向和航向误差。在进行对比时，可以根据自动驾驶车辆沿目标轨迹做与自动驾驶车辆的车身平行的直线，并记为直线a，则横向误差即为直线a与自动驾驶车辆的车身间的距离;同时，在进行对比时，可以根据自动驾驶车辆的当前位置过自动驾驶车辆的目标轨迹做切线，并记为直线b，则航向误差即为直线b与自动驾驶车辆车头的朝向（根据自动驾驶车辆的当前方向进行确定）间所形成的角度。其中，为了提高对转向控制的控制精度，则可以将当前位置及方向与目标轨迹进行实时对比，这样可以实现对自动驾驶车辆实时转向控制。

2.3根据横向和航向两个误差、当前行驶速度及预先获取的轴距和前视距离这五个参数，得到自动驾驶车辆的目标角速率。在执行完步骤（2）之后，可以根据所获取到的横向和航向误差、当前行驶速度及预先获取轴距和前视距离，计算出自动驾驶车辆的目标角速率，即计算出自动驾驶车辆当前应该以什么样的角速率进行行驶才能使得自动驾驶车辆可以沿着目标轨迹进行自动驾驶。其中，为了提高对转向控制的控制精度，实时得到自动驾驶车辆的目标角速率，这样可以实现对自动驾驶车辆实时转向控制。

2.4利用测量角速率的元件测量出自动驾驶车辆的当前角速率，并计算两个角速率的差值。在进行自动驾驶之前，可以把角速率的测量元件预先安装在自动驾驶车辆上，并在进行自动驾驶的过程中，可以预先安装的角速率测量元件获取得到自动驾驶车辆的当前角速率。之后，可以将角速率测量元件所获取的自动驾驶车辆的当前角速率与步骤（3）所获取的自动驾驶车辆的目标角速率相减，得到两个角速率的差值Diff Z（Diff Z=目标角速率-当前角速率）。其中，为了提高对转向控制的控制精度，则可以利用角速率测量元件实时获取自动驾驶车辆的当前角速率，并实时得到目标角速率与当前角速率的差值，这样可以实现对自动驾驶车辆实时转向控制。

2.5根据计算的差值对自动驾驶车辆进行转向控制。在计算得出两个角速率的差值之后，可以根据差值对先安装在自动驾驶车辆的方向盘上的电机进行控制，然后电机控制方向盘，从而实现对自动驾驶车辆的转向控制。其中，为了提高对转向控制的控制精度，则可以根据实时得到的差值对自动驾驶车辆进行转向控制，这样可以实现对自动驾驶车辆实时转向控制。

3 角速率的计算与检测

3.1 角速率的计算

本设计根据横向和航向两个误差、当前行驶速度及预先获取到的自动驾驶车辆的轴距和前视距离这五个参数，得到自动驾驶车辆的目标角速率，角速率的计算如公式（1）和（2）所示。

上面两式中，L为自动驾驶车辆的轴距，λ为自动驾驶车辆车轮的目标角度，ψ为航向误差，d为横向的误差，v为当前行驶速度，F为前视距离，δ为自动驾驶车辆的目标角速率。

首先通过公式（1）得到自动驾驶车辆车轮的目标角度，在通过公式（2）得到自动驾驶车辆的目标角速率。

3.2 角速率的检测

在自动驾驶车辆对应的坐标系（即在车体坐标系）中，可以包含三个轴，一个为沿自动驾驶车辆前进方向的轴，一个为沿自动驾驶车辆侧向（即左侧或右侧）的轴，一个为指向车顶的轴（即指向车顶的轴），这三个轴相互垂直。

本设计所用到的角速率测量元件具体为陀螺仪，且该陀螺仪可以为单轴陀螺仪或多轴陀螺仪，而且陀螺仪中的一个轴被配置为自动驾驶车辆的天向轴，以便于利用该陀螺仪测量自动驾驶车辆的当前角速率。

4 转向控制装置与系统

本设计的转向控制裝置结构示意图如图2（a）所示。

（1）第一获取模块21，通过该模块得到自动驾驶车辆的当前位置、方向和行驶速度三个参数;

（2）对比模块22，通过该模块可以将当前位置及方向与目标轨迹进行对比，进而得到横向和航向误差;

（3）得到目标角速率模块23，通过该模块得到自动驾驶车辆的目标角速率;

（4）第二获取模块24，通过该模块可以用角速率测量元件获取自动驾驶车辆的当前角速率，并计算得到两个角速率的差值;

（5）转向控制模块25，通过该模块根据差值对自动驾驶车辆进行转向控制。

本设计的转向控制装置结构示意图如图2（b）所示。

（1）角速率测量元件33具体为陀螺仪，用于获取自动驾驶车辆的当前角速率;

（2）控制器31可以安装在自动驾驶车辆的内部，以通过自动驾驶车辆对控制器31起到保护的作用，它通过存储的计算机程序，来实现上述任一种自动驾驶车辆的转向控制方法;

（3）电机32，用于根据控制器31的控制对自动驾驶车辆的方向盘进行转向控制。角速率测量元件33，且陀螺仪的一个轴被配置为自动驾驶车辆的天向轴;

（4）安装在自动驾驶车辆上的导航系统34，该系统是北斗导航系统，通过它来获取自动驾驶车辆的当前位置、方向和行驶速度。

5 结语

本文详尽地从转向控制方法、角速率的计算与检测和转向装置与系统三个方面介绍了一种自动驾驶车辆的转向控制方法、装置及系统。此外本设计利用自动驾驶车辆的角速率的差值进行转向控制，在该过程中测量角速率的元件可以安装在任何位置，因此，则可以大大减少了出现损坏和掉落的几率，从而可以提高自动驾驶车辆转向控制的控制效果。

参考文献：

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[8]刘成强， 林连华， 徐海港. 拖拉机自动驾驶及控制技术[J]. 农业工程， 2019， 9（04）：87-91.

[9]朱志强， 柴媛欣， 石晶. 一种汽车自动驾驶用转向装置的研究[J]. 汽车实用技术， 2019（05）：53-54+63.

作者简介：

徐纪洋（1982—），男，工程师，北斗卫星定位导航系统的农业应用开发与研究。

基金项目：上海市科技创新行动计划项目（19511100700）。