一种自动驾驶机器人控制系统和方法与流程

1.本发明涉及自动驾驶领域，具体而言，涉及一种自动驾驶机器人控制系统和方法。


背景技术：

2.随着汽车试验要求的不断提高，有些环境我们试驾员无法完成，或者对试驾员来说有一定的危险性，此时自动驾驶机器人应运而生。与试驾员相比较，自动驾驶机器人具有高精准度的控制、重复性好、疲劳耐久性强等优点。
3.但是，现有的自动驾驶机器人仅限于对单一功能的操作的简单控制，无法满足汽车研发、检测机构对多功能的需求。
4.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供了一种自动驾驶机器人控制系统和方法，通过对急停机器人、转向机器人、刹车机器人、油门机器人和换挡机器人的联合控制，实现车辆的横纵向联合控制，能够满足汽车研发、检测机构对多功能的需求。
6.第一方面，本发明实施例提供一种自动驾驶机器人控制方法，应用于配置于车辆上的自动驾驶机器人控制系统，所述系统包括：上位机、感知模块、决策控制器、运动控制器和多个机器人，所述多个机器人包括急停机器人、转向机器人、刹车机器人、油门机器人和换挡机器人；
7.所述方法包括：
8.所述上位机接收用户输入的纵向速度信息和轨迹信息，并传输至决策控制器；
9.所述决策控制器从所述感知模块获取车辆的行驶数据，并根据所述行驶数据、纵向速度信息和轨迹信息向所述运动控制器发送控制指令，所述控制指令包括期望的位置、期望横/纵向速度、期望纵向/转向力矩、期望方向盘角度、期望档位和期望踏板位移；
10.所述运动控制器根据所述控制指令分别控制对应的机器人执行动作。
11.第二方面，本发明实施例还提供一种自动驾驶机器人控制系统，包括：上位机、感知模块、决策控制器、运动控制器和多个机器人，所述多个机器人包括急停机器人、转向机器人、刹车机器人、油门机器人和换挡机器人；
12.所述上位机，用于接收用户输入的纵向速度信息和轨迹信息，并传输至决策控制器；
13.所述决策控制器，用于从所述感知模块获取车辆的行驶数据，并根据所述行驶数据、纵向速度信息和轨迹信息向所述运动控制器发送控制指令，所述控制指令包括期望的位置、期望横/纵向速度、期望纵向/转向力矩、期望方向盘角度、期望档位和期望踏板位移；
14.所述运动控制器，用于根据所述控制指令分别控制对应的机器人执行动作。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
16.本实施例提供了一种新颖的自动驾驶机器人控制系统，能够在人为控制下，结合
车辆行驶数据控制车辆自动驾驶；通过对急停机器人、转向机器人、刹车机器人、油门机器人和换挡机器人的联合控制，实现车辆的横纵向联合控制，能够满足汽车研发、检测机构对多功能的需求。
17.决策控制器和运动控制器实现五环控制，将五环控制用于油门/刹车机器人实现汽车速度横纵向精确控制。
18.油门和刹车机器人的切换控制策略可以实现自动驾驶机器人在加速和减速的快速切换，也能保证加减速的精度。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是本发明实施例提供的一种自动驾驶机器人控制系统的结构示意图；
21.图2是本发明实施例提供的各机器人的结构示意图；
22.图3是本发明实施例提供的一种自动驾驶机器人控制方法的流程图；
23.图4是本发明实施例提供的横向五环控制示意图；
24.图5是本发明实施例提供的纵向五环控制示意图；
25.图6是本发明实施例提供的上位机界面的示意图。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
28.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.图1是本发明实施例提供的一种自动驾驶机器人控制系统的结构示意图，该系统配置于车辆上，包括上位机、感知模块、决策控制器、运动控制器和多个机器人，所述多个机器人包括急停机器人、转向机器人、刹车机器人、油门机器人和换挡机器人。
30.上位机包括与用户的交互界面，与决策控制器连接，用于接收用户输入的期望参
数，包括纵向速度信息和轨迹信息，传输到决策控制器参与决策。
31.感知模块包括激光雷达、视觉传感器和组合定位惯导，用于采集车辆的行驶数据，通过can总线发送至决策控制器。其中，行驶数据包括车辆的当前速度、当前加速度、当前位置、当前方向盘转动角度、档位位置、刹车位置、油门位置和环境感知数据等。
32.决策控制器是自动驾驶机器人的核心，它在人为控制指令下根据行驶数据，速度信息和轨迹信息，生成控制指令发送给运动控制器；控制指令包括期望的位置、期望横/纵向速度、期望纵向/转向力矩、期望档位、期望方向盘角度和期望踏板位移。例如，决策控制器按照用户期望的纵向速度和轨迹，以及当前车辆的行驶信息，结合汽车运动学和动力学模型，计算出期望横/纵向速度、期望纵向/转向力矩、期望档位、期望方向盘角度和和期望油门/刹车踏板的位移。关于汽车运动学和动力学模型的内容参见现有技术，此处不再赘述。
33.示例性的，将期望的轨迹通过坐标转换得到道路曲率，计算出预瞄距离，从而计算出方向盘角度。根据纵向速度与当前速度等参数可以计算出期望纵向加速度，进而得到期望油门/刹车踏板的位移。值得说明的是，如果期望横/纵向速度不为零，则期望档位为前进档；如果期望横/纵向速度为零，且车辆当前横/纵向速度为0，则期望档位为驻车档。
34.运动控制器根据控制指令控制各个机器人，实现车辆的速度控制和方向控制。控制策略包括对车辆速度和方向进行控制，也就是自动驾驶机器人的横向控制和纵向控制。横向控制主要是通过转向机器人控制汽车方向盘，纵向控制主要是通过踏板/油门/换挡机器人控制汽车加减速。常见控制策略包括pid、模糊控制等。
35.图2是本发明实施例提供的各机器人的结构示意图。
36.具体的，所述急停机器人包括：机器人本体、急停电机、驱动器和急停按钮；急停机器人设置在刹车机器人踏板上，用于在驾驶机器人出问题后，通过人为按下急停按钮从而紧急停止车辆。
37.所述转向机器人包括：机器人本体、转向电机、转向驱动器、绝对编码器、角度传感器和力矩传感器。转向机器人设置在方向盘上，用于在运动控制器的控制下操控方向盘动作。
38.所述刹车机器人包括机器人本体、刹车电机、驱动器、绝对编码器、力矩传感器和位移传感器。刹车机器人设置在刹车踏板上，用于在运动控制器的控制下踩踏刹车踏板。
39.所述油门机器人包括机器人本体、刹车电机、驱动器、绝对编码器、力矩传感器和位移传感器。油门机器人设置在油门踏板上，用于在运动控制器的控制下踩踏油门踏板。
40.所述换挡机器人为3个自由度机械手，包括机器人本体、3个电机、3个驱动器、3个绝对编码器、力矩传感器和限位开关。换挡机器人设置在档把上，用于在运动控制的控制下操控档把实现档位的切换。
41.上述各机器人作为自动驾驶机器人控制系统的执行机构，通过转向、油门/刹车和档位的力矩传感器、位移传感器、电机绝对编码器等，实现对机构的精确控制。绝对式编码器具有抗干扰性强，并在掉电之后，编码器的位置不会改变的特性。通过绝对式编码器可以记住当前位置，计算数据较为准确。
42.本实施例提供了一种新颖的自动驾驶机器人控制系统，能够在人为控制下，结合车辆行驶数据控制车辆自动驾驶；通过对急停机器人、转向机器人、刹车机器人、油门机器
人和换挡机器人的联合控制，实现车辆的横纵向联合控制，能够满足汽车研发、检测机构对多功能的需求。
43.参见图1，该系统还包括与运动控制器连接的示教器，示教器通过向运动控制器传输指令，以通过运动控制器对所述急停机器人、转向机器人、刹车机器人、油门机器人和换挡机器人进行示教和零点标定。
44.其中，示教是进行驾驶机器人的手动操作、参数配置和监控的手持装置；示教是通过示教器对所述驾驶机器人进行手动控制、监控。
45.零点标定是指，当各机器人的输入指令为0时，各机器人回到零点位置。例如，当转向机器人的输入转向角为0时，控制方向盘回正；刹车机器人输入值为0时，刹车全部弹起，没有刹车力。
46.图3是本发明实施例提供的一种自动驾驶机器人控制方法的流程图，应用于配置于车辆上的自动驾驶机器人控制系统。该方法包括以下操作：
47.s310、上位机接收用户输入的纵向速度信息和轨迹信息，并传输至决策控制器。
48.s320、决策控制器从所述感知模块获取车辆的行驶数据，并根据所述行驶数据、纵向速度信息和轨迹信息向所述运动控制器发送控制指令，所述控制指令包括期望的位置、期望横/纵向速度、期望纵向/转向力矩、期望档位、期望方向盘角度和期望踏板位移。
49.s330、运动控制器根据所述控制指令分别控制对应的机器人执行动作。
50.在一可选实施方式中，运动控制器检测车辆的位置、横向速度、转向电机位置、转向力矩和方向盘角度；运动控制器根据期望的位置、期望横向速度、转向机器人中转向电机的绝对编码器数值、期望转向力矩、期望方向盘角度对所述转向机器人进行五环控制。
51.参见图4，组合惯导将车辆的位置信息即车辆当前大地坐标经纬度反馈给决策控制器，决策控制器根据期望的位置调整转向机器人，完成转向机器人第一环横向位置控制环。
52.决策控制器根据第一环横向控制信息决策出期望横向速度与组合惯导的反馈的横向速度对比分析，实时调整转向机器人，完成转向机器人第二环的速度环。
53.第二环的速度控制通过控制转向电机转动，得出绝对编码器数值(表征了当前电机位置)，转向电机的绝对编码器将当前电机位置发给转向驱动器，转向驱动器反馈给运动控制器，完成转向机器人第三环的转向电机位置环。
54.转向机器人的力矩传感器将当前转向力矩反馈给运动控制器，运动控制器将决策控制器给出的期望横向力矩和第三环的方向盘信息和与反馈力矩数据对比分析，实时调整转向机器人，完成转向机器人第四环的力矩环。
55.转向机器人的角度传感器将当前的方向盘角度反馈给运动控制器，运动控制器将第四环力矩数据与转向电机额定力矩对比，将决策控制器给出与期望方向盘角度数据和与反馈角度数据对比分析，实时调整转向机器人，完成转向机器人第五环的角度环。
56.本实施例中，转向机器人通过决策控制器和运动控制器实现五环控制，将五环控制理论用于转向机器人、实现汽车转向精确控制。
57.在另一可选实施方式中，所述运动控制器检测车辆的位置、纵向速度、转向电机位置、纵向力矩和踏板位移；所述运动控制器根据期望的位置、期望纵向速度、油门机器人和刹车机器人中转向电机的绝对编码器数值、期望纵向力矩、期望踏板位移对所述油门机器
人和刹车机器人进行五环控制。油门机器人和刹车机器人统称为踏板机器人。
58.参见图5，组合惯导将车辆的位置信息即车辆当前大地坐标经纬度反馈给决策控制器，决策控制器根据期望的位置调整油门/刹车机器人，完成油门/刹车机器人第一环纵向位置控制环。
59.决策控制器根据第一环横向控制信息决策出期望纵向速度与反馈的纵向速度对比分析，实时调整油门/刹车机器人，完成油门机器人和刹车机器人第二环的速度环。示例性的，如果期望纵向速度大于反馈的纵向速度，则控制油门机器人增大踏板位移，或者控制刹车机器人减小踏板位移；如果期望纵向速度小于反馈的纵向速度，则控制刹车机器人增加踏板位移。
60.第二环速度控制完成踏板电机转动，得出绝对编码器数据，将踏板电机的绝对编码器(即当前电机位置)发给踏板驱动器，踏板驱动器反馈给运动控制器，完成油门/刹车机器人第三环的转向电机位置环。
61.油门/刹车机器人的力矩传感器将当前纵向力矩反馈给运动控制器，运动控制器将决策控制器给出的力矩数据(期望纵向力矩)与反馈力矩数据对比分析，同时根据第三环的踏板位置，实时调整油门/刹车机器人，完成油门机器人和刹车机器人第四环的力矩环。
62.油门/刹车机器人的位移传感器将当前油门/刹车踏板位移反馈给运动控制器，运动控制器将第四环力矩数据和决策控制器给出的期望踏板位移与反馈位移数据对比分析，实时调整油门/刹车机器人，完成油门机器人和刹车机器人第五环的位移环。
63.在上述五环控制中，要考虑控制踏板机器人是刹车机器人还是油门机器人，刹车机器人和油门机器人切换策略如下：
64.如果(s
‑
s1)>0且(u2‑
u12)>0且根据期望纵向力矩、期望踏板位移对所述油门机器人进行五环控制，油门机器人控制下的车辆加速度为
[0065][0066]
油门控制比例c1，即油门机器人控制踏板的位移相对于总位移的比例，通过油门控制比例可以得到油门踏板的位置，进而继续通过控制油门机器人实现力矩环和位移环的控制。
[0067]
c1＝k4a k5(k4a
‑
θ) k6(k4a
‑
θ)2[0068]
如果(s
‑
s1)>0且(u2‑
u12)<0且运动控制器根据期望纵向力矩、期望踏板位移对所述刹车机器人进行五环控制；刹车机器人控制下的车辆减速度为：
[0069][0070]
刹车控制比例c2，即刹车机器人控制踏板的位移相对于总位移的比例，通过刹车控制比例可以得到刹车踏板的位置，进而继续通过控制刹车机器人实现力矩环和位移环的控制。
[0071]
c2＝k7a k8(k7a
‑
θ) k9(k7a
‑
θ)2[0072]
其中，m为决策周期数，其值≥3；s为期望位置，s1为踏板机器人控制第一环中惯导反馈的车辆的位置；a1为油门机器人控制下的车辆加速度，a2为刹车机器人控制下的车辆减速度，c1为油门控制比例，c2为刹车控制比例；u为期望的纵向速度，u1为踏板机器人控制第二环的纵向速度；k0、k1、k2、k3为加速度/减速度的控制参数，一般是经验值，例如分别为0.1、0.1、0.01、0.001；k4、k5和k6为油门踏板机器人调节参数，根据不同车辆调节经验值，例如分别为6、4、2；k7、k8和k9为为刹车踏板机器人调节参数，根据不同车辆调节经验值，例如分别为10、5、3；θ为踏板机器人控制第四环的绝对编码器电机数值。
[0073]
通过该策略可以快速切换控制刹车机器人和油门机器人，实现对车辆加速或减速控制。
[0074]
本实施例中，油门/刹车机器人通过决策控制器和运动控制器实现五环控制，将五环控制理论用于油门/刹车机器人实现汽车速度纵向精确控制。
[0075]
需要说明的是，在按照图4和图5对车辆进行纵向控制时，尤其是调节纵向力矩时，根据当前档位确定是否需要调节档位，例如需要升档或降档，不同档位施加的纵向力矩不同。如果需要调节档位，则运动控制器根据决策控制器给出的期望档位对换挡机器人进行控制。
[0076]
可选的，图6是本发明实施例提供的上位机界面的示意图。上位机接收用户输入的纵向速度信息和轨迹信息之前，还包括：所述上位机接收设置参数，并将所述设置参数传输至所述决策控制器；所述设置参数包括车辆最大速度、最小速度、最大加速度、最大转向角度、转向速度、最大踩刹车速度、最大刹车踏板位移、最大踩油门速度和最大油门踏板位移以及多自由度机械档位移动位置。
[0077]
所述决策控制器从所述感知模块获取车辆的行驶数据，并根据所述行驶数据、纵向速度信息和轨迹信息向所述运动控制器发送控制指令，包括：决策控制器从所述上位机接收所述设置参数，从所述感知模块获取车辆的行驶数据，并根据所述设置参数、行驶数据、纵向速度信息和轨迹信息向所述运动控制器发送控制指令。
[0078]
具体的，通过操作人机交互界面可以操作各种试验方案，以实现自动驾驶和驾驶机器人测试。用户可以基于试验要求输入对应的设置参数。决策控制器以设置参数作为极值(超过设置参数的取设置参数)，向运动控制器输出对应的指令。
[0079]
在一具体实施方式中，用户在上位机的人机交互界面点击启动后，决策控制器根据上位机模块设置试验要求、环境感知模块，规划出最优地图路线，决策出转向、刹车、油门和档位输出量发给运动控制器，运动控制器直接控制急停机器人、转向机器人、油门/刹车机器人和换挡机器人运动，从而控制汽车完成试验。
[0080]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案。