车辆自动驾驶的转向角度控制方法和系统与流程

1.本发明涉及自动驾驶技术领域，尤其涉及一种车辆自动驾驶的转向角度控制方法和系统。


背景技术：

2.在l3自动驾驶开发中(l3有条件自治网络，在l2的能力基础上，系统可以实时感知环境变化，在特定领域内基于外部环境动态优化调整，实现基于意图的闭环管理)，转向系统承担着横向执行器任务的关键作用。
3.目前车辆所实用的转向系统中，其角度控制方案虽然可以达到角度控制的目的，但是在换向时，总是会出现明显的换向滞后现象，导致实际的控制无法快速响应上层控制器的角度请求需求。
4.同时目前的转向器基本都是采用国外供应商的软件技术，该部分属于黑盒子，详细的控制算法不可知，参数的调整十分困难，软件释放周期长，成本高，很多无法满足国内对于软件的适应性需求，另外，搭载到车辆的冗余系统上时，角度控制响应慢，稳态误差较大，因此，亟需一种车辆自动驾驶的转向角度控制方法和系统来实现车辆横向控制的精准及稳定。


技术实现要素：

5.本发明提供一种车辆自动驾驶的转向角度控制方法和系统，用以解决现有技术中的换向器存在明显的换向滞后问题，实现车辆横向控制的精准及稳定。
6.本发明提供一种车辆自动驾驶的转向角度控制方法，包括：
7.基于车辆控制器发出的请求转向角度和车辆当前角度之间的角度偏差，经角度pid控制闭环计算得出目标转速；
8.基于所述目标转速和车辆转向系统的电机当前转速之间的转速偏差，经转速pid控制闭环计算得出第一扭矩值；
9.利用前馈控制模块将所述目标转速与电机的当前状态相对比，计算得出第二扭矩值；
10.基于所述第一扭矩值和第二扭矩值的和，经滤波计算得出第三扭矩值；
11.所述第一扭矩值、第二扭矩值和第三扭矩值求和后得到输出扭矩值，所述车辆转向系统的电机基于所述输出扭矩值操控车辆转向。
12.根据本发明提供一种的车辆自动驾驶的转向角度控制方法，所述经角度pid控制闭环计算得出目标转速的步骤，具体包括：
13.角度控制比例环节，根据所述请求转向角度和车辆当前角度之间的角度偏差，通过查表对应出角度控制比例增益大小，所述角度控制比例增益大小乘以角度控制比例增益系数，同时结合所述请求转向角度和车辆当前角度之间的角度偏差方向，以输出角度控制比例环节的转速；
14.角度控制积分环节，根据所述请求转向角度和车辆当前角度之间的角度偏差，乘以角度控制积分增益系数后通过角度控制积分器进行积分运算后输出角度控制积分环节的转速；
15.角度控制微分环节，根据所述请求转向角度和车辆当前角度之间的角度偏差，利用角度控制微分器进行微分计算后，再经由均值滤波后乘以角度控制微分增益系数后得出角度控制微分环节的转速；
16.所述角度控制比例环节的转速、角度控制积分环节的转速以及角度控制微分环节的转速之和为所述目标转速。
17.根据本发明提供的一种车辆自动驾驶的转向角度控制方法，所述角度控制比例环节中，所述请求转向角度和车辆当前角度之间的角度偏差值经由绝对值计算后再查表。
18.根据本发明提供的一种车辆自动驾驶的转向角度控制方法，所述经转速pid控制闭环计算得出第一扭矩值的步骤，具体包括：
19.转速控制积分环节，根据所述目标转速和车辆转向系统的电机当前转速之间的转速偏差，乘以转速控制比例增益系数，以输出转速控制比例环节的扭矩值；
20.转速控制积分环节，根据所述目标转速和车辆转向系统的电机当前转速之间的转速偏差，乘以转速控制积分增益系数后通过转速控制积分器进行积分运算后输出转速控制积分环节的扭矩值；
21.转速控制微分环节，根据所述目标转速和车辆转向系统的电机当前转速之间的转速偏差，利用转速控制微分器进行微分计算后，再经由均值滤波后乘以转速控制微分增益系数后得出转速控制微分环节的扭矩值；
22.所述转速控制比例环节的扭矩值、转速控制积分环节的扭矩值以及转速控制微分环节的扭矩值之和为所述第一扭矩值。
23.根据本发明提供的一种车辆自动驾驶的转向角度控制方法，所述利用前馈控制模块将所述目标转速与车辆转向系统的电机的当前状态相对比，计算得出第二扭矩值的步骤，具体包括：
24.若所述电机未转动，根据所述目标转速经由第一滤波器计算后乘以前馈系数得到所述第二扭矩；
25.若所述电机正在转动，根据所述电机转速和目标转速的大小利用查表的方式得到所述第二扭矩。
26.根据本发明提供的一种车辆自动驾驶的转向角度控制方法，所述目标转速的信号经过输出过大限制和变化率过大限制后再经转速pid控制闭环计算得出第一扭矩值。
27.本发明还提供一种车辆自动驾驶的转向角度控制系统，包括：
28.角度环控制模块，与车辆控制器信号连接，用于根据车辆控制器发出的请求转向角度和车辆当前角度之间的角度偏差，经角度pid控制闭环计算得出目标转速；
29.转速环控制模块，与所述角度环控制模块和车辆转向系统信号连接，用于根据所述目标转速和车辆转向系统的电机当前转速之间的转速偏差，经转速pid控制闭环计算得出第一扭矩值；
30.前馈控制模块，与所述角度环控制模块和车辆转向系统信号连接，用于将所述目标转速与电机的当前状态相对比，计算得出第二扭矩值；
31.第二滤波器，与所述转速环控制模块和前馈控制模块信号连接，用于根据所述第一扭矩值和第二扭矩值的和计算得出第三扭矩值；以及
32.求和器，与所述转速环控制模块、前馈控制模块以及第二滤波器信号连接，用于根据所述第一扭矩值、第二扭矩值和第三扭矩值求和得出电机的输出扭矩值。
33.本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一项的车辆自动驾驶的转向角度控制方法的步骤。
34.本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项的车辆自动驾驶的转向角度控制方法的步骤。
35.本发明还提供一种计算机程序产品，当所述计算机程序产品在电子设备上运行时，实现如上述任一项的车辆自动驾驶的转向角度控制方法的步骤。
36.本发明实施例提供的车辆自动驾驶的转向角度控制方法和系统，通过角度和角速度的两级pid控制结合前馈控制模块进行前馈补偿，同时借助滤波计算进行辅助配合，使角度控制换向过程中响应滞后和高频请求时响应差的问题得以解决，使角度控制响应平顺、无毛刺、无凸台，具备稳定性强、响应准确、控制精度高和实际鲁棒性好的优点。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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。
38.图1是本发明提供的车辆自动驾驶的转向角度控制方法的流程示意图；
39.图2是本发明提供的车辆自动驾驶的转向角度控制系统的控制框图之一；
40.图3是本发明提供的车辆自动驾驶的转向角度控制系统的控制框图之二；
41.图4是本发明提供的车辆自动驾驶的转向角度控制系统中的前馈控制模块的控制框图；
42.图5是现有技术中的车辆自动驾驶的转向角度控制系统的时间-角度曲线图；
43.图6是本发明提供的车辆自动驾驶的转向角度控制系统的时间-角度曲线图。
具体实施方式
44.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
45.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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实施例和简化描述，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实施例的限制。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。
46.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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。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实施例中的具体含义。
47.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
48.下面结合图1-图6描述本发明的车辆自动驾驶的转向角度控制方法，包括：
49.步骤100、基于车辆控制器发出的请求转向角度和车辆当前角度之间的角度偏差，经角度pid(proportion-integral-differential，比例-积分-微分)控制闭环计算得出目标转速；
50.步骤200、基于目标转速和车辆转向系统的电机当前转速之间的转速偏差，经转速pid控制闭环计算得出第一扭矩值；
51.步骤300、利用前馈控制模块将目标转速与电机的当前状态相对比，计算得出第二扭矩值；
52.步骤400、基于第一扭矩值和第二扭矩值的和，经滤波计算得出第三扭矩值；
53.第一扭矩值、第二扭矩值和第三扭矩值求和后得到输出扭矩值，车辆转向系统的电机基于输出扭矩值操控车辆转向。
54.其中，转速为车辆转向系统的电机输出轴的角速度。
55.利用角度pid控制闭环和转速pid控制闭环形成输出扭矩的反馈环节，从而输出第一扭矩(反馈扭矩)，利用前馈控制模块形成输出扭矩的前馈环节，从而输出第二扭矩(前馈扭矩)，利用滤波计算形成输出扭矩的计算环节，从而输出第三扭矩(目标扭矩)，以反馈扭矩、前馈扭矩和目标扭矩之和来形成车辆转向系统的电机的输出扭矩，该输出扭矩值给到电机端后通过硬件电路转换为电机电流，从而使电机产生对应的输出扭矩，以实现精准的响应。
56.通过角度和角速度的两级pid控制结合前馈控制模块进行前馈补偿，同时借助滤波计算进行辅助配合，使角度控制换向过程中响应滞后和高频请求时响应差的问题得以解决，对比附图5和附图6可知，相对于现有技术，本方案的角度控制响应平顺、无毛刺、无凸台，具备稳定性强、响应准确、控制精度高和实际鲁棒性好的优点，有效地满足了车辆冗余转向系统的性能要求。
57.其中，滤波计算过程采用一第二滤波器进行实现，第二滤波器可以是高通滤波器，第二滤波器的gain值(增益值)可以选择为0.9，第二滤波器一方面可以计算出第三扭矩值，另一方面还能加快响应速度，当然，如果需要响应更加迅速，使系统对高频的输入更加敏感，可以适当增加第二滤波器的gain值来实现。
58.根据上述实施例，在本实施例中：
59.经角度pid控制闭环计算得出目标转速的步骤，具体包括：
60.角度控制比例环节，根据请求转向角度和车辆当前角度之间的角度偏差，通过查表对应出角度控制比例增益大小，角度控制比例增益大小乘以角度控制比例增益系数，同时结合请求转向角度和车辆当前角度之间的角度偏差方向，以输出角度控制比例环节的转速；
61.角度控制积分环节，根据请求转向角度和车辆当前角度之间的角度偏差，乘以角度控制积分增益系数后通过角度控制积分器进行积分运算后输出角度控制积分环节的转速；
62.角度控制微分环节，根据请求转向角度和车辆当前角度之间的角度偏差，利用角度控制微分器进行微分计算后，再经由均值滤波后乘以角度控制微分增益系数后得出角度控制微分环节的转速；
63.角度控制比例环节的转速、角度控制积分环节的转速以及角度控制微分环节的转速之和为目标转速。
64.基于所要转向的请求角度和车辆当前角度产生的偏差error，经过角度pid控制闭环，在p环节(比例环节)针对不同角度差的大小，通过查表的方式对应出不同的gain值，根据角度控制积分增益系数来输出不同比例的目标转速，其中查表为本领域的经验表，此处不做赘述，由于表中角度偏差无正负，遂在查表过程中角度偏差先取绝对值计算后再进行查表，然后将查表所获得的结果与角度偏差方向相结合，再输出角度控制比例环节的转速。i环节(积分环节)根据角度偏差和角度控制积分增益系数计算出转速，用于在控制过程中能够维持目标转速的稳态误差。d环节(微分环节)根据角度偏差和角度控制微分增益系数计算出转速，用于避免产生震荡。
65.其中，上述均值滤波可以采用第一均值滤波器完成，第一均值滤波器的系数可以是5，也就是采取5次的值求取平均值后再进行数据信号的下行。
66.其中，角度控制比例增益系数为0.85，角度控制积分增益系数为0.8，角度控制微分增益系数为0.3，当然，根据不同的车辆平台，也可以调试不同的系数，以使比例增益系数更适合车辆，确保车辆转向精准。
67.经过角度pid控制闭环输出的目标转速将成为转速pid控制闭环中的给定量。
68.根据上述任一实施例，在本实施例中：
69.经角度pid控制闭环计算得出目标转速的步骤，具体包括：
70.转速控制积分环节，根据目标转速和车辆转向系统的电机当前转速之间的转速偏差，乘以转速控制比例增益系数，以输出转速控制比例环节的扭矩值；
71.转速控制积分环节，根据目标转速和车辆转向系统的电机当前转速之间的转速偏差，乘以转速控制积分增益系数后通过转速控制积分器进行积分运算后输出转速控制积分环节的扭矩值；
72.转速控制微分环节，根据目标转速和车辆转向系统的电机当前转速之间的转速偏差，利用转速控制微分器进行微分计算后，再经由均值滤波后乘以转速控制微分增益系数后得出转速控制微分环节的扭矩值；
73.转速控制比例环节的扭矩值、转速控制积分环节的扭矩值以及转速控制微分环节的扭矩值之和为第一扭矩值。
74.基于目标转速和车辆转向系统的电机当前转速产生的，偏差error，经过转速pid
控制闭环，在p环节能快速追赶目标转速，在i环节可以进行稳态目标转速的收敛，在d环节可以减小系统在追赶目标转速时产生的震荡。
75.其中，上述均值滤波可以采用第二均值滤波器，第二均值滤波器的系数可以是5，也就是采取5次的值求取平均值后再进行数据信号的下行。
76.其中，转速控制比例增益系数为0.04，转速控制积分增益系数为0.04，转速控制微分增益系数为0，当然，根据不同的车辆平台，也可以调试不同的系数，以使比例增益系数更适合车辆，确保车辆转向精准。
77.根据上述任一实施例，在本实施例中：
78.利用前馈控制模块将目标转速与车辆转向系统的电机的当前状态相对比，计算得出第二扭矩值的步骤，具体包括：
79.若电机未转动，根据目标转速经由第一滤波器计算后乘以前馈系数得到第二扭矩；
80.若电机正在转动，根据电机转速和目标转速的大小利用查表的方式得到第二扭矩。
81.前馈控制模块能起到非常强的补充作用，而在电机进行转动时，电机的摩擦扭矩特性为静摩擦大(启动扭矩大)，动摩擦扭矩随着转速增加而变大，因此，基于车辆转向系统的电机的当前状态，也就是基于当前电机是否正在转动来给电机的扭矩进行前馈补偿。如果当前存在目标转速，而此时电机没有转动，其中第一滤波器为一阶低通滤波器，根据目标转速经由一阶低通滤波器计算后乘以前馈系数得出第二扭矩值，前馈系数可以是0.1；如果当前存在目标转速，而此时电机正在转动，根据电机转速和目标转速的大小利用查表的方式得到第二扭矩，查表为本领域的经验表此处不过多赘述；如果不存在目标转速，则不论电机是否正在转动，都不进行摩擦扭矩的补偿，以避免引起系统输出过大而引起震荡。
82.目标转速的信号经过输出过大限制和变化率过大限制后再经转速pid控制闭环计算得出第一扭矩值，从而防止请求的防止输出过大和变化率(斜率)过快。
83.下面对本发明提供的车辆自动驾驶的转向角度控制系统进行描述，下文描述的车辆自动驾驶的转向角度控制系统与上文描述的车辆自动驾驶的转向角度控制方法可相互对应参照。
84.请参见附图2-4，根据上述任一实施例，在本实施例中：
85.车辆自动驾驶的转向角度控制系统包括：
86.角度环控制模块，与车辆控制器信号连接，用于根据车辆控制器发出的请求转向角度和车辆当前角度之间的角度偏差，经角度pid控制闭环计算得出目标转速；
87.转速环控制模块，与角度环控制模块和车辆转向系统信号连接，用于根据目标转速和车辆转向系统的电机当前转速之间的转速偏差，经转速pid控制闭环计算得出第一扭矩值；
88.前馈控制模块，与角度环控制模块和车辆转向系统信号连接，用于将目标转速与电机的当前状态相对比，计算得出第二扭矩值；
89.第二滤波器，与转速环控制模块和前馈控制模块信号连接，用于根据第一扭矩值和第二扭矩值的和计算得出第三扭矩值；以及
90.求和器，与转速环控制模块、前馈控制模块以及第二滤波器信号连接，用于根据第
一扭矩值、第二扭矩值和第三扭矩值求和得出电机的输出扭矩值。
91.利用角度环控制模块形成角度pid控制闭环，利用转速环控制模块形成转速pid控制闭环，从而通过角度pid控制闭环和转速pid控制闭环形成输出扭矩的反馈环节，以输出第一扭矩，再通过前馈控制模块形成输出扭矩的前馈环节，从而输出第二扭矩，利用第二滤波器形成输出扭矩的计算环节，从而输出第三扭矩，在通过求和器将第一扭矩值、第二扭矩值和第三扭矩值相加，以得到车辆转向系统的电机的输出扭矩值，该输出扭矩值给到电机端后通过硬件电路转换为电机电流，从而使电机产生对应的输出扭矩，以实现精准的响应。
92.通过角度和角速度的两级pid控制结合前馈控制模块进行前馈补偿，同时借助第二滤波器进行辅助配合，使角度控制换向过程中响应滞后和高频请求时响应差的问题得以解决，使角度控制响应平顺、无毛刺、无凸台，具备稳定性强、响应准确、控制精度高和实际鲁棒性好的优点，有效地满足了车辆冗余转向系统的性能要求。
93.其中，第二滤波器可以是高通滤波器，第二滤波器的gain值可以选择为0.9，第二滤波器一方面可以计算出第三扭矩值，另一方面还能加快响应速度，当然，如果需要响应更加迅速，使系统对高频的输入更加敏感，可以适当增加第二滤波器的gain值来实现。
94.其中，角度环控制模块中的角度控制积分器和转速控制模块中的转速控制积分器均信号连接至一积分器启动单元，利用积分器启动单元发出积分器启动信号以使角度控制积分器和转速控制积分器开始工作。
95.车辆控制器发出的请求转向角度信号会先经过一第三均值滤波器进行均值计算，第三均值滤波器的系数可以为5，通过5次均值计算后再使数据信号下行。
96.在计算出目标转速信号后，会通过输出过大限制模块进行保护，从而防止输出过大，然后再将目标转速信号发送至前馈控制模块，目标转速信号会通过输出过大限制模块和变化率过大限制模块后将信号发送至转速环控制模块，从而防止请求的防止输出过大和变化率(斜率)过快。
97.车辆控制器主要为ceps(管柱式转向器)使用，ceps接收到控制器(adu，auto drive unit)需要达到的角度值时，ceps根据收到的can(controller area network，控制器区域网络)总线角度需求，将该角度经过前述方法(算法)后转换为对应的电机扭矩，从而进行助力，目标转角为给定量，实际转角为被控量，ceps为被控对象，从而使本方法实现被控对象的被控量等于给定量，以确保精准的转向。
98.另一方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现车辆自动驾驶的转向角度控制方法的步骤。处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以执行车辆自动驾驶的转向角度控制方法，该方法包括：基于车辆控制器发出的请求转向角度和车辆当前角度之间的角度偏差，经角度pid控制闭环计算得出目标转速；基于目标转速和车辆转向系统的电机当前转速之间的转速偏差，经转速pid控制闭环计算得出第一扭矩值；利用前馈控制模块将目标转速与电机的当前状态相对比，计算得出第二扭矩值；基于第一扭矩值和第二扭矩值的和，经第二滤波器计算得出第三扭矩值；第一扭矩值、第二扭矩值和第三扭矩值求和后得到输出扭矩值，车辆转向系统的电机基于输出扭矩值操控车辆转向。
99.又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现车辆自动驾驶的转向角度控制方法，该方法包括：基于
车辆控制器发出的请求转向角度和车辆当前角度之间的角度偏差，经角度pid控制闭环计算得出目标转速；基于目标转速和车辆转向系统的电机当前转速之间的转速偏差，经转速pid控制闭环计算得出第一扭矩值；利用前馈控制模块将目标转速与电机的当前状态相对比，计算得出第二扭矩值；基于第一扭矩值和第二扭矩值的和，经第二滤波器计算得出第三扭矩值；第一扭矩值、第二扭矩值和第三扭矩值求和后得到输出扭矩值，车辆转向系统的电机基于输出扭矩值操控车辆转向。
100.又一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，当计算机程序产品在电子设备上运行时，实现车辆自动驾驶的转向角度控制方法的步骤。可以理解的是，计算机程序产品以包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，计算机程序包括程序指令，当程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的车辆自动驾驶的转向角度控制方法，该方法包括：基于车辆控制器发出的请求转向角度和车辆当前角度之间的角度偏差，经角度pid控制闭环计算得出目标转速；基于目标转速和车辆转向系统的电机当前转速之间的转速偏差，经转速pid控制闭环计算得出第一扭矩值；利用前馈控制模块将目标转速与电机的当前状态相对比，计算得出第二扭矩值；基于第一扭矩值和第二扭矩值的和，经第二滤波器计算得出第三扭矩值；第一扭矩值、第二扭矩值和第三扭矩值求和后得到输出扭矩值，车辆转向系统的电机基于输出扭矩值操控车辆转向。
101.通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁盘、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
102.最后应说明的是：以上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的精神和范围。