一种车辆轨迹跟踪控制方法、系统以及计算设备与流程

本技术属于车辆控制领域，尤其涉及一种车辆轨迹跟踪控制方法、系统以及计算设备。

背景技术：

1、车辆轨迹优化控制是一项关键的技术，旨在优化车辆在特定环境中的运动轨迹，以实现更高效、更安全和更智能的驾驶。

2、当前车辆轨迹优化控制的技术思路为基于笛卡尔坐标系对车辆的轨迹点以及相应的物理指标进行车辆控制量的计算。然而，基于笛卡尔坐标系所计算出的车辆控制物理指标与车辆系统实际能施加的控制量并不能保持一致，不利于实际运用。

技术实现思路

1、本技术提供了一种车辆轨迹跟踪控制方法、系统以及计算设备。本技术所提供的车辆轨迹跟踪控制方法、系统以及计算设备，通过对笛卡尔坐标系下需求轨迹数据进行计算转换以获得frenet坐标系下的需求轨迹数据，并且在预测优化的框架下分别构建车辆的速度控制优化问题和航向控制优化问题，通过构建哈密顿函数将控制优化问题转化为二分法可解的形式进行求解，分别计算得到符合迭代求接结果对应的需求驱动力矩、需求制动力矩以及需求方向盘转角。通过本技术所提供的车辆轨迹跟踪控制方法，不仅可以实现对车辆需求轨迹的预测，还可以将车辆的控制量进行解耦优化以提升计算精确度。

2、第一方面，提出了一种车辆轨迹跟踪控制方法。首先，获取第一轨迹数据，其中，第一轨迹数据包括多个轨迹点在frenet坐标系下的需求速度、需求航向角以及需求曲率。随后，根据第一轨迹数据确定第一控制量，其中，第一控制量包括多个轨迹点对应的需求驱动力矩和需求制动力矩。再次，根据第一轨迹数据确定第二控制量，其中，第二控制量包括多个轨迹点对应的需求方向盘转角。最后，将第一控制量和第二控制量发送至动力航向控制系统，动力航向控制系统用于控制车辆在行驶过程中的驱动力矩、制动力矩以及方向盘转角。

3、在一些可能的实施例中，第一轨迹数据通过第二轨迹数据转化得到，其中，第二轨迹数据包括多个轨迹点在笛卡尔坐标系下的坐标。

4、在一些可能的实施例中，根据第一轨迹数据确定第一控制量的方法可包括如下步骤。首先，根据第一轨迹点对应的第一目标函数确定第一终端截止条件，其中，第一目标函数是根据第一轨迹数据确定的，第一目标函数包括用于实现终端速度控制以及过程速度控制的函数项，第一轨迹点为需求轨迹上的多个轨迹点中的任意一个。其次，根据第一终端截止条件、第一优化约束和第一轨迹点对应的第一哈密顿函数确定第一轨迹点对应的需求驱动力矩和需求制动力矩，其中，第一优化约束包括车辆支持的驱动力矩控制范围和制动力矩控制范围，第一哈密顿函数是以车辆在第一轨迹点的驱动力矩、车辆在第一轨迹点的制动力矩和第一协态变量为自变量的函数。在一些可能的实施例中，第一目标函数还包括用于实现过程能耗控制和/或过程舒适度控制的函数项。

5、在一些可能的实施例中，本技术方法还包括，根据需求速度确定速度控制方程和第一目标函数，其中，速度控制方程是用于通过车辆在多个轨迹点的驱动力矩和制动力矩确定多个轨迹点处的速度变化的控制方程。随后，根据速度控制方程和第一目标函数确定第一轨迹点的第一哈密顿函数。

6、在一些可能的实施例中，第一终端截止条件包括在需求轨迹的终点处对应的需求速度与预计速度的差值为0，其中，预计速度通过速度控制方程确定，多个轨迹点包括需求轨迹的终点。

7、在一些可能的实施例中，根据第一终端截止条件、第一优化约束和第一轨迹点对应的第一哈密顿函数确定第一轨迹点对应的需求驱动力矩和需求制动力矩的方法可包括如下步骤。首先，获取需求轨迹的初始点对应的初始速度和第一初始协态值，其中，多个轨迹点包括需求轨迹的初始点，初始速度为车辆在初始点的实际速度，第一初始协态值为初始点的第一哈密顿函数中的第一协态变量的初始值。其次，根据初始速度和第一初始协态值，通过二分法迭代求解多个轨迹点的第一哈密顿函数，得到第二初始协态值，其中，第二初始协态值为在满足第一终端截止条件和第一优化约束的情况下所示初始点的第一哈密顿函数对应的第一协态变量的取值。再次，将第二初始协态值作为初始点的第一哈密顿函数中的第一协态变量的值，根据第一正则方程确定第一轨迹点对应的第一哈密顿函数的第一协态变量的值。最后，以第一轨迹点的第一哈密顿函数的驱动力矩和制动力矩作为自变量，将第一轨迹点的第一哈密顿函数在取最小值的情况下对应的驱动力矩和制动力矩确定为第一轨迹点对应的需求驱动力矩和需求制动力矩，其中，第一轨迹点对应的需求驱动力矩和需求制动力矩满足第一优化约束。

8、在一些可能的实施例中，在第一轨迹点s处的需求驱动力矩ft(s)的表达方式包括：

9、

10、其中，最小需求制动力矩ft，min和最大需求制动力矩ft，max是通过第一优化约束确定的，第一需求制动力矩项a1和第二需求制动力矩项b1的表达方式包括：

11、

12、其中，能耗优化权重ωl1为根据车辆性能确定的权重参数，需求速度vt(s)为车辆在第一轨迹点s处的沿着车辆行驶轨迹切向量方向速度，第一协态变量λ(s)为在第一轨迹点s处对应第一哈密顿函数的第一协态变量的值，m为车辆的质量，r为车辆的轮胎半径；

13、在第一轨迹点s处的需求制动力矩fb(s)的表达方式包括：

14、

15、其中，最小需求制动力矩fb，min和最大需求制动力矩fb，max是通过第一优化约束确定的，第一需求制动力矩项a2和第二需求制动力矩项b2的表达方式包括：

16、

17、其中，舒适度优化权重ωl2为根据车辆性能确定的权重参数。

18、在一些可能的实施例中，根据第一轨迹数据确定第二控制量的方法可包括如下步骤。首先，根据第一轨迹点对应的第二目标函数确定第二终端截止条件，其中，第二目标函数是根据第一轨迹数据确定的，第二目标函数包括用于实现终端航向偏差控制和过程航向偏差控制的函数项。随后，根据第二终端截止条件、第二优化约束和第一轨迹点对应的第二哈密顿函数确定第一轨迹点对应的需求方向盘转角，其中，第一优化约束包括车辆支持的方向盘转角控制范围，第一哈密顿函数是以车辆在第一轨迹点的方向盘转角和第二协态变量为自变量的函数。

19、在一些可能的实施例中，第二目标函数还包括用于实现过程方向盘转角控制的函数项。

20、在一些可能的实施例中，本技术方法还包括如下步骤。首先，根据需求速度确定航向控制方程和第二目标函数，其中，航向控制方程是用于通过方向盘转角确定航向偏差变化的控制方程。随后，根据航向控制方程和第二目标函数确定第一轨迹点的第二哈密顿函数。

21、在一些可能的实施例中，第二终端截止条件，包括在需求轨迹的终点处对应的航向偏差的值为0，其中，航向偏差通过航向控制方程和需求方向盘转角确定，多个轨迹点包括需求轨迹的终点。

22、在一些可能的实施例中，根据所述第二终端截止条件、第二优化约束和所述第一轨迹点对应的第二哈密顿函数确定所述第一轨迹点对应的所述需求方向盘转角的方法可包括如下步骤。首先，获取需求轨迹的初始点对应的初始方向盘转角和第三初始协态值，其中，多个轨迹点包括需求轨迹的初始点，初始方向盘转角为车辆当前的方向盘转角，第三初始协态值为初始点的第二哈密顿函数的第二协态变量的初始值。其次，根据初始方向盘转角和第三初始协态值，通过二分法迭代求解多个轨迹点的第二哈密顿函数，得到第四初始协态值，其中，第四初始协态值为在满足第二终端截止条件和第二优化约束的情况下第二哈密顿函数在初始点处的第二协态变量的值。再次，将第四初始协态值作为初始点的第二哈密顿函数在初始点处的第二协态变量的值，根据第二正则方程确定第一轨迹点对应的第二哈密顿函数的第二协态变量的值。最后，以第一轨迹点的第一哈密顿函数的方向盘转角作为自变量，将第一轨迹点的第二哈密顿函数在取最小值的情况下对应的方向盘转角确定为第一轨迹点对应的需求方向盘转角，其中，第一轨迹点对应的需求方向盘转角满足第二优化约束。

23、在一些可能的实施例中，在所述第一轨迹点s处的所述需求方向盘转角δf(s)的表达方式包括：

24、

25、其中，最小需求方向盘转角δf,min和最大需求方向盘转角δf，max是通过所述第二优化约束确定的，第一需求方向盘转角项a和第二需求方向盘转角项b的表达方式包括：

26、

27、其中，避免剧烈转向优化权重ωl1为根据车辆性能确定的权重参数，需求速度vt(s)为车辆在所述第一轨迹点s处的沿着车辆行驶轨迹切向量方向速度，第二协态变量为在所述第一轨迹点s处对应所述第二哈密顿函数的所述第二协态变量的值，l为车辆轴距。

28、第二方面，提出了一种车辆轨迹跟踪控制系统，包括如下的功能模块：首先是轨迹确定模块，用于获取第二轨迹数据，其中，第二轨迹数据包括需求轨迹上的多个轨迹点在笛卡尔坐标系下的坐标。轨迹确定模块，还用于将第二轨迹数据转化为第一轨迹数据，其中，第一轨迹数据包括多个轨迹点在frenet坐标系下的需求速度、需求航向角以及需求曲率。其次是速度控制模块，用于根据第一轨迹数据确定第一控制量，其中，第一控制量包括多个轨迹点对应的需求驱动力矩和需求制动力矩。速度控制模块，还用于将第一控制量发送至动力航向控制系统，动力航向控制系统用于控制车辆在行驶过程中的驱动力矩和制动力矩。最后是航向控制模块，用于根据第一轨迹数据确定第二控制量，其中，第二控制量包括多个轨迹点对应的需求方向盘转角。航向控制模块，还用于将第二控制量发送至动力航向控制系统，动力航向控制系统用于控制车辆在行驶过程中的方向盘转角。

29、在一些可能的实施例中，根据速度控制模块具体用于：首先，根据第一轨迹数据构建在需求轨迹内第一轨迹点的第一目标函数和第一哈密顿函数，其中，第一轨迹点为多个轨迹点中的任意一个，第一哈密顿函数是以车辆在第一轨迹点的驱动力矩、车辆在第一轨迹点的制动力矩和第一协态变量为自变量的函数，第一目标函数包括用于实现终端速度控制、过程能耗控制、过程舒适度控制以及过程速度控制的函数项。其次，根据第一目标函数确定第一终端截止条件。最后，根据第一终端截止条件和第一优化约束确定第一哈密顿函数在第一轨迹点对应的需求驱动力矩和需求制动力矩，其中，第一优化约束包括车辆支持的驱动力矩控制范围和制动力矩控制范围。

30、在一些可能的实施例中，根据第一轨迹数据构建在需求轨迹内第一轨迹点的第一目标函数和第一哈密顿函数的方法可包括如下步骤。首先，根据需求速度构建在需求轨迹内第一轨迹点的速度控制方程和第一目标函数，其中，速度控制方程是用于通过车辆在多个轨迹点的驱动力矩和制动力矩确定多个轨迹点处的速度变化的控制方程。随后，根据速度控制方程和第一目标函数构建第一轨迹点的第一哈密顿函数。

31、在一些可能的实施例中，第一终端截止条件包括在需求轨迹的终点处对应的需求速度与预计速度的差值为0，其中，预计速度通过速度控制方程确定，多个轨迹点包括需求轨迹的终点。

32、在一些可能的实施例中，根据第一终端截止条件和第一优化约束确定第一哈密顿函数在第一轨迹点对应的需求驱动力矩和需求制动力矩的方法可包括如下步骤。首先，获取需求轨迹的初始点对应的初始速度和第一初始协态值，其中，多个轨迹点包括需求轨迹的初始点，初始速度为车辆在初始点的实际速度，第一初始协态值为初始点的第一哈密顿函数中的第一协态变量的初始值。其次，根据初始速度和第一初始协态值，通过二分法迭代求解多个轨迹点的第一哈密顿函数，得到第二初始协态值，其中，第二初始协态值为在满足第一终端截止条件和第一优化约束的情况下所示初始点的第一哈密顿函数对应的第一协态变量的取值。再次，将第二初始协态值作为初始点的第一哈密顿函数中的第一协态变量的值，根据第一正则方程确定第一轨迹点对应的第一哈密顿函数的第一协态变量的值。最后，以第一轨迹点的第一哈密顿函数的驱动力矩和制动力矩作为自变量，将第一轨迹点的第一哈密顿函数在取最小值的情况下对应的驱动力矩和制动力矩确定为第一轨迹点对应的需求驱动力矩和需求制动力矩，其中，第一轨迹点对应的需求驱动力矩和需求制动力矩满足第一优化约束。

33、在一些可能的实施例中，航向控制模块具体用于：首先，根据第一轨迹数据构建在需求轨迹内第一轨迹点的第二目标函数和第二哈密顿函数，其中，第一轨迹点为多个轨迹点中的任意一个，第二哈密顿函数是以车辆在第一轨迹点的方向盘转角和第二协态变量为自变量的函数，第一目标函数包括用于实现终端航向偏差控制、过程航向偏差控制、过程方向盘转角控制的函数项。其次，根据第二目标函数确定第二终端截止条件。最后，根据第二终端截止条件和第二优化约束确定第二哈密顿函数在第一轨迹点对应的需求方向盘转角，其中，第二优化约束包括车辆支持的方向盘转角控制范围。

34、在一些可能的实施例中，根据第一轨迹数据构建在需求轨迹内第一轨迹点的第二目标函数和第二哈密顿函数的方法可包括如下步骤。首先，根据需求速度构建在需求轨迹内第一轨迹点的航向控制方程和第二目标函数，其中，航向控制方程是用于通过方向盘转角确定航向偏差变化的控制方程。随后，根据航向控制方程和第二目标函数构建第一轨迹点的第二哈密顿函数。

35、在一些可能的实施例中，第二终端截止条件，包括在需求轨迹的终点处对应的航向偏差的值为0，其中，航向偏差通过航向控制方程和需求方向盘转角确定，多个轨迹点包括需求轨迹的终点。

36、在一些可能的实施例中，第二终端截止条件和第二优化约束，确定第二哈密顿函数之中关于第一轨迹点对应的需求方向盘转角可包括如下步骤。首先，获取需求轨迹的初始点对应的初始方向盘转角和第三初始协态值，其中，多个轨迹点包括需求轨迹的初始点，初始方向盘转角为车辆当前的方向盘转角，第三初始协态值为初始点的第二哈密顿函数的第二协态变量的初始值。其次，根据初始方向盘转角和第三初始协态值，通过二分法迭代求解多个轨迹点的第二哈密顿函数，得到第四初始协态值，其中，第四初始协态值为在满足第二终端截止条件和第二优化约束的情况下第二哈密顿函数在初始点处的第二协态变量的值。再次，将第四初始协态值作为初始点的第二哈密顿函数在初始点处的第二协态变量的值，根据第二正则方程确定第一轨迹点对应的第二哈密顿函数的第二协态变量的值。最后，以第一轨迹点的第一哈密顿函数的方向盘转角作为自变量，将第一轨迹点的第二哈密顿函数在取最小值的情况下对应的方向盘转角确定为第一轨迹点对应的需求方向盘转角，其中，第一轨迹点对应的需求方向盘转角满足第二优化约束。

37、第三方面，提出了一种计算设备，包括存储器中和处理器。其中，存储器中存储指令，处理器运行存储器中的指令的情况下，能够实现第一方面任意实施例的方法。

38、第四方面，提出了一种车辆，包括第三方面的计算设备或第二方面任意实施例所述的系统。

39、第五方面，提出了一种非易失存储介质，包括多个指令，指令被计算设备运行的情况下，能够实现第一方面任意实施例要求的方法。