Unmanned heavy-duty vehicle for surface mine and path tracking control method and device of unmanned heavy-duty vehicle

技术领域

本发明涉及自动驾驶技术领域，特别是关于一种露天矿山无人驾驶重载车辆及其路径跟踪控制方法和装置。

背景技术

作为露天矿山无人驾驶系统的关键环节之一，路径跟踪控制性能表现直接影响无人驾驶车辆运行安全和运输效率，具有重要的学术研究意义和社会经济价值。经典路径跟踪控制算法包括PID(Proportional Integral Derivative，比例积分微分控制)、纯追踪、Stanley等。PID控制参数对控制效果有重要影响，理想条件下基于模型对PID参数进行整定可取得最佳效果，但当模型不确定时，其整定通常采取试凑法，工作量大。此外，PID在系统不确定性和外部扰动同时存在时无法进行有针对性地补偿。纯追踪控制算法是一种经典的路径跟踪控制算法，其核心思想是基于车辆单轨模型，以车辆后轴中心为切点，纵向中心线为切线，通过控制前轮转角使自车沿着经过预瞄点的圆弧行驶，是一种基于几何追踪的控制方法。纯追踪算法对道路曲率扰动具有良好的鲁棒性，但其跟踪性能严重依赖于预瞄距离的选择，最优性能难以保障。

随着人工智能的发展，许多智能控制算法也被应用于无人驾驶路径跟踪控制领域，如数据驱动、神经网络等。但是，这些智能控制算法控制精度严重依赖海量数据，无法进一步对系统动力学行为进行预测、分析。MPC(Model Predictive Control，模型预测控制)广泛应用于无人驾驶路径跟踪控制，针对矿卡路径跟踪控制也具有显著的优势。模型预测控制器是一个多变量控制器，可以控制矿卡这种复杂的多输入多输出系统。但MPC算法的计算量偏大且所需计算时间较长，而自动驾驶汽车对算法的实时性要求较高，所以很难直接将上述方法用于实车。为解决此工程应用中遇到的切实问题，研究了一种露天矿山无人驾驶重载车辆路径跟踪控制方法及系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种露天矿山无人驾驶重载车辆及其路径跟踪控制方法和装置及系统来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。

为实现上述目的，本发明提供一种露天矿山无人驾驶重载车辆路径跟踪控制方法，其包括：

前进路径跟踪步骤：根据预先设置的路径信息和车辆状态信息，用下式(1)所示的新Stanley控制器控制露天矿山重载车辆前进时的路径跟踪控制，新Stanley控制器考虑有车辆转向器时滞特性、车辆尺寸和前进行驶速度：

式中，δ_c为前轮转角指令，e_p为横向距离误差，v_f为车辆的前进行驶速度，为角度误差，Δt为系统采样时间，τ_δ为时滞因子，k为自适应调整控制增益，为车辆的前进加速度，δ为车辆的前轮转角，C_rp为最近路径点对应的曲率；

后退路径跟踪步骤：用下式所示的新后轮反馈控制器控制露天矿山重载车辆后退时的路径跟踪控制，新后轮反馈控制器考虑有车辆转向器时滞特性、车辆尺寸和后退行驶速度：

式中，δ_c为前轮转角指令，L为轴距，c_r为最近路径点对应曲率，为最近路径点对应曲率的变化率，为横摆角误差，e_r为横向距离误差，为横摆角误差对应的比例因子，k_e为横向距离误差对应的比例影子，τ_δ为时滞因子，v_r为正值的车辆后退行驶速度，为车辆横摆角速度。

进一步地，新Stanley控制器还根据露天矿山重载车辆的车辆信息和行驶特性，利用下式(6)至(8)提供的动态选择方法确定预瞄距离d_p：

d_p＝max{d_pv，d_pc}    (6)

d_pv＝k_pvv_fΔt  (7)

式中，d_pv为根据v_f获得的预瞄距离，k_pv为比例因子，d_pc为根据c_rp标定的预瞄距离，d_hc、d_mc、d_lc分别为根据数值不同的C_rp标定的预瞄距离。

进一步地，新Stanley控制器还根据露天矿山重载车辆的车辆信息和行驶特性，利用下式(11)确定自适应调整控制增益k：

其中，κ₁和κ₂为无纲量比例因子。

进一步地，新后轮反馈控制器还根据露天矿山重载车辆的车辆信息和行驶特性，利用下式(12)提供的动态选择方法确定预瞄距离：

式中，d_pr为根据C_rp标定的预瞄距离，d_hr、d_mr、d_lr分别为根据数值不同的c_rp标定的预瞄距离。

本发明还提供一种露天矿山无人驾驶重载车辆路径跟踪控制装置，其包括：

新Stanley控制器，其用于根据露天矿山重载车辆的车辆信息和行驶特性，控制露天矿山重载车辆前进时的路径跟踪控制，新Stanley控制器考虑有车辆转向器时滞特性，如下式(1)所示：

式中，δ_c为前轮转角指令，e_p为横向距离误差，v_f为车辆的前进速度，为角度误差，Δt为系统采样时间，τ_δ为时滞因子，k为自适应调整控制增益，为车辆的前进加速度，δ为车辆的前轮转角，c_rp为最近路径点对应的曲率；

新后轮反馈控制器，其用于控制露天矿山重载车辆后退时的路径跟踪控制，新后轮反馈控制器考虑有车辆转向器时滞特性和车辆后退时的特性，如下式所示：

式中，δ_c为前轮转角指令，L为轴距，c_r为最近路径点对应曲率，为最近路径点对应曲率的变化率，为横摆角误差，e_r为横向距离误差，为横摆角误差对应的比例因子，k_e为横向距离误差对应的比例影子，τ_δ为时滞因子，v_r为正值的车辆后退行驶速度，为车辆横摆角速度。

进一步地，新Stanley控制器还根据露天矿山重载车辆的车辆信息和行驶特性，利用下式(6)至(8)提供的动态选择方法确定预瞄距离d_p：

d_p＝max{d_pv，d_pc}    (6)

d_pv＝k_pvv_fΔt  (7)

式中，d_pv为根据v_f获得的预瞄距离，k_pv为比例因子，d_pc为根据c_rp标定的预瞄距离，d_hc、d_mc、d_lc分别为根据数值不同的c_rp标定的预瞄距离。

进一步地，新Stanley控制器还根据露天矿山重载车辆的车辆信息和行驶特性，利用下式(11)确定自适应调整控制增益k：

其中，κ₁和κ₂为无纲量比例因子。

进一步地，新后轮反馈控制器还根据露天矿山重载车辆的车辆信息和行驶特性，利用下式(12)提供的动态选择方法确定预瞄距离：

式中，d_pr为根据c_rp标定的预瞄距离，d_hr、d_mr、d_lr分别为根据数值不同的c_rp标定的预瞄距离。

本发明还提供一种露天矿山无人驾驶重载车辆，包括车体，车体的尺寸结构为：车身长度为14.75米，车身宽度为7.44米，前保险杠离地高度为1.42米，轴距为6.35米，前悬长度为4.25米，后悬长度为3.43米，前轮最大转角31度，车辆前进行驶速度范围为0-30千米每小时，车辆后退行驶速度范围为0-10千米每小时；其还包括：

惯性导航组合设备，用于获取车辆状态信息；

无人驾驶计算平台，其预先设置有如上所述的露天矿山无人驾驶重载车辆路径跟踪控制装置，计算前轮转角指令δ_c，并将δ_c发送到车辆线控接口单元；

线控转向单元，其用于接收通过can总线接收δ_c，并按照δ_c控制车辆按照期望路径行驶。

进一步地，线控转向单元包括带有电控系统的全液压转向器。

本发明由于针对露天矿山无人驾驶重载车辆运行工况，考虑了车辆转向器时滞特性，提出了新Stanley控制器和新后轮反馈控制器，实现重载车辆前进与后退时的路径跟踪控制，对不同工况下的控制参数进行自适应调整，达到更好的控制效果。