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自動駕駛中的橫向控制問題案例分析詳解
2020-11-18 23:13:03· 來源：焉知自動駕駛 作者：Aimee
前文提到了關(guān)于自動駕駛系統(tǒng)（Automotive Driving System，ADS）與轉(zhuǎn)向執(zhí)行單元EPS的交互控制邏輯，其中，對前端如何進行橫向預瞄及轉(zhuǎn)向控制，對于EPS執(zhí)行單元如
前文提到了關(guān)于自動駕駛系統(tǒng)（Automotive Driving System，ADS）與轉(zhuǎn)向執(zhí)行單元EPS的交互控制邏輯，其中，對前端如何進行橫向預瞄及轉(zhuǎn)向控制，對于EPS執(zhí)行單元如何進行回環(huán)PID控制進行了詳細的闡述，同時對于EPS執(zhí)行過程中的零位漂移進行了詳細的分析解讀。對于整個執(zhí)行過程而言，具有相對穩(wěn)定的評價標準，包括系統(tǒng)響應度與系統(tǒng)響應精度。前者更多的是功能層面，后者更多的是性能層面。對于自動駕駛系統(tǒng)與EPS從功能及架構(gòu)設(shè)計層面主要表示如下所示，對于基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)向角度控制而言，其中發(fā)送端發(fā)送信息包含如下：
正常的控制邏輯圖如下：
實際橫向控制過程中容易出現(xiàn)各類不同的控制性能無法滿足需求的情況，對于自動駕駛而言，需要結(jié)合實際工況給出相應的解決方案，本文將列舉實例對該類問題進行分析和解決方案說明。
自動駕駛橫向響應過慢
如下圖表示了EPS響應方向盤轉(zhuǎn)向輸入的過程，EPS分別接收來自外部（ADS）轉(zhuǎn)向角度輸入，并與內(nèi)部轉(zhuǎn)向扭矩進行疊加，通過轉(zhuǎn)向助力及相關(guān)補償函數(shù)計算，可以生成輸出至執(zhí)行端的電機扭矩。
其中包含了如下幾個步驟：
1）首先接
收ADS發(fā)出轉(zhuǎn)角，通過如下公式進行轉(zhuǎn)角扭矩轉(zhuǎn)化生成需要執(zhí)行的扭矩請求；
其中△θ為由輸入轉(zhuǎn)角在大小齒輪上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向角度差，n為齒輪傳動比，GJp表示軸體抗扭剛度，L為轉(zhuǎn)向力臂長度。
對于計算生成的力矩采用EPS自身的基礎(chǔ)助力曲線進行助力后，生成電機執(zhí)行端扭矩，由于EPS存在響應死區(qū)，因此，很多情況下，需要在響應結(jié)果前進行死區(qū)補償，即對于ADS發(fā)出的轉(zhuǎn)角或扭矩請求通過該曲線進行基礎(chǔ)助力后再進行實際響應，如下圖表示了基礎(chǔ)助力曲線相關(guān)示意圖。
為了更好的描述EPS在自動駕駛中的實際工作過程及響應性能，如下列舉了相關(guān)的實際案例對EPS橫向響應進行說明。
自動駕駛橫向控制超調(diào)
案例描述：
1）自動換道在避險回退過程中，常常出現(xiàn)回退過度甚至偏出本車道導致不安全，繼而系統(tǒng)又通過較大的回調(diào)力矩將車輛拉回車道中央；
2）自動駕駛車輛經(jīng)過一定道路區(qū)間時，出現(xiàn)行駛路徑蛇形走位，車輛出現(xiàn)相對穩(wěn)定的震蕩前進；
原因分析：
系統(tǒng)在回退控制過程中或在對中調(diào)整位置過程中，需要發(fā)送反向轉(zhuǎn)角給EPS進行橫向控制。如前文所述，EPS的轉(zhuǎn)角控制采用了多層嵌套式PID控制，其中P值主要決定了實際達到期望值的快慢，該值增大會控制車輛沿著參考線方向運動具有更快的傾向性，而微分D則是對該傾向性的快慢產(chǎn)生適當?shù)淖枇?，使得轉(zhuǎn)向更加平滑。本案例原因分析是當比例系數(shù)P值設(shè)置過大D值設(shè)置過小，系統(tǒng)出現(xiàn)欠阻尼，使執(zhí)行轉(zhuǎn)角控制超調(diào)量增大，后續(xù)通過誤差項反饋調(diào)節(jié)后，再次控制車輛回調(diào)至車道中央，出現(xiàn)震蕩前進。
解決方案：
持續(xù)減小系數(shù)P值適當增大D值，促使系統(tǒng)從欠阻尼模式至過阻尼模式逐漸改善，評價系統(tǒng)不會出現(xiàn)較大的超調(diào)時，判定參數(shù)滿足要求。
自動駕駛橫向接管性能
人機模式切換控制中主要進行方向盤平滑處理，當進入智能駕駛瞬間方向盤突然轉(zhuǎn)動而可能出現(xiàn)手力對抗現(xiàn)象時，對于該瞬時方向盤轉(zhuǎn)動力的平滑處理可以保持車輛更好的穩(wěn)定性。
案例描述：
1）自動駕駛系統(tǒng)轉(zhuǎn)向控制過程中，駕駛員通過手力掌握方向盤進行接管控制時，感覺接管方向盤手感發(fā)硬，且出現(xiàn)較大的對抗力矩。尤其是低速控制情況下容易出現(xiàn)方向盤鎖死。
2）自動駕駛對中或駕駛員控制換道過程中，駕駛員緩慢施加手力矩進行方向盤控制時，容易出現(xiàn)系統(tǒng)搶奪方向盤。
原因分析：
在一般力矩橫向控制過程中，允許駕駛員施加一定力矩在系統(tǒng)之上，系統(tǒng)可以通過前饋控制檢測到該駕駛員力矩后，在一定允許超調(diào)范圍內(nèi)適當減少發(fā)出扭矩實現(xiàn)較為精準的橫向控制。而在轉(zhuǎn)角控制邏輯中，系統(tǒng)都是發(fā)送目標轉(zhuǎn)角進行控制，且要求執(zhí)行機構(gòu)在響應該轉(zhuǎn)角過程中執(zhí)行到該目標轉(zhuǎn)角一定精度范圍內(nèi)，且角度控制過程中不允許接管，超過閾值手力矩直接退出。
如下圖表示了轉(zhuǎn)向控制中手力矩大小對轉(zhuǎn)向的實際控制過程，從圖中可看出，當手力矩大于最小接管手力矩1.5Nm并持續(xù)一定時間T1時，系統(tǒng)判定為駕駛員接管該系統(tǒng)控制，此后實現(xiàn)人機共駕，當駕駛員力矩持續(xù)增高至2.5Nm并持續(xù)一定時間T2時，系統(tǒng)判定駕駛員橫向超越該系統(tǒng)，此時系統(tǒng)退出至中斷待機狀態(tài)，從功能安全考慮，當駕駛員手力矩超過EPS允許的最大安全手力矩后，系統(tǒng)直接退出。
解決方案：
對于角度控制邏輯采用手力矩閾值標定方式，即在不同的駕駛速度下標定不同的手力矩超越閾值，當手力矩大于該閾值且持續(xù)一定時間則退出橫向控制。這里需要解決的是在同樣時間下駕駛員施加的手力矩可以最快的被EPS響應到位，有兩個可用的方案進行接管性能提升：其一，是針對高低速對上述時間閾值T1和T2采用不同的閾值進行控制，一般的設(shè)置低速為較小延遲時間T1=300ms，設(shè)置高速為較大延遲時間閾值T2=500ms，此時可以達到比較精準的接管控制。
其二，由前文分析可知，EPS電機執(zhí)行扭矩實際是由如下公式直接決定的。
EPS電機扭矩 ∝ EPS電流 ∝ P * e(t)
如上公式，當偏差一致時，P越大，則相同時間內(nèi)電機電流越大，執(zhí)行扭矩越快，因此，適當?shù)恼{(diào)高P值可以很好的適配由于轉(zhuǎn)角控制帶來的駕駛員扭矩響應較慢的問題，更高效的實現(xiàn)駕駛員接管控制。
自動駕駛系統(tǒng)退出性能
案例描述：
1）自動換道無法正常繼續(xù)進行激活控制時，自動退出橫向控制，EPS扭矩響應快速自動下降為0，主觀感知橫向扭矩下降太快，導致高速狀態(tài)下方向失控。
2）自動駕駛車輛在駕駛員踩下制動踏板后，自動退出激活控制，EPS扭矩響應快速下降為0，主觀感知橫向扭矩下降太快，出現(xiàn)方向盤回振。
原因分析：
針對轉(zhuǎn)角的橫向控制，EPS響應過程是需要先通過轉(zhuǎn)角-扭矩換算算法將相關(guān)轉(zhuǎn)角計算為扭矩控制電機電流進行響應.當自動駕駛功能退出時，其發(fā)送的轉(zhuǎn)角瞬間將為0，該過程類似階躍響應方式。對于轉(zhuǎn)角下降為0時，EPS接收的實際輸入量也變?yōu)?，EPS輸出的扭矩隨即變?yōu)?，故電機執(zhí)行端會按照該扭矩下掉的速度進行響應。
解決方案：
為了解決自動駕駛控制過程中轉(zhuǎn)角快速降低導致的扭矩快速衰退，則需要在發(fā)送轉(zhuǎn)角進行轉(zhuǎn)向控制的過程中同時發(fā)送扭矩進行響應效果控制，當存在轉(zhuǎn)角控制時，EPS系統(tǒng)參照發(fā)送轉(zhuǎn)角計算相應的扭矩進行執(zhí)行控制，當轉(zhuǎn)角消失時，ADS系統(tǒng)對EPS發(fā)出換退請求及相應的緩退扭矩，該扭矩帶有一定的斜率，EPS參照該扭矩進行實際跟隨響應。考慮到EPS響應的功能安全及響應執(zhí)行不出現(xiàn)超調(diào)或毛刺，ADS可以同時發(fā)送最大最小扭矩限值，EPS執(zhí)行響應參照該限制進行，如下表表示新增的兩個發(fā)出扭矩限值。
ADS
最大轉(zhuǎn)向扭矩限制
ADS_MaxTorque
用于告知EPS執(zhí)行轉(zhuǎn)向指令過程中最大的扭矩執(zhí)行值
ADS
最小轉(zhuǎn)向扭矩限制
ADS_MinToque
用于告知EPS執(zhí)行轉(zhuǎn)向指令過程中最小的扭矩執(zhí)行值
如下圖所示，轉(zhuǎn)角不為零時，扭矩響應處于被控階段，則ADS發(fā)送最大最小扭矩控制邊帶，EPS執(zhí)行扭矩需要參照該控制邊帶進行濾波，去除超調(diào)及毛刺。當轉(zhuǎn)角降為0時，ADS發(fā)送最大最小扭矩保持相等，EPS參照其中之一進行扭矩跟隨，確保扭矩下掉參照一定斜率進行。
此外，從功能安全角度上講，EPS需要設(shè)置一個最大最小扭矩限值，當ADS發(fā)送轉(zhuǎn)角計算出的扭矩超過該限值，則EPS進行限值截斷，確保執(zhí)行結(jié)果安全。
實際控制過程中，為了防止由于方向盤來回擺動造成的影響，設(shè)計方向盤轉(zhuǎn)角死區(qū)處理。
總結(jié)
對于開發(fā)而言，更多的希望是能夠更好的從掌握系統(tǒng)工作原理上進行問題預防，在純粹自動駕駛控制的橫向過程中，更多的是利用回環(huán)PID調(diào)節(jié)控制+預測模型控制MPC雙向進行，本文詳細描述了轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)EPS對自動駕駛系統(tǒng)的橫向響應過程，并結(jié)合實例進行分析了相關(guān)的問題解決方案，后續(xù)，將通過不間斷的問題補充完善整個自動駕駛開發(fā)過程。
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