一种基于人工势场法的车辆编队避障控制方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115981300A(43)申请公布日2023.04.18(21)申请号202211362531.6(22)申请日2022.11.02(71)申请人淮阴工学院地址223000江苏省淮安市经济技术开发区枚乘东路1号(72)发明人包旭王鹏王敏吴鼎新周君朱胜雪刘路阳徐玮琨(74)专利代理机构淮安市科文知识产权事务所32223专利代理师邹文玉(51)Int.Cl.G05D1/02(2020.01)权利要求书3页说明书7页附图2页(54)发明名称一种基于人工势场法的车辆编队避障控制方法(57)摘要一种基于人工势场法的车辆编队避障控制方法，首先建立本车的运动学模型，根据道路环境和车辆跟驰情况构建道路势场和车辆避撞势场；然后将道路抽象为轨迹，对该轨迹进行跟踪，利用反步法设计车辆跟踪控制器；并设计势能控制器规范车辆行进、避免车辆相撞与撞到障碍，该控制器为切换控制器，在人工势场仅在触发条件满足的情况下发挥作用。本发明能够保证车辆队列快速高效、顺利通过障碍物，完成避障后较快恢复编队行驶。CN115981300ACN115981300A权利要求书1/3页1.一种基于人工势场法的车辆编队避障控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立本车动力学模型；步骤2：定义人工势场，根据道路的实际情况构建一个道路势场，让车辆在限定的行车道内正常行驶；其次，建立车辆与障碍物的斥力和车辆之间的相互作用力，控制编队中车辆与障碍物的避障以及编队中车辆之间的避撞；步骤3：为了保持车辆的前进，将道路抽象为轨迹，对该轨迹进行跟踪，车辆队列根据跟随车与领车的距离定义，利用反步法设计车辆的跟踪控制器；为了避免车辆相撞与撞到障碍，设计势能控制器，该控制器为切换控制器，在人工势场仅在触发条件满足的情况下发挥作用，实现有效避障。2.根据权利要求1所述的一种基于人工势场法的车辆编队避障控制方法，其特征在于：步骤1所述的建立本车动力学模型，具体的操作方式为：T以第i辆车为例，定义qi＝[xi,yi,ψi]为位置与转向，其中xi为北向距离，yi为东向距离，ψi为转向角；于此同时，定义前向速度ui，转向角速度为ri；那么可以得到：Τ定义vi＝[uiri]为速度与角速度，得到：则得到：上式中，R为车辆的状态量。3.根据权利要求1或2所述的一种基于人工势场法的车辆编队避障控制方法，其特征在于：步骤2的具体操作方式为：车辆在道路引力势场和道路斥力势场的共同作用下,在限定的行车道内正常行驶；构建道路势场，构建公式为：i其中，Ur为道路势场函数，kr＞0为比例系数，dr为距离道路边界的距离，dr为道路边界i的影响范围，当dr＜dr时起作用；其势场力可表达为：领航车辆与跟随车的距离通过车辆携带的传感器得到；构建避撞势场，构建公式为：2CN115981300A权利要求书2/3页其中，Uc为示车辆i作用于车辆j的避撞势场函数，kc＞0为比例系数，为车辆i距离车辆j的距离，dc为避撞势场的影响范围，可看作安全车距，当时起作用；其势场力可表达为最后车辆在道路引力势场、障碍物斥力势场和道路斥力势场的共同作用下,可以在行车道内躲避障碍物完成换道路径规划；构建避障势场，构建公式为：其中，Uo为障碍物作用于车辆i的避障势场函数，ko＞0为比例系数，为车辆i距离障碍的距离，do为障碍的影响范围；其势场力可表达为：4.根据权利要求3所述的一种基于人工势场法的车辆编队避障控制方法，其特征在于：步骤3的具体操作方式为：定义领车编号为0，将道路抽象为轨迹，对该轨迹进行跟踪，定义道路轨迹坐标点为qd＝T[xd,yd,ψd]；随后，定义跟随车i,i≠0，编队队形根据跟随车与领车的距离定义，该距离为Λi＝T[Λx,i,Λy,i]，Λx,i为跟随车与领车之间的北向距离，Λy,i为跟随车与领车之间的东向距离；对于领车来说，位置跟踪误差为：其中,e为道路轨迹与领车位姿之间位置跟踪误差；ψd＝arctan2(y′d(t),x′d(t))∈[‑ππ]；对于跟车来说，位置跟踪误差为：其中，e为跟随车与领车位姿之间的位置跟踪误差，ex,i和ey,i分别表示第i辆车与领车之间北向距离和东向距离的位置跟踪误差，第i辆车到目标点xd和yd的距离分别为xd＝x0+3CN115981300A权利要求书3/3页Λx,i，yd＝y0+Λy,i；其中，xi为北向距离，yi为东向距离，ψi为转向角，前向速度ui，同样xd、yd和ψd为道路的北向距离、东向距离和转向角；具体的计算推导过程为：对ex,i求导可得：其中，令同理对ey,i求导可得：因此，设计如下跟踪控制器：其中，除此之外，为了规范车辆行进、避免车辆相撞与撞到障碍；如下势能控制器被设计：首先，对于每辆车，总势场力为：Fi＝Fr+Fc+Fo；该控