CN109416539B - 使用比例、积分与微分(pid)控制器的自主车辆的转向控制的方法和系统 - Google Patents

Abstract

自主驾驶车辆(ADV)转向控制系统确定应用多少并且何时应用转向控制，以操纵规划路线的障碍物。转向控制系统基于ADV的目标方向角和实际方向角来计算第一转向角、基于ADV的目标横向位置和实际横向位置来计算第二转向角，以操纵规划路线、对象或者障碍物路道。转向控制系统基于第一转向角和第二转向角来确定目标转向角，并且利用目标转向角来控制ADV的随后转向角。

Description

使用比例、积分与微分(PID)控制器的自主车辆的转向控制的 方法和系统

技术领域

本发明的实施方案总体涉及操作自主车辆。更具体地，本发明的实施方案涉及自主车辆转向控制。

背景技术

以自主模式运行(例如，无人驾驶)的车辆可以将乘员、尤其是驾驶员从一些驾驶相关的职责中解放出来。当以自主模式运行时，车辆可以使用车载传感器导航到各种位置，从而允许车辆在最少人机交互的情况下或在一些没有任何乘客的情况下行驶。

转向控制是自主驾驶的关键操作。自主车辆需要自主转向控制，以操纵障碍物，从而自主地跟随规划路线。然而，在不同的时间间隔，规划路线可具有影响转向控制灵敏度的不同因素，诸如，车辆速度、车辆的转弯半径，以及实施的操纵(例如，最后命令)。此外，自主车辆或者自主驾驶车辆或ADV可从规划路线相对横向移位或路径偏移，从而需要转向补偿。

发明内容

本公开的实施方案提供用于自主车辆的转向控制的计算机实施的方法、非暂时性可读介质以及数据处理系统。

在本公开的一方面，用于自主车辆的转向控制的计算机实施的方法包括：基于自主车辆的目标方向角和实际方向角来计算第一转向角，以操纵障碍物路道；基于自主车辆的目标横向位置和实际横向位置来计算第二转向角，以操纵障碍物路道；基于第一和第二转向角来确定目标转向角；以及基于下一目标转向角来控制自主车辆的随后转向角。

在本公开的另一方面，非暂时性机器可读介质中存储有指令，所述指令在由处理器执行时致使处理器执行自主车辆的转向控制的操作，所述操作包括：基于自主车辆的目标方向角和实际方向角来计算第一转向角，以操纵障碍物路道；基于自主车辆的目标横向位置和实际横向位置来计算第二转向角，以操纵障碍物路道；基于第一和第二转向角来确定目标转向角；以及基于下一目标转向角来控制自主车辆的随后转向角。

在本公开的又一方面，数据处理系统包括：处理器；以及存储器，其联接到处理器，以存储指令，所述指令在由处理器执行时致使处理器执行自主车辆的转向控制的操作，所述操作包括：基于自主车辆的目标方向角和实际方向角来计算第一转向角，以操纵障碍物路道；基于自主车辆的目标横向位置和实际横向位置来计算第二转向角，以操纵障碍物路道；基于第一和第二转向角来确定目标转向角；以及基于下一目标转向角来控制自主车辆的随后转向角。

附图说明

本发明的实施方案在附图的各图中以举例而非限制的方式示出，附图中的相同参考数字指示类似元件。

图1是示出根据本发明一个实施方案的网络化系统的框图。

图2是示出根据本发明一个实施方案的自主车辆的示例的框图。

图3是示出根据本发明一个实施方案的与自主车辆一起使用的感知与规划系统的示例的框图。

图4A是示出根据本发明一个实施方案的感知与规划系统的控制模块的示例的框图。

图4B是示出根据本发明一个实施方案的比例积分微分(PID)控制器的示例的框图。

图5是示出根据本发明一个实施方案的转向角调整的应用的图。

图6是示出根据本发明一个实施方案的横向移位转向补偿的应用的图。

图7是示出根据一个实施方案的计算ADV的随后转向角的过程的流程图。

图8是示出根据一个实施方案的计算第一转向角的过程的流程图。

图9是示出根据一个实施方案的计算第二转向角的过程的流程图。

图10是示出根据一个实施方案的数据处理系统的框图。

具体实施方式

以下将参考所讨论的细节来描述本发明的各种实施方案和方面，附图将示出所述各种实施方案。下列描述和附图是对本发明的说明，而不应当解释为限制本发明。描述了许多特定细节以便提供对本发明各种实施方案的全面理解。然而，在某些情况下，并未描述众所周知的或常规的细节以便提供对本发明实施方案的简洁讨论。

本说明书中对“一个实施方案”或“实施方案”的提及意味着结合该实施方案所描述的特定特征、结构或特性可以包括在本发明的至少一个实施方案中。短语“在一个实施方案中”在本说明书中各个地方的出现不必全部是指同一实施方案。

根据一些实施方案，鉴于将指令发送到方向盘控制的命令延迟和获取ADV的方向角和位置的数据的延迟，感知与规划系统的控制模块确定应用多少并且何时以自主驾驶车辆(ADV)的转向控制的转向角的形式应用转向命令，以便转弯或操纵绕开和/或避免规划路线的障碍物。规划路线可具有影响转向控制灵敏度的不同因素，诸如，车辆速度、车辆的转弯半径，或者正实施的转弯或操纵(例如，最后命令)。

在一个实施方案中，控制模块基于自主车辆的目标方向角和实际方向角来计算第一转向角、基于ADV的目标横向位置和实际横向位置来计算第二转向角。鉴于发送指令以使ADV转向的延迟和获取关于ADV的方向角和位置的数据的延迟，控制模块基于第一和第二转向角来确定目标转向角，以控制ADV的随后转向角。

在一个实施方案中，使用第一比例-积分-微分(PID)控制器、基于ADV的目标方向角和实际方向角来计算第一转向角。在另一实施方案中，第一PID控制器的比例系数基于ADV的当前速度而动态调整。在另一实施方案中，第一PID控制器的比例系数响应于确定当前速度超出预定阈值而减小。在另一实施方案中，当ADV在操作时，第一PID控制器的微分系数基于ADV的当前速度而调整。

在一个实施方案中，第一PID控制器的比例系数基于ADV的转弯半径而调整。在另一实施方案中，第一PID控制器的比例系数响应于确定转弯半径超出预定阈值而增大。

在一个实施方案中，控制模块基于ADV的目标横向位置和ADV的实际横向位置来计算第二转向角。控制模块使用第二PID控制器来计算第二转向角，以补偿ADV的横向偏移。在另一实施方案中，第二PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数基于ADV的当前速度、ADV的当前转弯半径和ADV的最后命令而动态地调整。

图1是示出根据本发明的一个实施方式的自主车辆网络配置的框图。参考图1，配置100包括可以通过网络102通信地联接到一个或多个服务器103至104的自主车辆101。尽管示出一个自主车辆，但多个自主车辆可以通过网络102联接到彼此和/或联接到服务器103至104。网络102可以是任何类型的网络，例如，有线或无线的局域网(LAN)、诸如互联网、蜂窝网络、卫星网络的广域网(WAN)或其组合。服务器103至104可以是任何类型的服务器或服务器群集，诸如，网络或云服务器、应用服务器、后端服务器或其组合。服务器103至104可以是数据分析服务器、内容服务器、交通信息服务器、地图和兴趣点(MPOI)服务器或者位置服务器等。

自主车辆是指可以被配置成处于自主模式下的车辆，在所述自主模式下车辆在极少或没有来自驾驶员的输入的情况下导航通过环境。这种自主车辆可以包括传感器系统，所述传感器系统具有被配置成检测与车辆运行环境有关的信息的一个或多个传感器。所述车辆和其相关联的控制器使用所检测的信息来导航通过所述环境。自主车辆101可以在手动模式下、在全自主模式下或者在部分自主模式下运行。

在一个实施方式中，自主车辆101包括，但不限于，感知与规划系统110、车辆控制系统111、无线通信系统112、用户接口系统113和传感器系统115。自主车辆101还可以包括普通车辆中包括的某些常用部件，诸如：发动机、车轮、方向盘、变速器等，所述部件可以由车辆控制系统111和/或感知与规划系统110使用多种通信信号和/或命令进行控制，例如，加速度信号或命令、减速度信号或命令、转向信号或命令、制动信号或命令等。

部件110至115可以经由互连件、总线、网络或其组合通信地联接到彼此。例如，部件110至115可以经由控域网(CAN)总线通信地联接到彼此。CAN总线是被设计成允许微控制器和装置在没有主机的应用中与彼此通信的车辆总线标准。它是基于消息的协议，最初是为汽车内的多路电线设计的，但也用于许多其他环境。

现在参考图2，在一个实施方式中，传感器系统115包括但不限于一个或多个摄像机211、全球定位系统(GPS)单元212、惯性测量单元(IMU)213、雷达单元214以及光探测和测距(LIDAR)单元215。GPS系统212可以包括收发器，所述收发器可操作以提供关于自主车辆的位置的信息。IMU单元213可以基于惯性加速度来感测自主车辆的位置和定向变化。雷达单元214可以表示利用无线电信号来感测自主车辆的本地环境内的对象的系统。在一些实施方式中，除感测对象之外，雷达单元214可以附加地感测对象的速度和/或前进方向。LIDAR单元215可以使用激光器来感测自主车辆所处环境中的对象。除其他系统部件之外，LIDAR单元215还可以包括一个或多个激光源、激光扫描器以及一个或多个检测器。摄像机211可以包括用来捕获自主车辆周围环境的图像的一个或多个装置。摄像机211可以是静物摄像机和/或视频摄像机。摄像机可以是可机械地移动的，例如，通过将摄像机安装在旋转和/或倾斜平台上。

传感器系统115还可以包括其他传感器，诸如：声纳传感器、红外传感器、转向传感器、油门传感器、制动传感器以及音频传感器(例如，麦克风)。音频传感器可以被配置成从自主车辆周围的环境中捕获声音。转向传感器可以被配置成感测方向盘、车辆的车轮或其组合的转向角度。油门传感器和制动传感器分别感测车辆的油门位置和制动位置。在一些情形下，油门传感器和制动传感器可以集成为集成式油门/制动传感器。

在一个实施方式中，车辆控制系统111包括但不限于转向单元201、油门单元202(也被称为加速度单元)和制动单元203。转向单元201用来调整车辆的方向或前进方向。油门单元202用来控制电动机或发动机的速度，电动机或发动机的速度转而控制车辆的速度和加速度。制动单元203通过提供摩擦使车辆的车轮或轮胎减慢而使车辆减速。应注意，如图2所示的部件可以在硬件、软件或其组合中实施。

回到图1，无线通信系统112允许自主车辆101与诸如装置、传感器、其他车辆等外部系统之间的通信。例如，无线通信系统112可以与一个或多个装置直接无线通信，或者经由通信网络进行无线通信，诸如，通过网络102与服务器103至104通信。无线通信系统112可以使用任何蜂窝通信网络或无线局域网(WLAN)，例如，使用WiFi，以与另一部件或系统通信。无线通信系统112可以例如使用红外链路、蓝牙等与装置(例如，乘客的移动装置、显示装置、车辆101内的扬声器)直接通信。用户接口系统113可以是在车辆101内实施的外围装置的部分，包括例如键盘、触摸屏显示装置、麦克风和扬声器等。

自主车辆101的功能中的一些或全部可以由感知与规划系统110控制或管理，尤其当在自主驾驶模式下操作时。感知与规划系统110包括必要的硬件(例如，处理器、存储器、存储设备)和软件(例如，操作系统、规划和安排路线程序)，以从传感器系统115、控制系统111、无线通信系统112和/或用户接口系统113接收信息，处理所接收的信息，规划从起始点到目的地点的路线或路径，随后基于规划和控制信息来驾驶车辆101。替代地，感知与规划系统110可以与车辆控制系统111集成在一起。

例如，作为乘客的用户可以例如经由用户接口来指定行程的起始位置和目的地。感知与规划系统110获得行程相关数据。例如，感知与规划系统110可以从MPOI服务器中获得位置和路线信息，所述MPOI服务器可以是服务器103至104的一部分。位置服务器提供位置服务，并且MPOI服务器提供地图服务和某些位置的POI。替代地，此类本地和MPOI信息可以本地高速缓存在感知与规划系统110的永久性存储装置中。

当自主车辆101沿着路线移动时，感知与规划系统110也可以从交通信息系统或服务器(TIS)获得实时交通信息。应注意，服务器103至104可以由第三方实体进行操作。替代地，服务器103至104的功能可以与感知与规划系统110集成在一起。基于实时交通信息、MPOI信息和位置信息以及由传感器系统115检测或感测的实时本地环境数据(例如，障碍物、对象、附近车辆)，感知与规划系统110可以规划最佳路线并且根据所规划的路线例如经由控制系统111来驾驶车辆101，以安全有效地到达指定目的地。

在一个实施方案中，第一和第二PID控制器可以分别由比例、积分和微分系数中的每个的第一和第二个进行建模。这些系数可以由数据分析系统基于大量的驾驶统计数据进行离线配置，诸如，数据分析系统或服务器103。

在一个实施方案中，数据分析系统103包括数据收集器121和机器学习引擎122。数据收集器121在一段时间内从各种车辆收集驾驶统计数据123。驾驶统计数据123可以包括有关ADV的目标转向角和实际转向角的信息、关于时间的GPS位置、ADV的品牌/型号、车辆识别号、规划路线，以及驾驶环境的传感器输出，诸如，天气和道路状况。机器学习引擎122分析驾驶统计数据123，以学习并确定PID模型124的合适比例、积分和微分系数来表示快速且稳定的PID控制器响应，以便补偿目标转向角与实际转向角的偏差以及ADV的目标横向位置与实际横向位置的偏差。PID模型124随后可以上传到自主车辆101的感知与规划系统110，以便用于转向控制的决定。

图3是示出根据本发明一个实施方式的与自主车辆一起使用的感知与规划系统的示例的框图。系统300可以被实施为图1的自主车辆101的一部分，包括但不限于感知与规划系统110、控制系统111和传感器系统115。参考图3，感知与规划系统110包括但不限于定位模块301、感知模块302、决定模块303、规划模块304以及控制模块305。

模块301至305中的一些或全部可以在软件、硬件或其组合中实施。例如，这些模块可以安装在永久性存储装置352中、加载到存储器351中，并且由一个或多个处理器(未示出)执行。应注意，这些模块中的一些或全部可以通信地联接到图2的车辆控制系统111的一些或全部模块或者与它们集成在一起。模块301至305中的一些可以一起集成为集成模块。

定位模块301(也被称为地图与路线模块)管理与用户的行程或路线相关的任何数据。用户可以例如经由用户接口登录并且指定行程的起始位置和目的地。定位模块301与自主车辆300的其他部件通信，诸如地图和路线信息311，以获得行程相关数据。例如，定位模块301可以从位置服务器和地图与POI(MPOI)服务器获得位置和路线信息。位置服务器提供位置服务，并且MPOI服务器提供地图服务和某些位置的POI，从而可以作为地图和路线信息311的一部分高速缓存。当自主车辆300沿着路线移动时，定位模块301也可以从交通信息系统或服务器获得实时交通信息。

基于由传感器系统115提供的传感器数据和由定位模块301获得的定位信息，感知模块302确定周围环境的感知。感知信息可以表示普通驾驶员在驾驶员正驾驶的车辆周围将感知到的东西。感知可以包括车道配置(例如，直线车道或弯曲车道)、交通灯信号、另一车辆的相对位置、行人、建筑物、人行横道或例如采用对象形式的其他交通相关标志(例如，停止标志、让路标志)等。

感知模块302可以包括计算机视觉系统或计算机视觉系统的功能，以处理并分析由一个或多个摄像机捕获的图像，以便识别自主车辆环境中的对象和/或特征。所述对象可以包括交通信号、道路边界、其他车辆、行人和/或障碍物等。计算机视觉系统可以使用对象识别算法、视频跟踪以及其他计算机视觉技术。在一些实施方式中，计算机视觉系统可以绘制环境地图，跟踪对象，以及估算对象的速度等。感知模块302也可以基于由诸如雷达和/或LIDAR的其他传感器提供的其他传感器数据来检测对象。

针对每个对象，决定模块303作出关于如何处置对象的决定。例如，针对特定对象(例如，交叉路线中的另一车辆)以及描述对象的元数据(例如，速度、方向、转弯角度)，决定模块303决定如何遇到所述对象(例如，超车、让路、停止、超过)。决定模块303可以根据诸如交通规则的一套规则来作出此类决定，所述规则可以存储在永久性存储装置352(未示出)中。

基于针对所感知到的对象中的每个的决定，规划模块304为自主车辆规划路径或路线以及驾驶参数(例如，距离、速度和/或转弯角度)。换言之，针对给定的对象，决定模块303决定对该对象做什么，而规划模块304确定如何去做。例如，针对给定的对象，决定模块303可以决定超过所述对象，而规划模块304可以确定在所述对象的左侧还是右侧超过。规划和控制数据由规划模块304生成，包括描述车辆300在下一移动循环(例如，下一路线/路径段)中将如何移动的信息。例如，规划和控制数据可以指示车辆300以30英里每小时(mph)的速度移动10米，随后以25mph的速度变到右侧车道。

基于规划和控制数据，控制模块305根据由规划和控制数据限定的路线或路径通过将适当的命令或信号发送到车辆控制系统111来控制并驾驶自主车辆。所述规划和控制数据包括足够的信息，以沿着路径或路线在不同的时间点使用适当的车辆设置或驾驶参数(例如，油门、制动和转弯命令)将车辆从路线或路径的第一点驾驶到第二点。

应注意，决定模块303和规划模块304可以集成为集成模块。决定模块303/规划模块304可以包括导航系统或导航系统的功能，以确定自主车辆的驾驶路径。例如，导航系统可以确定用于实现自主车辆沿着以下路径移动的一系列速度和定向前进方向：所述路径在使自主车辆沿着通往最终目的地的基于车行道的路径前进的同时，基本上避免感知到的障碍物。目的地可以根据经由用户接口系统113进行的用户输入来设定。导航系统可以在自主车辆正在运行的同时动态地更新驾驶路径。导航系统可以将来自GPS系统和一个或多个地图的数据合并，以确定用于自主车辆的驾驶路径。

决定模块303/规划模块304还可以包括防撞系统或防撞系统的功能，以识别、评估并且避免或以其他方式越过自主车辆的环境中的潜在障碍物。例如，防撞系统可以通过以下方式实现自主车辆的导航中的变化：操作控制系统111中的一个或多个子系统来采取转向操纵、转弯操纵、制动操纵等。防撞系统可以基于周围的交通模式、道路状况等自动确定可行的障碍物回避操纵。防撞系统可以被配置成使得当其他传感器系统检测到位于自主车辆将转向进入的相邻区域中的车辆、建筑障碍物等时不采取转向操纵。防撞系统可以自动选择既可使用又使得自主车辆乘员的安全性最大化的操纵。防撞系统可以选择预测的避开操纵以致使自主车辆的乘客舱中出现最小量的加速度。

图4A示出根据一个实施方案的控制模块305。控制模块305包括方向角调整子模块401和横向位置调整子模块402。这些子模块分别负责减小目标方向(转向)角与实际方向(转向)角的偏差以及ADV的目标横向位置与实际横向位置的偏差。方向角调整子模块401减小ADV的目标方向转向角与实际方向转向角的偏差。

方向角调整子模块401的示例可以包括第一PID控制器。图4B是根据一个实施方案的比例积分微分(PID)控制器的框图。PID控制器是工业控制系统常用的控制环路反馈机制。PID控制器连续计算作为过程的目标值与实际值之间的差异的误差值并且基于分别表示为P、I和D的比例项、积分项和微分项来应用校正。例如，PID控制器可以由下列方程式表示：

其中e(t)＝误差(t)＝目标_设定点(t)-测量的_输出(t)是将要减小的误差项，K_p、K_i和K_d分别是PID控制器的比例、积分和微分系数。参考图4B，PID控制器400可以是模拟装置。PID控制器400具有表示期望目标值的输入目标设定点405。将目标设定点405从过程输出445(表示PID控制器400的测量输出)中减去，以得到误差410。误差410馈送到比例(P)控制模式415、积分(I)控制模式420和微分(D)控制模式425。积分(I)控制模式420和微分(D)控制模式425可以分别由积分器(诸如，低通滤波器)电路及其等效物、和微分器(诸如，高通滤波器)电路及其等效物实施。P控制模式415、I控制模式420和D控制模式425的输出合计起来就是PID输出430。PID输出430连接到过程440(将被控制的系统)，使得过程440包括外部干扰435。过程440产生测量输出445，测量输出445馈送回到P控制模式415、I控制模式420和D控制模式425的输入，以形成闭环。

当在操作时，如果外部干扰435为零，或者目标设定点405与过程输出445之间没有不同，那么误差410等于零并且PID输出430等于零。如果存在零外部干扰435，由于零PID输出430馈送到过程440，那么将不会调整过程输出445。之后，过程输出445保持不变，并且PID控制器400达到平衡。然而，如果存在非零外部干扰435，或者目标设定点405与过程输出445(例如，前一周期的过程输出445)之间存在不同，那么误差410将为非零，并且P控制模式415、I控制模式420和D控制模式425将基于PID控制器的K_p、K_i和K_d系数产生中间输出430，以校正(或减小)误差410。PID控制器400不限于模拟装置，而是可以实施为数字装置或软件程序。

参考图4B，PID控制器400的示例性数字实施方式可以包括时钟(未示出)，其中时钟周期(或周期)为10毫秒。数字PID控制器400具有表示当前周期的期望值的输入目标设定点405。将目标设定点405从过程输出445(表示前一周期的PID控制器400的测量输出)中减去，以得到当前周期的误差410。当前周期的误差410馈送到比例(P)控制模式415、积分(I)控制模式420和微分(D)控制模式425。积分(I)控制模式420和微分(D)控制模式425可以分别由积分器电路和微分器电路实施。P控制模式415、I控制模式420和D控制模式425的输出合计起来就是PID输出430。PID输出430连接到过程440，使得过程440包括外部干扰435并且可能包括过程延迟。过程440产生当前周期的测量输出445，测量输出445馈送回到P控制模式415、I控制模式420和D控制模式425的输入，以形成闭环。在此示例性实施方式中，输入和中间信号线可以是八位的，加法、减法和乘法运算可以利用运算放大器、加法器、异或门以及与/或门来实施。

PID控制器400也可以实施为软件程序。例如，PID控制器400可以由每10毫秒调用的子程序采用python或任何编程语言来实施。PID控制器子程序可以具有五个输入，诸如：当前周期的误差410的输入(即，当前周期的目标设定点405减去上一周期的测量输出445)、上一周期的误差410的输入(即，上一周期的目标设定点405减去前两个周期的测量输出445)，以及分别用于PID控制器的K_p、K_i和K_d系数的三个输入。子程序的输出是PID输出430。

P控制模式415乘以当前周期的输入K_p系数和误差410。I控制模式420乘以当前周期的K_i系数、周期时间段(在这种情况下，10毫秒)和误差410。D控制模式425乘以当前周期的K_d系数、误差410，减去上一周期的误差410，除以周期时间段。P控制模式415、I控制模式420和D控制模式425的输出合计起来，以产生当前周期的PID输出430或者子程序的输出。PID输出430或子程序的输出加入到过程440，使得过程440包括外部干扰435并且可能包括过程时间延迟。过程440产生当前周期的测量输出445，测量输出445用作下一周期的PID控制器子程序的输入。例如，PID控制器子程序可以由下列离散方程式表示：

其中e(n)＝误差(n)＝目标_设定点(n)-测量的_输出(n-1)是将要减小的第n个周期的误差项，K_p、K_i和K_d分别是PID控制器的比例、积分和微分系数，并且△t是周期时间段。

图5是示出根据一个实施方案的以方向角偏差或误差520操作的ADV 501的图。ADV501在规划路线505上沿方向502前进。ADV 501以转弯角506进行随后的转弯，以便以随后的目标方向角510保持在路线上。在此示例中，转弯角506与目标方向角510相同。图5示出ADV501响应于基于目标方向角510的转向命令而具有随后实际方向角515，即，ADV的测量/感测输出角，从而导致方向角偏差或误差520。方向角调整子模块401考虑到命令转向控制系统的延迟和/或ADV的当前转向控制方向角的数据获取的延迟来减小或降低方向角偏差或误差520。

在一个实施方案中，方向角调整子模块401可以由第一比例-积分-微分(PID)控制器建模。例如，PID模型312可以包括下列方程式：

其中e(t)＝方向_target-方向_actual是将要减小的方向角的误差或偏差，K_p、K_i和K_d分别是第一PID控制器的比例、积分和微分系数的第一集合，并且角(t)是第一转向角。第一转向角基于方向盘控制的数学模型而转换成转向控制命令，以控制ADV的随后转向角。

起初，必须训练或调谐K_p、K_i和K_d系数。在一个实施方案中，第一PID控制器系数K_p、K_i和K_d可以由机器学习引擎122基于数据分析系统103处的大量集合的驾驶统计数据123来离线调谐或训练。在另一实施方案中，在ADV的操作期间，可以由感知与规划系统110的控制模块305来动态调整第一PID控制器系数。在一个实施方案中，第一PID控制器可以由模拟或数字硬件装置实施。在另一实施方案中，第一PID控制器可以由软件程序实施。

至于第一PID控制器，在一个实施方案中，K_p系数基于ADV的当前速度而动态调整。在另一实施方案中，K_p系数响应于确定当前速度超出预定阈值而减小。在一个实施方案中，K_d系数基于ADV的当前速度而动态调整。在另一实施方案中，K_p基于ADV的转弯半径而动态调整。在另一实施方案中，K_p响应于确定转弯半径超出预定阈值(例如，大于0.1)而增大。

横向位置调整子模块402减小ADV的目标横向位置与实际横向位置的偏差。图6是示出根据一个实施方案的以横向位置偏差620操作的ADV601的图。ADV 601在规划路线605上以方向角602前进。ADV 601以转弯角606进行随后的转向，以便以随后目标横向位置610保持在路道上。图6示出ADV 601具有横向位置移位，使得当前横向位置(ADV 601的中心)与当前目标横向位置615之间的差异相差横向位置偏差620。横向位置调整子模块402考虑到将指令发送到转向控制的命令延迟和获取ADV的当前横向位置602的延迟来减小或降低横向位置偏差620。

在一个实施方案中，横向位置调整子模块402可以由第二PID控制器建模。例如，PID模型312可以包括下列方程式：

其中e(t)＝横向_target-横向_actual是将要减小的ADV的横向位置偏差，L_p、L_i和L_d是第二PID控制器的比例、积分和微分系数的第二集合，并且横向(t)是第二转向角。第二转向角基于方向盘控制的数学模型而转换成转向控制命令，以控制ADV的随后转向角。

起初，必须训练或调谐L_p、L_i和L_d系数。在一个实施方案中，第二PID控制器系数L_p、L_i和L_d可以由机器学习引擎122基于数据分析系统103处的大量集合的驾驶统计数据123来离线训练或调谐。在另一实施方案中，在ADV的操作期间，可以由感知与规划系统110的控制模块305来动态调整这些系数。在一个实施方案中，第二PID控制器可以由模拟或数字硬件装置实施。在另一实施方案中，第二PID控制器可以由软件程序实施。

至于第二PID控制器，在一个实施方案中，L_p、L_i和L_d系数基于下列中的至少一个而动态调整：ADV的当前速度、ADV的当前转弯半径，以及ADV的最后命令。在另一实施方案中，基于第一和第二转向角的总和来确定目标转向角，以控制ADV的随后转向角。应注意，尽管存在第一PID控制器用于方向周期调整以及第二PID控制器用于横向位置调整，但这两个PID控制器可以整合成单个PID控制器。

图7是示出根据一个实施方案的计算ADV的随后转向角的过程的流程图。过程700可以由处理逻辑执行，所述处理逻辑可以包括软件、硬件或其组合。例如，过程700可以由自主车辆的控制模块执行，诸如，感知与规划系统110的控制模块305。参考图7，在框701处，处理逻辑基于ADV的目标方向角和实际方向角来计算第一转向角，以自主地操纵规划路线或障碍物路道。在框702处，处理逻辑基于ADV的目标横向位置和实际横向位置来计算第二转向角，以自主地操纵规划路线或障碍物路道。在框703处，处理逻辑基于第一和第二转向角来确定目标转向角。在框704处，感知与规划系统110的控制模块305基于目标转向角来控制ADV的随后转向。

图8是示出根据一个实施方案的计算第一转向角的过程的流程图。过程800可以由处理逻辑执行，所述处理逻辑可以包括软件、硬件或其组合。例如，过程800可以由自主车辆的控制模块执行，诸如，感知与规划系统110的控制模块305。过程800可以作为框701处的操作的一部分执行。参考图8，在框801处，处理逻辑确定自主车辆的目标方向角，以操纵规划路线或者对象或障碍物路道。在框802处，处理逻辑确定运动中的ADV的实际方向角。在框803处，鉴于命令延迟和获取ADV的实际方向角的延迟，处理逻辑基于目标方向角和实际方向角、使用第一PID控制器来计算第一转向角。

图9是示出根据一个实施方案的计算第二转向角的过程的流程图。过程900可以由处理逻辑执行，所述处理逻辑可以包括软件、硬件或其组合。例如，过程900可以由自主车辆的控制模块执行，诸如，感知与规划系统110的控制模块305。过程900可以作为框702处的操作的一部分执行。参考图9，在框901处，处理逻辑确定自主车辆的目标横向位置，以操纵规划路线或者对象或障碍物路道。在框902处，处理逻辑确定运动中的ADV的实际横向位置。在框903处，鉴于命令延迟和获取ADV的实际横向位置的延迟，处理逻辑基于目标横向位置和实际横向位置、使用第二PID控制器来计算第二转向角。

应注意，如上文示出和描述的部件中的一些或全部可以在软件、硬件或其组合中实施。例如，此类部件可以实施为安装并存储在永久性存储装置中的软件，所述软件可以通过处理器(未示出)加载在存储器中并在存储器中执行以实施贯穿本申请所述的过程或操作。替代地，此类部件可以实施为编程或嵌入到专用硬件(诸如，集成电路(例如，专用集成电路或ASIC)、数字信号处理器(DSP)或现场可编程门阵列(FPGA))中的可执行代码，所述可执行代码可以经由来自应用的相应驱动程序和/或操作系统来访问。此外，此类部件可以实施为处理器或处理器内核中的特定硬件逻辑，作为可由软件部件通过一个或多个特定指令访问的指令集的一部分。

图10是示出可以与本发明的一个实施方式一起使用的数据处理系统的示例的框图。例如，系统1500可以表示以上所述的执行上述过程或方法中的任一个的任何数据处理系统，例如，图1的感知与规划系统110或者服务器103至104中的任一个。系统1500可以包括许多不同的部件。这些部件可以实施为集成电路(IC)、集成电路的部分、分立电子装置或适用于电路板的其他模块(诸如，计算机系统的主板或插入卡)或者实施为以其他方式并入计算机系统的底盘内的部件。

还应注意，系统1500旨在示出计算机系统的许多部件的高级视图。然而，应当理解的是，某些实施例中可以具有附加的部件，此外，其他实施例中可以具有所示部件的不同配置。系统1500可以表示台式计算机、膝上型计算机、平板计算机、服务器、移动电话、媒体播放器、个人数字助理(PDA)、智能手表、个人通信器、游戏装置、网络路由器或集线器、无线接入点(AP)或中继器、机顶盒或其组合。此外，虽然仅示出了单个机器或系统，但是术语“机器”或“系统”还应当被理解为包括单独地或共同地执行一个(或多个)指令集以执行本文所讨论的任何一种或多种方法的机器或系统的任何集合。

在一个实施方式中，系统1500包括通过总线或互连件1510连接的处理器1501、存储器1503以及装置1505至1508。处理器1501可以表示其中包括单个处理器内核或多个处理器内核的单个处理器或多个处理器。处理器1501可以表示一个或多个通用处理器，诸如，微处理器、中央处理单元(CPU)等。更具体地，处理器1501可以是复杂指令集计算(CISC)微处理器、精简指令集计算(RISC)微处理器、超长指令字(VLIW)微处理器、或实施其他指令集的处理器、或实施指令集组合的处理器。处理器1501还可以是一个或多个专用处理器，诸如，专用集成电路(ASIC)、蜂窝或基带处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、网络处理器、图形处理器、通信处理器、加密处理器、协同处理器、嵌入式处理器，或者能够处理指令的任何其他类型的逻辑。

处理器1501(其可以是低功率多核处理器插座，诸如超低电压处理器)可以充当用于与所述系统的各种部件通信的主处理单元和中央集线器。这种处理器可以实施为片上系统(SoC)。处理器1501被配置成执行用于执行本文所讨论的操作和步骤的指令。系统1500还可以包括与可选的图形子系统1504通信的图形接口，图形子系统1504可以包括显示控制器、图形处理器和/或显示装置。

处理器1501可以与存储器1503通信，存储器1503在一个实施方式中可以经由多个存储器装置实施以提供给定量的系统存储器。存储器1503可以包括一个或多个易失性存储(或存储器)装置，诸如，随机存取存储器(RAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、静态RAM(SRAM)或者其他类型的存储装置。存储器1503可以存储包括由处理器1501或任何其他装置执行的指令序列的信息。例如，各种操作系统、装置驱动程序、固件(例如，输入输出基本系统或BIOS)和/或应用的可执行代码和/或数据可以加载到存储器1503中并由处理器1501执行。操作系统可以是任何类型的操作系统，例如，机器人操作系统(ROS)、来自

公司的

操作系统、来自苹果公司的Mac

来自

公司的

LINUX、UNIX，或者其他实时或嵌入式操作系统。

系统1500还可以包括I/O装置，诸如装置1505至1508，包括网络接口装置1505、可选的输入装置1506，以及其他可选的I/O装置1507。网络接口装置1505可以包括无线收发器和/或网络接口卡(NIC)。所述无线收发器可以是WiFi收发器、红外收发器、蓝牙收发器、WiMax收发器、无线蜂窝电话收发器、卫星收发器(例如，全球定位系统(GPS)收发器)或其他射频(RF)收发器或者它们的组合。NIC可以是以太网卡。

输入装置1506可以包括鼠标、触摸板、触敏屏幕(其可以与显示装置1504集成在一起)、指针装置(诸如，指示笔)和/或键盘(例如，物理键盘或作为触敏屏幕的一部分显示的虚拟键盘)。例如，输入装置1506可以包括联接到触摸屏的触摸屏控制器。触摸屏和触摸屏控制器例如可以使用多种触敏技术(包括但不限于电容、电阻、红外和表面声波技术)中的任一种，以及用于确定与触摸屏接触的一个或多个接触点的其他接近传感器阵列或其他元件来检测其接触和移动或间断。

I/O装置1507可以包括音频装置。音频装置可以包括扬声器和/或麦克风，以促进支持语音的功能，诸如语音识别、语音复制、数字记录和/或电话功能。其他I/O装置1507还可以包括通用串行总线(USB)端口、并行端口、串行端口、打印机、网络接口、总线桥(例如，PCI-PCI桥)、传感器(例如，运动传感器，诸如加速度计、陀螺仪、磁强计、光传感器、罗盘、接近传感器等)或者它们的组合。装置1507还可以包括成像处理子系统(例如，摄像机)，所述成像处理子系统可以包括用于促进摄像机功能(诸如，记录照片和视频片段)的光学传感器，诸如电荷耦合装置(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)光学传感器。某些传感器可以经由传感器集线器(未示出)联接到互连件1510，而诸如键盘或热传感器的其他装置可以由嵌入式控制器(未示出)控制，这取决于系统1500的具体配置或设计。

为了提供诸如数据、应用、一个或多个操作系统等信息的永久性存储，大容量存储设备(未示出)也可以联接到处理器1501。在各种实施方式中，为了实现更薄且更轻的系统设计并且改进系统响应性，这种大容量存储设备可以经由固态装置(SSD)来实施。然而，在其他实施方式中，大容量存储设备可以主要使用硬盘驱动器(HDD)来实施，其中较小量的SSD存储设备充当SSD高速缓存以在断电事件期间实现上下文状态以及其他此类信息的非易失性存储，从而使得在系统活动重新启动时能够实现快速通电。另外，闪存装置可以例如经由串行外围接口(SPI)联接到处理器1501。这种闪存装置可以提供系统软件的非易失性存储，所述系统软件包括所述系统的BIOS以及其他固件。

存储装置1508可以包括计算机可访问的存储介质1509(也被称为机器可读存储介质或计算机可读介质)，其上存储有体现本文所述的任何一种或多种方法或功能的一个或多个指令集或软件(例如，模块、单元和/或逻辑1528)。处理模块/单元/逻辑1528可以表示上述部件中的任一个，例如诸如控制模块305或机器学习引擎122。处理模块/单元/逻辑1528还可以在其由数据处理系统1500、存储器1503和处理器1501执行期间完全地或至少部分地驻留在存储器1503内和/或处理器1501内，数据处理系统1500、存储器1503和处理器1501也构成机器可访问的存储介质。处理模块/单元/逻辑1528还可以通过网络经由网络接口装置1505进行传输或接收。

计算机可读存储介质1509也可以用来永久性地存储以上描述的一些软件功能。虽然计算机可读存储介质1509在示例性实施方式中被示为单个介质，但是术语“计算机可读存储介质”应当被认为包括存储所述一个或多个指令集的单个介质或多个介质(例如，集中式或分布式数据库和/或相关联的高速缓存和服务器)。术语“计算机可读存储介质”还应当被认为包括能够存储或编码指令集的任何介质，所述指令集用于由机器执行并且使得所述机器执行本发明的任何一种或多种方法。因此，术语“计算机可读存储介质”应当被认为包括但不限于固态存储器以及光学介质和磁性介质，或者任何其他非暂时性机器可读介质。

本文所述的处理模块/单元/逻辑1528、部件以及其他特征可以实施为分立硬件部件或集成在硬件部件(诸如，ASIC、FPGA、DSP或类似装置)的功能中。此外，处理模块/单元/逻辑1528可以实施为硬件装置内的固件或功能电路。此外，处理模块/单元/逻辑1528可以以硬件装置和软件部件的任何组合来实施。

应注意，虽然系统1500被示出为具有数据处理系统的各种部件，但是并不旨在表示使部件互连的任何特定架构或方式；因为此类细节和本发明的实施方式没有密切关系。还应当认识到，具有更少部件或可能具有更多部件的网络计算机、手持计算机、移动电话、服务器和/或其他数据处理系统也可以与本发明的实施方式一起使用。

前述详细描述中的一些部分已经根据在计算机存储器内对数据位的运算的算法和符号表示而呈现。这些算法描述和表示是数据处理领域中的技术人员所使用的方式，以将他们的工作实质最有效地传达给本领域中的其他技术人员。本文中，算法通常被认为是导致所期望结果的自洽操作序列。这些操作是指需要对物理量进行物理操控的操作。

然而，应当牢记，所有这些和类似的术语均旨在与适当的物理量关联，并且仅仅是应用于这些量的方便标记。除非在以上讨论中以其他方式明确地指出，否则应当了解，在整个说明书中，利用术语(诸如所附权利要求书中所阐述的术语)进行的讨论是指计算机系统或类似电子计算装置的动作和处理，所述计算机系统或电子计算装置操控计算机系统的寄存器和存储器内的表示为物理(电子)量的数据，并将所述数据变换成计算机系统存储器或寄存器或者其他此类信息存储设备、传输或显示装置内类似地表示为物理量的其他数据。

本发明的实施方式还涉及用于执行本文中的操作的设备。这种计算机程序被存储在非暂时性计算机可读介质中。机器可读介质包括用于以机器(例如，计算机)可读的形式存储信息的任何机构。例如，机器可读(例如，计算机可读)介质包括机器(例如，计算机)可读存储介质(例如，只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)、磁盘存储介质、光存储介质、闪存存储器装置)。

前述附图中所描绘的过程或方法可以由处理逻辑来执行，所述处理逻辑包括硬件(例如，电路、专用逻辑等)、软件(例如，体现在非暂时性计算机可读介质上)或两者的组合。尽管所述过程或方法在上文是依据一些顺序操作来描述的，但是应当了解，所述操作中的一些可以按不同的顺序执行。此外，一些操作可以并行地执行而不是顺序地执行。

本发明的实施方式并未参考任何特定的编程语言进行描述。应认识到，可以使用多种编程语言来实施如本文描述的本发明的实施方式的教导。

在以上的说明书中，已经参考本发明的具体示例性实施方式对本发明的实施方式进行了描述。将显而易见的是，在不脱离所附权利要求书中阐述的本发明的更宽泛精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种修改。因此，应当在说明性意义而不是限制性意义上来理解本说明书和附图。

Claims (27)

1.一种用于自主车辆的转向控制的计算机实施的方法，所述方法包括：

基于所述自主车辆的目标方向角和实际方向角来计算第一转向角，以操纵障碍物路道；

基于所述自主车辆的目标横向位置和实际横向位置来计算第二转向角，以操纵所述障碍物路道；

基于所述第一和第二转向角来确定目标转向角；以及

基于下一目标转向角来控制所述自主车辆的随后转向角。

2.如权利要求1所述的方法，其中计算第一转向角包括：

确定所述自主车辆的所述目标方向角，以操纵所述障碍物路道；

确定运动中的所述自主车辆的所述实际方向角；以及

基于所述目标方向角和所述实际方向角使用第一比例-积分-微分控制器来计算所述第一转向角。

3.如权利要求2所述的方法，其还包括：

确定所述自主车辆的当前速度；以及

基于所述自主车辆的所述当前速度来调整所述第一比例-积分-微分控制器的比例系数。

4.如权利要求3所述的方法，其还包括：响应于确定所述当前速度超出预定阈值而减小所述第一比例-积分-微分控制器的所述比例系数。

5.如权利要求3所述的方法，其还包括：基于所述自主车辆的所述当前速度来调整所述第一比例-积分-微分控制器的微分系数。

6.如权利要求2所述的方法，其还包括：

确定所述自主车辆的转弯半径；以及

基于所述自主车辆的所述转弯半径来调整所述第一比例-积分-微分控制器的比例系数。

7.如权利要求6所述的方法，其还包括：响应于确定所述转弯半径超出预定阈值而增大所述第一比例-积分-微分控制器的所述比例系数。

8.如权利要求1所述的方法，其中计算第二转向角包括：

确定所述自主车辆的所述目标横向位置，以操纵所述障碍物路道；

确定运动中的所述自主车辆的所述实际横向位置；以及

基于所述目标横向位置和所述实际横向位置使用第二比例-积分-微分控制器来计算所述第二转向角。

9.如权利要求8所述的方法，其还包括基于下列项中的至少一个来调整所述第二比例-积分-微分控制器的比例系数、积分系数和微分系数：所述自主车辆的当前速度、针对车辆路径的所述自主车辆的当前转弯半径，以及所述自主车辆的最后命令。

10.一种存储有指令的非暂时性机器可读介质，所述指令在由处理器执行时致使所述处理器执行自主车辆的转向控制的操作，所述操作包括：

基于所述自主车辆的目标方向角和实际方向角来计算第一转向角，以操纵障碍物路道；

基于所述自主车辆的目标横向位置和实际横向位置来计算第二转向角，以操纵所述障碍物路道；

基于所述第一和第二转向角来确定目标转向角；以及

基于下一目标转向角来控制所述自主车辆的随后转向角。

11.如权利要求10所述的机器可读介质，其中计算第一转向角包括：

确定所述自主车辆的所述目标方向角，以操纵所述障碍物路道；

确定运动中的所述自主车辆的所述实际方向角；以及

基于所述目标方向角和所述实际方向角使用第一比例-积分-微分控制器来计算所述第一转向角。

12.如权利要求11所述的机器可读介质，其还包括：

确定所述自主车辆的当前速度；以及

基于所述自主车辆的所述当前速度来调整所述第一比例-积分-微分控制器的比例系数。

13.如权利要求12所述的机器可读介质，其还包括：响应于确定所述当前速度超出预定阈值而减小所述第一比例-积分-微分控制器的所述比例系数。

14.如权利要求12所述的机器可读介质，其还包括：基于所述自主车辆的所述当前速度来调整所述第一比例-积分-微分控制器的微分系数。

15.如权利要求11所述的机器可读介质，其还包括：

确定所述自主车辆的转弯半径；以及

基于所述自主车辆的所述转弯半径来调整所述第一比例-积分-微分控制器的比例系数。

16.如权利要求15所述的机器可读介质，其还包括：响应于确定所述转弯半径超出预定阈值而增大所述第一比例-积分-微分控制器的所述比例系数。

17.如权利要求10所述的机器可读介质，其中计算第二转向角包括：

确定所述自主车辆的所述目标横向位置，以操纵所述障碍物路道；

确定运动中的所述自主车辆的所述实际横向位置；以及

基于所述目标横向位置和所述实际横向位置使用第二比例-积分-微分控制器来计算所述第二转向角。

18.如权利要求17所述的机器可读介质，其还包括基于下列项中的至少一个来调整所述第二比例-积分-微分控制器的比例系数、积分系数和微分系数：所述自主车辆的当前速度、针对车辆路径的所述自主车辆的当前转弯半径，以及所述自主车辆的最后命令。

19.一种数据处理系统，其包括：

处理器；以及

存储器，所述存储器联接到所述处理器，以存储指令，所述指令在由所述处理器执行时致使所述处理器执行自主车辆的转向控制的操作，所述操作包括：

基于所述自主车辆的目标方向角和实际方向角来计算第一转向角，以操纵障碍物路道；

基于所述自主车辆的目标横向位置和实际横向位置来计算第二转向角，以操纵所述障碍物路道；

基于所述第一和第二转向角来确定目标转向角；以及

基于下一目标转向角来控制所述自主车辆的随后转向角。

20.如权利要求19所述的数据处理系统，其中计算第一转向角包括：

确定所述自主车辆的所述目标方向角，以操纵所述障碍物路道；

确定运动中的所述自主车辆的所述实际方向角；以及

基于所述目标方向角和所述实际方向角使用第一比例-积分-微分控制器来计算所述第一转向角。

21.如权利要求20所述的数据处理系统，其还包括：

确定所述自主车辆的当前速度；以及

基于所述自主车辆的所述当前速度来调整所述第一比例-积分-微分控制器的比例系数。

22.如权利要求21所述的数据处理系统，其还包括：响应于确定所述当前速度超出预定阈值而减小所述第一比例-积分-微分控制器的所述比例系数。

23.如权利要求21所述的数据处理系统，其还包括：基于所述自主车辆的所述当前速度来调整所述第一比例-积分-微分控制器的微分系数。

24.如权利要求20所述的数据处理系统，其还包括：

确定所述自主车辆的转弯半径；以及

基于所述自主车辆的所述转弯半径来调整所述第一比例-积分-微分控制器的比例系数。

25.如权利要求24所述的数据处理系统，其还包括：响应于确定所述转弯半径超出预定阈值而增大所述第一比例-积分-微分控制器的所述比例系数。

26.如权利要求19所述的数据处理系统，其中计算第二转向角包括：

确定所述自主车辆的所述目标横向位置，以操纵所述障碍物路道；

确定运动中的所述自主车辆的所述实际横向位置；以及

基于所述目标横向位置和实际横向位置使用第二比例-积分-微分控制器来计算所述第二转向角。

27.如权利要求26所述的数据处理系统，其还包括基于下列项中的至少一个来调整所述第二比例-积分-微分控制器的比例系数、积分系数和微分系数：所述自主车辆的当前速度、针对车辆路径的所述自主车辆的当前转弯半径，以及所述自主车辆的最后命令。

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