【原】PreScan快速入门到精通第二十二讲驾驶员模型之路径跟踪

22.1 PreScan路径跟踪

路径跟踪驾驶员模型是一个Simulink子模块，它将轨迹（路径+速度曲线）转化为车辆动力学模型的转向角输入。油门、刹车和初始速度也被控制，但这些与轨迹速度曲线无关。

为了获得平稳的转向，在速度曲线编辑器中至少使用100 Hz的轨迹步进频率和100 Hz的Simulink更新率以及15m/s的速度（默认值）。

 在用户指定的动力学或第三方车辆动力学的情况下，建议使用带预瞄的路径跟踪器。

使用方法：

要配置路径跟随者参数，请双击块。会出现一个对话框，允许用户设置。

轨迹名称：默认值为PreScan GUI中定义的执行器活动轨迹。实际上用户可以选择实验中所有现有的轨迹。

可调整的转向增益因子。每辆车都有不同的转向行为。对于马自达来说这个值是1，奥迪8 1.1，雅力士1.1，本田泛欧0.05等。这个参数的默认值是1。

执行器转向位置点。如果为0，则执行器COG是跟随轨迹行驶的。X移位是以actor局部坐标系为基准。

可调式转向增益系数的默认值为1，但是，为了避免摩托车的侧倾角（滚动），该值必须手动设置。例如，Honda Pan欧洲摩托车需要0.05的转向增益。

在路径跟踪块的下方显示是：

 

路径跟踪器输入

参数                                      描述                                                                        单位
TrajOffset_x,y,Y	全球坐标系的轨迹起始位置。这些值由PreScan自动填充，并与执行器活动轨迹相关。	[m,m,deg]
执行器偏移量_左 (+)/右(-)	执行器与选定轨迹的垂直偏移。	[m]
位置 x,y,Y	执行器实际位置，x、y位移和颚部Y旋转	[m,m,deg]
初始速度	执行器初始速度	[m/s]
期望速度	执行器期望的速度，在一定范围内达到设定值。	[m/s]

路径跟踪器输出

参数                                      描述                                                                          单位
d_steeringwheel	方向盘转角	[deg]
Throttle	节气门开度0-100%	[%]
Brake pressure	制动踏板深度 0-100%	[%]
v0	初速度	[m/s]
Auto_GearShift	自动变速器挡位: [0] = 空挡 [1] = 驱动档	[-]
Actor/Traj_distance	执行器重心与最近轨迹点之间的距离。	[m]
Actor/Traj_angle	执行器纵轴与轨迹切线在最近点的夹角。	[deg]

使用实例

路径跟随模块块的输入和输出端口自动连接，如下图所示：

默认情况下，初始速度和期望速度的值取自执行器的速度编辑器的初始速度。如果改变了速度曲线的初始速度，并且重新生成了模型，那么路径跟随者的输入值也会改变。通过断开这些信号，可以使用其他的初始速度和期望速度。

速度编辑器中的初始速度

路径跟踪器使用：

设置期望速度 

路径跟随器在前进和/或静止状态下工作。

22.2 带有预瞄功能的路径跟踪系统

理论

带预瞄的PathFollower是基于最优预览控制理论。它计算出最佳的前轮转向角，以最小化行为人位置（车辆重心）和参考路径的横向误差。它近似于人类驾驶员的平均行为。

该算法使用10个预览点来计算方向盘角度。预览距离的计算方法是将行为人速度（米/秒）乘以 "预览时间"（默认为1秒）。这实际上是车辆在1秒的预览时间内移动的距离。10个横向误差(e_Latm)的计算方法是首先找到轨迹上最近的点(pvpref , m)，然后计算该点到行为体纵轴的距离。 

带预览的路径跟踪器是一个Simulink块，它将轨迹（路径+速度曲线）转化为车辆动力学模型的转向角输入。油门、刹车和初始速度也被控制，但这些与轨迹速度曲线无关。 

注1：为了获得平稳的转向，建议在速度曲线编辑器中的轨迹步频为100赫兹，Simulink更新率为100赫兹，速度为15m/s（默认值）。也支持可变速度。

为了进一步提高转向角的平滑度，可以将速度曲线编辑器中选择的速度降低到例如1m/s。仿真运行时间不会改变。请注意，因此在GUI中生成轨迹将需要更多的时间。 

注2：当车辆到达参考轨迹终点时，它将根据最后两个参考轨迹点，继续沿着外推路径行驶。

使用方法

预扫描图形用户界面 

在 "Actor's Object "配置对话框中选择"Driver Model "选项卡，然后选择 "PathFollowerwith preview"。 

单击 "Customize "按钮，以便修改Path Follower参数。会显示一个带有参数的对话框。

路径跟踪器，带预瞄参数

参数                            描述                                                                                      单位
预瞄时间	该控件可通过将预览时间乘以当前速度来确定前方的距离。 预览时间的实际值约为1秒。 路径跟随者 "转向角输出与预览时间成反比。 较短的预览时间，如0.5秒，可以用来获得响应的转向，使车辆保持在参考路径上。然而，对于快速的路径变化，较短的预览时间可能会导致过于激进的转向，从而导致车辆失控。 较长的预览时间反而会产生较平稳的转向，但 导致与参考路径的偏差较大。	[s]
延迟时间	模拟人类驾驶员的神经肌肉延迟的参数。	[s]
低速限制	如果车速降至此限值以下，则预览距离为指定预览时间乘以低速限值。	[km/h]
最大方向盘角度率	指定方向盘向任一方向转动的最大角速度。	[deg/s]
减频系数	该参数用于设置比Simulink编译表更低的横向控制器工作频率。 横向控制器的工作频率只能使用正整数值来降低，如果编译表的频率是1000Hz，那么降低系数4将导致 "带预览横向控制器的路径跟随者 "的频率为250Hz。如果编译表的频率是1000Hz，那么减少系数4将导致 "带有预览侧向控制器的路径跟随器 "的频率为250Hz。	[-]
结果频率	Path  Follower with Preview 侧向控制器频率=Simulink频率/频率系数

Simulink模型 

'带预览的路径跟踪器'Simulink模型位于Actor块的下方，通过双击Path Follower块，会出现一个对话框，显示参数。 

通过双击Path Follower块，会出现一个显示参数的对话框，这些参数由PreScanGUI自动填充。这些参数是由PreScan GUI自动填充的。

 

路径跟踪器有两个标签：控制器参数和系统参数。 

在 "控制器参数 "中，可以访问纵向PID控制器的参数和积分抗饱和参数。

使用以下控制器结构：

其中，可配置的参数为： 

P为比例增益 

I、整体收益 

D为导数收益 

AWU 为积分抗饱和参数。 

按复位PID按钮可将参数重置为原始值。 

在 "系统参数 "选项卡上，可以找到以下参数。 

轨迹名称：默认值是在PreScan GUI中定义的执行器活动轨迹。 

车辆质量 

车辆围绕偏航轴的惯性 

前轴到重心的距离（a） 

车辆轮基（a+b） 

最大方向盘角度 

预览时间

延迟时间

低速极限

最大方向盘角度率

侧向控制器频率=(Simulink频率)/降频系数。

侧向控制器模块，位于带预瞄功能的路径跟踪器内（见下图），以该频率执行。 

纵向控制器参数：PID控制器，积分抗饱和（AWU）。

路径跟随内部的预瞄模块

在用户指定的动力学和CarSim的情况下，与车辆动力学相关的路径跟随参数可以由用户在PreScanGUI对话框（见下面的对话框）中手动填写，方法是选择执行器对象配置菜单，然后选择动力学选项卡，最后按"自定义 "按钮。默认值继承自简单动力学。

下面显示了 "带预瞄的路径跟随者 "Simulink块

路径跟踪器预览输入

参数                             描述                                                                                      单位
TrajOffset_x,y,Y	全球（世界）坐标系的轨迹起始位置。这些值由PreScan自动填充，并与执行器活动轨迹相关。	[m,m,deg]

ActorOffset_Left (+)/Right(-)	执行器与所选轨迹的垂直偏移。:	[m]
position  x,y,Y	执行器的实际位置。X、Y位移和绕Z旋转（Rotz）。	[m,m,deg]
Initial  velocity	执行器的初始速度。	[m/s]
Desired  Velocity	Actor期望速度。执行器在一定范围内达到设定值。	[m/s]
velocity	执行器实际速度（actor actual velocity）。	[m/s]
vx	执行器实际速度X分量，在执行器坐标系中。	[m/s]
vy	Actor实际速度Y分量，在执行器坐标系中。	[m/s]
Yaw rate	车手偏航率。	[m/s]
Cornering Stiffness Tires Front	转弯时每弧度滑移角的前轮胎刚度。(左、右合并)	[N/rad]
Cornering Stiffness Tires Rear	过弯时后胎刚度，每弧度滑移角。(左、右合并)	[N/rad]
Steering  ratio	方向盘角度与车轮角度之比。	[-]

在用户指定的动力学和CarSim的情况下，路径跟随者 "常数 "块的值可以由用户在PreScan GUI对话框中手动填写（见上面的对话框），作为<轮胎前部转向刚度>、<轮胎后部转向刚度>和<转向比>的输入。默认值继承自Simple Dynamics。

路径跟踪器预瞄输出

参数                          描述                                                                                 单位
delta_steerwheel	方向盘转角	[deg]
Throttle	0-100%的节流阀。	[%]
Brake pressure	制动功率，以0-制动最大压力为基准。	[bar]
v0	初始速度	[m/s]
Auto_GearShift	自动变速箱挡位: [0] = neutral [1] = drive	[-]
Actor/Traj_distance	执行器重心与最近轨迹点之间的距离。	[m]
Actor/Traj_angle	执行器纵轴与轨迹切线在最近点的夹角。	[deg]

22.3 使用实例

Path follower with preview "块的输入和输出端口自动连接，如下图所示。

默认情况下，Initial Velocity和Desired Velocity的值取自actor的Speed Profile的InitialSpeed。如果改变了速度曲线的初始速度，并且重新生成了模型，那么路径跟踪器的输入值也会改变。通过断开这些信号，可以使用其他的初始速度和期望速度。

速度曲线初始速度 

路径跟踪器，使用预瞄：设置期望速度示例图