Самокерований Автомобіль: Утримання в Смузі Руху з Використанням PID та Лучевого Сканування

PID контроль: основний робот зворотного зв’язку

Підтримка автомобіля в смузі руху є класичною проблемою зворотного зв’язку: вимірюється помилка (наскільки автомобіль відхилений від центру смуги), і керування кермом безперервно коригується, щоб зменшити цю помилку до нуля. PID-контролер — пропорційний, інтегральний, похідний — обчислює корекцію кермового управління як зважену суму трьох членів, кожен з яких реагує на різні аспекти сигналу помилки:

помилка = відхилення від центру смуги керування = Kp * похибка // P: реагує на поточну похибку + Ki * інтегрована(похибка dt) // I: усуває постійний зміщене положення + Kd * d(похибка)/dt // D: згладжує коливання, реагує на тенденцію жива демонстрація · підтримка смуги руху PID з реактивним об’їжджанням перешкод● LIVE Якщо б автомобіль мав нульову масу та нескінченну чутливість, то термін P сам по собі був би достатнім. Однак реальне керування кермом має інерцію та затримку: чистий контролер тільки з терміном P, залишений на місці, схильний або недостатньо реагувати (підтікати, відхилятися від центру на поворотах), або коливатися, якщо його сильно натиснути. Термін D передбачає, куди рухається похибка, і гальмує корекцію перед тим, як вона перекосить. Це робить добре налаштований PID-цикл плавним, а не ривковим. Термін I менш важливий для підтримки смуги руху (зазвичай немає постійної похибки, яку потрібно усунути), але є необхідним в загальному наборі інструментів PID для таких проблем, як регулювання швидкості автомобіля під нахилом, де контролер тільки з терміном P встановлюється в постійну похибку швидкості.

error = lane_center_offset

steer = Kp * error                          // P: react to current error
       + Ki * integral(error dt)            // I: cancel steady-state bias
       + Kd * d(error)/dt                   // D: damp oscillation, react to trend

Визначення центру смуги руху за допомогою променів

Для обчислення похибки центру смуги руху спочатку автомобіль створює промінь, що випроставляється з центру, і вимірює точку перетину кожного променя з межею дороги або розміткою смуги руху – такий самий метод використовується у 2D іграх для моделювання видимості та симуляції датчиків. Зазвичай достатньо одного короткого прямого променя вперед і пари нахилених променів вліво та вправо: порівняння відстаней до лівого та правого країв дає бокову зміщення безпосередньо, а порівняння кута найближчого сегменту краю з напрямком автомобіля дає член D для похибки нахилу.

Час зіткнення: коли гальмувати чи змінювати смугу руху

Самостійне утримання на смузі не зупиняє автомобіль від зіткнення з чимось у власному смузі, тому що паралельно працює реактивна шарка, яка спостерігає за переднім променем для виявлення перешкод та обчислює час до зіткнення (TTC) замість простої відстані:

TTC = відстань до перешкоди / швидкість наближення Якщо TTC, TTC є правильною величиною, ніж проста відстань, оскільки вона враховує відносну швидкість: автомобіль на відстані 40 метрів попереду, але з великою швидкістю наближення, набагато більш терміновий, ніж нерухома перешкода в 15 метрах, до якої автомобіль ледь підходить, і гальмування або рішення про зміну смуги руху, що базуються лише на відстані, або занадто рано гальмувати у повільно закриваючомуся просторі, або надто пізно у швидко закриваючомуся просторі. Реальні розширені системи допомоги водієві (попередня аварійне попередження, автоматичне екстрене гальмування) використовують TTC як основний тригер саме з цієї причини.

TTC = distance_to_obstacle / closing_speed

if TTC < braking_threshold:   apply brakes proportional to 1/TTC
if TTC < lane_change_threshold and a gap exists:   steer to change lane

Чому дві шари замість одного

Утримання смуги та запобігання зіткненням підтримуються окремими контролерами, а не об’єднані в один, оскільки вони працюють з різних часових масштабів і мають різні режими відмов: PID утримання смуги є плавним, безперервним, низькопріоритетним коригуванням, тоді як промінь виявляє неминучу зіткнення повинен негайно перекрити його та вжити рішучих заходів. Розділення шарів — така сама архітектура, що використовується в реальних автономних системах водіння, де шар планування встановлює плавний призначений курс, а швидший реактивний шар безпеки дозволяє порушити цей план, коли час до зіткнення падає нижче жорсткого порогу.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Self-Driving Car і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.