星火计划学习笔记——第八讲Apollo控制模块解析与实践1

1. 控制理论简介

1.1 控制的作用

​
1.环境感知：激光雷达（Lidar）、雷达（Radar）、超声波、视觉相机、惯导（IMU）等
2.高精度地图（HD Map）：周围环境及地形的高精度建模（10cm左右的精度）0
3.控制规划及决策：对汽车进行智能控制
思想实验：

1. 可以睁开眼睛，但是换成更小的杯子
2. 闭上眼睛，往杯子里面倒水，要求不能洒出来
3. 如果眼睛是不能睁开的？找一个人在旁边指导，通过触觉系统感知，多试错几次

1.2 自动驾驶控制的目标

1.3自动驾驶控制器的设计

    对于控制理论方面，如果想要进一步了解，可以参考胡寿松的《自动控制原理》这本书以及现代控制论的有关知识。

2. 汽车运动学与动力学

2.1 常用的自动驾驶控制算法

    PID 控制无需基于模型。对于PID在车道保持方面的应用。自动驾驶之PID原理简述(简单易懂)

    控制油门和刹车可以控制车的纵向速度和位移，而横向控制不仅依赖于车辆转向还依赖于横向速度.纵向控制与横向控制无法完全解耦。

2.2 车辆运动学模型 Kinematics

    对于运动学与动力学的基本概念自动驾驶路径跟踪控制——车辆动力学建模基本概念这篇文章有所介绍。

    两轮车模型（自行车模型）自动驾驶路径跟踪控制——纯追踪控制之前这篇文章对自行车模型以及纯追踪控制有所介绍。

1. 只考虑车辆的平面运动
2. 左右车辆合并，不考虑转向时候左右轮子的转角差

$o$：车辆瞬心
$z$：车辆质心
$R$：转弯半径
$\beta$：速度与车辆纵轴的侧偏角（车身坐标系）
$\delta$：车辆转角（车身坐标系）
$\psi$：车身横摆角（世界坐标系）
$l$：前后轮轴质心距
$L$：前后轮轴距
    当车速比较慢时有$\beta$→0，前轮转向 ${\delta }_f$→0
只考虑运动学的缺点：

1. 实际情况下$\beta$不一定为0
2. 车辆速度方向不一定与轮胎方向一致
3. 模型完全由几何关系确立，没有考虑
   到运动过程中力的影响。

2.3 车辆动力学模型 Dynamics

二自由度侧向动力学模型

1. 考虑轮胎侧偏特性（轮胎受力变形）
2. 不考虑路面坡度影响

    当轮胎受到横向力时，轮胎由于形变产生侧滑。
$$F_y=C\theta$$
$C$: 侧偏刚度（负值）
$\theta$: 侧偏角（逆时针为正）

    受力分析中，第一条式子是对力的平衡进行分析；第二条式子是对力矩的分析。

    根据角度关系可以得到下列关系式。    根据上述公式，可以得到二自由度侧向动力学模型。
缺点：

1. 没有考虑坡度的影响（模型扩展：侧倾动力学模型）
2. 侧偏角较大时，轮胎侧向力与侧偏角不成正比。
   侧向力的大小取决于侧偏角，轮胎载荷，摩擦系数和轮胎纵向受力

    该模型并不是这么精确。

3. Apollo控制模块

3.1 Apollo控制模块

3.2 规划与控制相配合

3.3 Apollo控制模块的代码结构

3.3.1 代码文件与目录结构

/apollo/modules/control

• common （可复用的基础运算，包括差值计算，PID运算，超前滞后运算，轨迹分析计算等）
• conf （配置文件）
• controller （控制器，包括纵向控制器，横向控制器，MPC控制器）
• dag （CyberRT组件启动配置）
• proto
• submodules
• control_component （程序入口）

3.3.2 如何创建和使用自己的控制器

1. 在/apollo/modules/control/controller文件夹中
   创建控制器文件，继承controller.h，实现里面的接口
   2. 修改control_conf.proto文件，添加新的控制器名称

    enum ControllerType {
        LAT_CONTROLLER = 0;
        LON_CONTROLLER = 1;
        MPC_CONTROLLER = 2;
        XXX_CONTROLLER = 3;
    }

3. 在ControllerAgent中注册新的控制器
   在ControllerAgent::RegisterControllers() 函数中添加

    case ControlConf::XXX_CONTROLLER:
        controller_factory_.Register(
            ControlConf::XXX_CONTROLLER,
        []() -> Controller * { return new xxxController(); });
    break;

4. 修改control_conf.pb.txt配置文件

 active_controllers: XXX_CONTROLLER

4. 参数调节与分析工具

4.1 Apollo控制参数配置

注意：
/apollo/modules/control/conf/control_conf.pb.txt 只是一个临时文件
配置文件改完记得保存到 /apollo/modules/calibration/ 对应的车辆文件夹中
（如：/apollo/modules/calibration/data/Lincoln2017MKZ_LGSVL/control_conf.pb.txt）
    在DreamView切换车辆的时候，DreamView会从选中的车辆文件夹中拿到实际的配置文件来覆盖临时文件.

4.2 Apollo控制分析工具

实时分析工具：DreamView PNC Monitor

注意不同段曲线的含义
纵向误差
横向误差
方位角误差

离线分析：输出CSV文件

    修改配置 /apollo/modules/control/conf/control_conf.conf
添加 --enable_csv_debug=true。

    运行代码之后会生成两个csv文件。
/tmp/steer_log_simple_optimal_2022-xx-xx_xxxxxx.csv
/tmp/speed_log__2022-xx-xx_xxxxxx.csv

    以protobuffer的方式输出到Channel中，然后Python进行数据分析，用Matplotlib做可视化。

1. 创建一个节点实时监听Channel中的数据
   参考代码
   /apollo/modules/tools/plot_control/plot_control.py
2. 使用Cyber Recorder把数据录下来，然后使用Python解读
   

     还可以使用python进行数据分析。

参考文献

《车辆动力学及控制》