原文鏈接：進階課程?丨Apollo控制技術詳解——控制理論

控制模塊根據預測的軌跡和估計的車輛狀態向油門、剎車或轉向扭矩發送適當的命令?？刂颇K使汽車盡可能接近計劃的軌跡。控制器參數可以通過最小化理想狀態和觀測狀態之間的誤差函數(偏差)來估計。

決策問題通常用POMDP加上一些機器學習的技術來解決。解決好規劃問題，需要把兩個方面做好，一個是數據閉環（Data Driven），另一個是基于規則的方法。

上周阿波君為大家詳細介紹了「進階課程?Apollo規劃技術詳解——Understand More on the MP Difficulty」。詳細地講解了Apollo EM planner規劃框架，以及解決優化問題的常用方法：離散化的方式、Expectation??Maximization（期望最大化）。

本周阿波君將繼續與大家分享Apollo控制技術詳解——控制理論的相關課程。下面，我們一起進入進階課程第27期。

目錄

1.簡介

2.控制模塊

3.什么是控制，為什么需要控制

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本節主要介紹Apollo控制相關內容，包括常用控制理論、功能限制與未來趨勢、相似原理在不同模塊中的應用。目的是讓大家了解控制模塊的整體脈絡及理論，通過案例講解將理論轉化成code及真正測試標準的方法。

1.簡介

本次課主要介紹以下三個方面的內容：

• 通用控制理論及其在Apollo自動駕駛平臺上的應用。

• 功能的限制和未來的趨勢。

• 類似的原理怎樣應用于不同的模塊。

首先我們回顧一下Apollo自動駕駛框架的基本結構，如圖1所示。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ????????????????圖1??Apollo 軟件框架

從圖中可以看出，控制模塊的輸入一方面來自planning（規劃模塊），另一方面來自反饋階段信息（如localization和HD Map），此部分信息包括車輛位置、朝向、速度等。

其輸出結果是控制指令，與下層模塊canbus（車輛交互標準）進行交互；同時控制模塊也會從底層車輛得到反饋信號（車輛本身in vehicle reference frame：速度信息、四輪轉速信息、車輛健康狀況信息、底盤是否報錯信息、危險信息）

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2.控制模塊

如圖2所示，控制模塊包括三個部分：預處理、控制器和后處理。其中，預處理部分的主要功能包括三方面，第一是對輸入信號的檢查，對不正常信號的過濾；第二是做一些緊急處理，第三是做一些濾波操作，例如信號的平滑等。

????????????????????????????????????????????????????????????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ????????????????圖2 控制模塊的組成

控制器主要功能包括：模型建立、系統識別和分析，控制器/觀察器設計以及參數調優等功能，如圖3所示。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ????????????????圖3 控制器的主要功能

后處理部分將信號發送給執行器，包括限制的處理以及信號濾波，如圖4所示。因為油門、剎車、轉向這種執行器本身有上下限、滯后（回滯曲線），所以需要對信號進行一些相關處理。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ????????????????????????圖4 后處理

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3.什么是控制，為什么需要控制

控制主要是為了彌補數學模型和物理世界執行之間的不一致性。對于自動駕駛而言，規劃的軌跡和車輛的實際運行軌跡并不完全一致，控制器按照規劃軌跡在條件允許下盡可能地調節車輛本身。為了能夠安全、舒適的行駛，自動駕駛系統對性能的要求需要控制模塊，主要體現在以下幾個方面，如圖5所示。

• 首先是穩定性，包括在所有場景下的車輛行為穩定和安全。

• 其次是穩定狀態的行為，減少或者消除規劃和實際車輛行為的差別。

• 最后是瞬時狀態的行為。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ????????????????圖5?自動駕駛系統對性能的要求

具體而言，自動駕駛系統是否滿足性能要求可以從三個角度去評測：時域、頻域以及discrete domain（離散域）。時域是指輸出在時間軸上應該滿足的要求。其衡量的指標包括steady state gain、rising time、setting time、overshoot和undershoot。每個指標對應的具體含義如圖6所示。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ????????????????圖6 控制模塊在時域上的性能要求

類似的，系統在頻域里也需要滿足一定的要求。在頻域空間，X軸是輸入頻率，Y軸是輸出跟輸入的比例，理想狀態下輸出和輸入比例應該為1。系統性能在頻域中的評價指標包括pass band、cutoff frequency等，如圖7所示。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ????????????????圖7?頻域的評判指標

除了時域和頻域的要求，還需要滿足discrete domain的要求。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ????????????????圖8 時域和頻域的相互關系

對系統來說，在time domain跟frequency domain中的系統需求是可以等價轉換的。系統在時域中的要求、響應、數學表達跟頻域是可以相互對應的。

此外，系統性能要求還有一些其它的考量指標，如圖9所示。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ????????圖9?滿足系統性能要求的額外考量指標

前面介紹了自動駕駛系統需要滿足一些性能需求，如果沒有控制器的話，這些性能指標可能難以滿足，這就是為什么在自動駕駛系統中需要引入控制器的原因。

那么怎么樣設計出好的控制模塊呢？最簡單的控制器就是PID控制器，即比例、積分、微分控制，它是一個model free的控制方法，也就是說PID控制具有通用性。PID控制的基本原理如圖10所示。

????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????圖10 ?PID 控制器

U是參考量，它和反饋信號之間的差距用error 表示，即圖中的e。比例控制P的意思是該控制量與誤差成比例，用kp*e(t)?表示。當kp比較小的時候，接近終值的速度會非常慢，如右圖的紅線所示，但是它有超調與undershoot現象。當kp設置比較大時，則達到穩態速度變快，但會超調，如右圖紫色曲線所示。如果系統中存在損耗，比如汽車上坡的動力或者摩擦損耗，使得比例控制每次增加的控制量就等于或者小于損耗時，出現穩態誤差，這就是引入積分控制的目的，它可以將之前的誤差進行積分，消除穩態誤差。而微分控制的目的是使系統更快的從瞬態轉化為穩態。系統的控制量就是P+I+D三項的和。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Apollo进阶课程㉗丨Apollo控制技术详解——控制理论的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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