（九）与生俱来的VCU信号

本文章学习总结自知乎大 V陈光的《无人驾驶干货铺》专栏，查阅原文请移步这里。

1 正文

汽车控制单元（Vehicle Control Unit，VCU），通过CAN 总线与汽车的发动机、变速器、油门踏板、制动踏板、车身控制器等各种电子设备通信，读取各个控制单元的工作状态，并在需要时对它们进行控制。

VCU 记载了汽车底盘的状态（车速、油门踏板开度、制动踏板状态、方向盘转角等）、汽车车身的状态（车门状态、车窗状态、前照灯状态、转向灯状态等）以及发动机的状态（转速，输出扭矩、燃油消耗等）。

作为上层算法和底盘控制的接口，VCU 不仅承担着控制汽车加减速、转向的工作，还承担着将底盘信息精确且及时传递到算法层的工作。无人驾驶中常用的 VCU 信号有：汽车车速、汽车方向盘转角、汽车航向角变化率、油门踏板开度、制动踏板开度等。对 VCU 信号的应用有多种方式，这里主要介绍两种：

(1) 障碍物运动状态计算
车载传感器（激光雷达、毫米波雷达、摄像机）检测的障碍物速度都是相对速度，因此需要结合自车车速才能确定障碍物的绝对速度，进而根据绝对速度确定障碍物的运动状态（静止、靠近、远离）；

(2) 航位推算
航位推算（Dead reckoning，DR）是指在丢失定位的情况下，使用自车传感器的信息，推测当前时刻自车所在位置与上一时刻所在位置的相对关系。在进行航位推算时，使用了汽车四轮运动学模型的简化模型——自行车模型，如下图所示：

汽车的前轮转角为$δ_f$，但这并不意味着汽车的运动角度为$δ_f$。分别做垂直于后轮和前轮的射线并交于 O 点，两轮模型会绕 O 点进行运动，在微小时间段 dt 内，认为 O 点静止。连接 O 点和汽车的质心，汽车的实际运动方向$v$垂直于该线段。运动方向$v$与车身方向所成的夹角$β$一般被称为侧偏角（参考 1中表述有误，将$β$称为了偏航角——博主注），车身方向与大地坐标系横轴间的夹角称为横摆角。根据几何关系，可推出$β$和$δ_f$的近似关系为：

$$β=tan^{-1}(\frac{l_r}{l_f+l_r}tan(δ_f))$$

假设 t 时刻汽车的状态为$x_t$，$y_t$，经过微小时间段 dt 后的 t+1 时刻，状态为$x_{t+1}$，$y_{t+1}$，根据几何关系，可推出：

$$\begin{gathered} x_{t+1}=x_t+v_t*cos(ψ_t+β)*dt \\ y_{t+1}=y_t+v_t*sin(ψ_t+β)*dt \end{gathered}$$

根据以上关系即可在丢失定位信息后的短时间内，依靠无人车自身的传感器信息，进行位置和位姿估计。

2 参考

1. 无人驾驶技术入门（九）| 与生俱来的 VCU 信号
2. 无人驾驶汽车系统入门（五）——运动学自行车模型和动力学自行车模型

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