Phương pháp điều khiển Pure Pursuit

.1. Giới thiệu về Thuật toán Pure Pursuit

Thuật toán Pure Pursuit được phát triển để giúp xe tự lái theo một đường mục tiêu bằng cách tìm một điểm mục tiêu (target point) trên đường mà xe cần theo. Điểm mục tiêu này được chọn ở một khoảng cách nhất định về phía trước xe, và xe sẽ cố gắng đi thẳng đến điểm đó. Việc điều khiển xe sẽ dựa trên vị trí hiện tại của xe và góc lái cần thiết để di chuyển về phía điểm mục tiêu.

Nguyên lý hoạt động cơ bản của Pure Pursuit là

- Xe sẽ tìm một điểm mục tiêu nằm ở một khoảng cách cố định (hoặc thay đổi động) phía trước xe trên đường mà nó đang di chuyển.

- Xe sau đó sẽ điều chỉnh góc lái sao cho hướng của xe phù hợp với hướng của đường nối từ vị trí hiện tại đến điểm mục tiêu.

- Quá trình này lặp đi lặp lại liên tục, xe sẽ tiếp tục di chuyển và điều chỉnh hướng đi đến các điểm mục tiêu tiếp theo trên đường.

2. Cách thức hoạt động của Thuật toán Pure Pursuit

Quá trình điều khiển trong thuật toán Pure Pursuit có thể được mô tả qua các bước chính sau:

1. Xác định điểm mục tiêu (Target Point):

   - Thuật toán Pure Pursuit sẽ chọn một điểm mục tiêu trên đường mục tiêu mà xe cần theo, với khoảng cách từ xe đến điểm mục tiêu được xác định bởi một hằng số hoặc có thể thay đổi tùy thuộc vào tốc độ hoặc tình huống cụ thể.

   - Điểm mục tiêu này thường được chọn sao cho nó nằm ở phía trước xe, và xa đủ để cho phép điều chỉnh lái nhưng không quá xa để xe có thể bị lệch đường.

2. Tính toán góc lái (Steering Angle):

   - Dựa trên vị trí hiện tại của xe và điểm mục tiêu, thuật toán tính toán góc lái cần thiết để điều khiển xe hướng về phía điểm mục tiêu.

   - Góc lái sẽ được tính toán dựa trên bán kính của vòng cung xe cần đi qua để đạt được điểm mục tiêu.

   - Thuật toán sử dụng hình học đơn giản để tính toán góc lái sao cho xe di chuyển theo hướng của điểm mục tiêu.

3. Điều chỉnh góc lái liên tục:

   - Xe sẽ tiếp tục di chuyển và liên tục điều chỉnh góc lái để hướng về phía điểm mục tiêu.

   - Khi xe di chuyển và qua điểm mục tiêu, thuật toán sẽ tìm kiếm một điểm mục tiêu mới và tiếp tục điều chỉnh góc lái.

3. Công thức điều khiển trong thuật toán Pure Pursuit

Công thức chính để tính toán góc lái trong thuật toán Pure Pursuit dựa trên bán kính đường cong mà xe sẽ di chuyển và vị trí của xe hiện tại. Công thức này có thể được mô tả như sau:

 

Trong đó:

- delta  là góc lái cần thiết để xe đi theo đường mục tiêu.

- L  là chiều dài cơ sở của xe (tức là khoảng cách giữa trục trước và trục sau của xe).

- e  là khoảng cách từ xe đến điểm mục tiêu.

-  d  là khoảng cách giữa xe và điểm mục tiêu trên đường.

Thuật toán sẽ sử dụng công thức này để liên tục tính toán góc lái sao cho xe hướng về điểm mục tiêu đã được xác định.

4. Ưu điểm của thuật toán Pure Pursuit

Thuật toán Pure Pursuit có nhiều ưu điểm, bao gồm:

- Đơn giản và dễ triển khai: Pure Pursuit là một trong những thuật toán điều khiển xe tự lái đơn giản nhất. Cấu trúc toán học của thuật toán này dễ hiểu và dễ triển khai trên các hệ thống xe tự lái.

- Hiệu quả trong các tình huống lái theo đường thẳng hoặc cong nhẹ: Pure Pursuit rất hiệu quả khi điều khiển xe di chuyển theo những con đường có quỹ đạo rõ ràng và ít thay đổi đột ngột.

- Khả năng xử lý đường cong tốt: Vì thuật toán liên tục điều chỉnh hướng lái về phía một điểm mục tiêu, xe có thể dễ dàng theo dõi đường cong mà không cần phải tính toán quá nhiều về toàn bộ quỹ đạo.

5. Nhược điểm của thuật toán Pure Pursuit

Mặc dù có nhiều ưu điểm, thuật toán Pure Pursuit cũng có một số hạn chế:

- Không phù hợp với các đường cong gắt hoặc đường có độ phức tạp cao: Khi đường đi có những đoạn cong gắt hoặc sự thay đổi đột ngột trong quỹ đạo, thuật toán Pure Pursuit có thể không điều khiển xe một cách mượt mà hoặc chính xác. Lý do là vì thuật toán chỉ tập trung vào điểm mục tiêu ở một khoảng cách cố định mà không cân nhắc đến các yếu tố động khác như tốc độ hoặc phản ứng của xe.

- Có thể bị lệch khi tốc độ cao: Khi xe di chuyển với tốc độ cao, điểm mục tiêu sẽ di chuyển nhanh hơn, và điều này có thể gây ra sự thay đổi trong hướng lái của xe, khiến xe dễ bị lệch khỏi đường mục tiêu.

- Tùy thuộc vào việc chọn khoảng cách mục tiêu: Việc chọn khoảng cách điểm mục tiêu rất quan trọng. Nếu khoảng cách này quá gần, xe có thể phản ứng quá nhạy, và nếu quá xa, xe có thể không theo dõi đúng quỹ đạo, dẫn đến việc điều khiển kém hiệu quả.

6. Ứng dụng của thuật toán Pure Pursuit

 

Thuật toán Pure Pursuit thường được sử dụng trong các hệ thống xe tự lái cho các tình huống như:

- Xe tự lái trong môi trường không phức tạp: Pure Pursuit được áp dụng khi xe di chuyển trên những tuyến đường đơn giản hoặc trong môi trường mà quỹ đạo của xe có thể dễ dàng dự đoán.

- Điều khiển trong các cuộc thi xe tự lái: Thuật toán này đã được sử dụng trong nhiều cuộc thi xe tự lái, chẳng hạn như các cuộc thi của DARPA, nơi xe cần phải di chuyển theo một lộ trình xác định.

- Ứng dụng trong các hệ thống tự lái cấp độ 2 (L2): Thuật toán Pure Pursuit được áp dụng trong các hệ thống tự lái cấp độ 2, nơi xe có thể điều khiển tự động nhưng người lái vẫn phải có mặt và sẵn sàng can thiệp.