using System; using MultiWheelC.Control.Abstractions; namespace MultiWheelC.Control.Lateral { /// /// 使用参考曲率前馈、航向误差和横向误差计算车体中心目标曲率。 /// public sealed class StanleyLateralController : ILateralController { private const double MaximumMathematicalAngleRadians = Math.PI / 2.0 - 1e-3; /// /// 创建使用指定GCP几何、Stanley增益和低速保护参数的横向控制器。 /// public StanleyLateralController( double controlPointRadiusMeters, double crossTrackGainPerSecond, double headingErrorGain, double minimumSpeedMetersPerSecond, bool useActualSpeedForGain = true) { EnsureFinitePositive( controlPointRadiusMeters, nameof(controlPointRadiusMeters)); EnsureFiniteNonNegative( crossTrackGainPerSecond, nameof(crossTrackGainPerSecond)); EnsureFiniteNonNegative( headingErrorGain, nameof(headingErrorGain)); EnsureFinitePositive( minimumSpeedMetersPerSecond, nameof(minimumSpeedMetersPerSecond)); ControlPointRadiusMeters = controlPointRadiusMeters; CrossTrackGainPerSecond = crossTrackGainPerSecond; HeadingErrorGain = headingErrorGain; MinimumSpeedMetersPerSecond = minimumSpeedMetersPerSecond; UseActualSpeedForGain = useActualSpeedForGain; } /// /// 获取车体中心到前、后GCP的距离,单位为m。 /// public double ControlPointRadiusMeters { get; } /// /// 获取横向误差增益,单位为1/s。 /// public double CrossTrackGainPerSecond { get; } /// /// 获取航向误差的无量纲增益。 /// public double HeadingErrorGain { get; } /// /// 获取Stanley分母使用的最小速度绝对值,单位为m/s。 /// public double MinimumSpeedMetersPerSecond { get; } /// /// 获取是否优先使用Detour估算的实际纵向速度计算横向误差项。 /// public bool UseActualSpeedForGain { get; } /// /// 根据参考曲率、航向误差和横向误差计算车体中心目标曲率。 /// public LateralControlCommand Compute( PathTrackingContext context) { var speedForGain = SelectSpeedForGain(context); var speedMagnitude = Math.Max( Math.Abs(speedForGain), MinimumSpeedMetersPerSecond); var travelDirection = SelectTravelDirection(context); // 参考曲率提供前馈;没有跟踪误差时也能沿曲线行驶。 var feedforwardAngleRadians = Math.Atan( context.ReferenceCurvaturePerMeter * ControlPointRadiusMeters); // 轨迹位于车辆左侧时横向误差为正,对应正的左转修正。 var crossTrackCorrectionRadians = Math.Atan( CrossTrackGainPerSecond * context.LateralErrorMeters / speedMagnitude); // 倒车时需要反转反馈修正方向;参考曲率前馈仍由轨迹本身决定。 var feedbackAngleRadians = travelDirection * (HeadingErrorGain * context.HeadingErrorRadians + crossTrackCorrectionRadians); // 这里只避开tan奇点,实际GCP机械限制由AckermannGcpAllocator处理。 var targetEquivalentAngleRadians = Clamp( feedforwardAngleRadians + feedbackAngleRadians, -MaximumMathematicalAngleRadians, MaximumMathematicalAngleRadians); var targetCurvaturePerMeter = Math.Tan( targetEquivalentAngleRadians) / ControlPointRadiusMeters; return new LateralControlCommand( targetCurvaturePerMeter); } /// /// 清除横向控制器状态;当前Stanley实现没有跨周期状态。 /// public void Reset() { } /// /// 选择Stanley横向误差项使用的实际速度或旧版参考速度。 /// private double SelectSpeedForGain( PathTrackingContext context) { if (UseActualSpeedForGain && context.HasValidVelocityEstimate) { return context .ActualLongitudinalSpeedMetersPerSecond; } return context.ReferenceSpeedMetersPerSecond; } /// /// 根据有符号参考速度确定前进或倒车的反馈修正方向。 /// private static double SelectTravelDirection( PathTrackingContext context) { const double directionDeadbandMetersPerSecond = 1e-6; if (Math.Abs(context.ReferenceSpeedMetersPerSecond) > directionDeadbandMetersPerSecond) { return Math.Sign( context.ReferenceSpeedMetersPerSecond); } if (context.HasValidVelocityEstimate && Math.Abs( context.ActualLongitudinalSpeedMetersPerSecond) > directionDeadbandMetersPerSecond) { return Math.Sign( context.ActualLongitudinalSpeedMetersPerSecond); } return 1.0; } /// /// 将数值限制在指定闭区间内。 /// private static double Clamp( double value, double minimum, double maximum) { return Math.Max( minimum, Math.Min(maximum, value)); } /// /// 检查控制参数是否为正有限值。 /// private static void EnsureFinitePositive( double value, string parameterName) { EnsureFinite(value, parameterName); if (value <= 0.0) { throw new ArgumentOutOfRangeException( parameterName, "Stanley控制器的几何尺寸和最小速度必须是正有限值。"); } } /// /// 检查控制增益是否为非负有限值。 /// private static void EnsureFiniteNonNegative( double value, string parameterName) { EnsureFinite(value, parameterName); if (value < 0.0) { throw new ArgumentOutOfRangeException( parameterName, "Stanley控制增益必须是非负有限值。"); } } /// /// 检查控制参数是否为有限值。 /// private static void EnsureFinite( double value, string parameterName) { if (double.IsNaN(value) || double.IsInfinity(value)) { throw new ArgumentOutOfRangeException( parameterName, "Stanley控制参数必须是有限值。"); } } } }