[發明專利]一種智能車的路徑跟蹤控制方法

有效

• 申請號: 201710958217.7
• 申請日: 2017-10-16
• 公開（公告）號: CN107831761B
• 公開（公告）日: 2020-07-17
• 發明（設計）人: 吳艷;李芳;王麗芳;張俊智;茍晉芳
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 關玲

1.一種智能車的路徑跟蹤控制方法，其特征在于：所述的控制方法包括以下步驟：

步驟一、建立二自由度車輛平面運動模型：

式中，X和Y為車輛的縱向和側向的位移，φ為車輛偏航角，v_x和v_y為車輛質心處的縱向和側向車速，w_r為車輛質心處的橫擺角速度，m為車輛的質量，F_yf和F_yr為車輛前后軸的側向力，a和b為前后軸到車輛質心處的距離，I_z為車輛橫擺轉動慣量；

為了讓車輛能夠完美地跟蹤理想參考路徑，其中參考的車輛位姿為(X_ref,Y_ref,φ_ref),車輛實際位姿為(X,Y,φ)，需要同時控制車輛的側向位移偏差Y_e＝Y-Y_ref和偏航角偏差φ_e＝φ-φ_ref都能夠趨近于0，因此簡化后的非線性的車輛路徑跟蹤控制模型與側向位移及偏航角有關；并根據控制需求將此模型簡化，得到非線性車輛路徑跟蹤控制模型如下：

其中，β為車輛質心側偏角，b＝aC_f/I_z，w(t)為外部擾動，δ_f為前輪轉角，C_f和C_r為前后輪的等效側偏剛度；

步驟二、構造期望偏航角函數使該期望偏航角函數滿足當車輛的偏航角趨近于該期望偏航角時，車輛的側向位移偏差Y_e收斂于0；期望偏航角函數用下式表示：

式中β為車輛的質心側偏角，當車輛低速行駛時簡化β＝0；Y_e為車輛的側向位移偏差，為車輛的參考偏航角；

步驟三、將偏航角跟蹤控制問題轉換成偏航角鎮定問題；

令x₁為實際偏航角與期望偏航角的偏差，為實際偏航角，為期望偏航角函數；將x₁—0作為控制目標，結合步驟一和步驟二，以無人駕駛車輛實際的偏航角與期望的偏航角的偏差作為偏航角鎮定控制系統的控制輸出，智能車的前輪轉角作為偏航角鎮定控制系統的控制輸入，構建偏航角鎮定控制系統如下式：

其中，y為偏航角鎮定控制系統的輸出，u＝δ_f為偏航角鎮定控制系統的控制輸入；

步驟四、根據步驟二和步驟三建立的偏航角鎮定控制系統設計非線性控制器：包括期望偏航角模塊、擴張狀態觀測器和非奇異終端滑膜非線性誤差反饋控制律；所述期望偏航角模塊根據步驟二得到的期望偏航角函數設計，所述的期望偏航角模塊的輸入為車輛的位置和姿態信息，輸出為期望的偏航角，用于實時地獲取期望的偏航角值；

所述的擴張狀態觀測器將偏航角鎮定控制系統未建模動態和外部擾動的總和作為一個新的未知量對所述的偏航角鎮定控制系統進行擴張，根據擴張后的偏航角鎮定控制系統構建線性或者非線性擴張狀態觀測器，用于估計所述的偏航角鎮定控制系統的狀態及其微分信號，以及所述的偏航角鎮定控制系統的未建模動態和外部擾動總和；

所述的擴張狀態觀測器用下式表示：

e₁為實際偏航角與期望偏航角偏差的估計誤差，z₁，z₂，z₃為觀測器的輸出，z₁和z₂是偏航角鎮定控制系統中的x₁和x₂的估計值，z₃為所述的偏航角鎮定控制系統未建模動態和外部擾動總和f的估計值；β₀₁，β₀₂，β₀₃為觀測器增益，a₁，a₂，δ為觀測器可調參數，當δ＝0時，所述的擴張狀態觀測器將變為線性擴張狀態觀測器；

所述的非奇異終端滑膜非線性誤差反饋控制律是結合非奇異終端滑模和指數趨近律，同時考慮控制輸入飽和極限設計自抗擾控制器中的非線性誤差反饋控制律；

所述的非奇異終端滑膜非線性誤差反饋控制律用下式表示：

其中，λ、η＝p/q、k₁、k₂為可調參數，其中λ0，p、q為正奇數，滿足1η＝p/q2，k₁0，k₂0，M為允許輸出的前輪轉角的最大絕對值，s為偏航角鎮定控制系統選取的非奇異終端滑膜面，表示如下：

s＝x₁+λx₂^η

在計算過程中s中的x₁和x₂采用相對應的估計值z₁和z₂代替；

步驟五、基于步驟四所設計的非線性控制器進行車輛的路徑跟蹤控制：將車輛的位置和姿態信息輸入到期望偏航角模塊來實時獲取期望偏航角，將車輛實際的偏航角與期望偏航角的偏差輸入到擴張狀態觀測器中獲得偏差的估計值、微分以及系統總擾動的估計值，將這些估計值輸入非線性誤差反饋控制律中獲得優化后的前輪轉角并輸出到車輛相應的執行機構。