[發(fā)明專利]一種四輪獨立驅(qū)動無人駕駛電動車輛軌跡跟蹤控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810058632.1
• 申請日: 2018-01-22
• 公開（公告）號: CN108454623B
• 公開（公告）日: 2019-10-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郭烈;李君臣;許林娜;孫大川;李琳輝
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: B60W30/10
• 分類號: B60W30/10;B60W50/00
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 李洪福

1.一種四輪獨立驅(qū)動無人駕駛電動車輛軌跡跟蹤控制工作方法，其特征在于：包括以下步驟：

A、建立上層控制器，實現(xiàn)主動轉(zhuǎn)向控制

A1、根據(jù)車輛單軌模型，建立二自由度車輛動力學(xué)模型，并將其寫成狀態(tài)空間表達形式為：

η_dyn＝h_dyn(ξ_dyn)

式中：為狀態(tài)空間的狀態(tài)量的變化速度，ξ_dyn為狀態(tài)空間的狀態(tài)量，η_dyn為狀態(tài)空間的輸出量，u_dyn為狀態(tài)空間的控制量，f_dyn為狀態(tài)量和控制量之間的函數(shù)關(guān)系，h_dyn為輸出量和狀態(tài)量的函數(shù)關(guān)系；

考慮到輪胎所受的垂直力、縱向力、側(cè)向力和回正力矩對車輛的平順性、操縱穩(wěn)定性和安全性起著重要作用；基于小角度假設(shè)和線性輪胎公式推導(dǎo)出車輛動力學(xué)非線性模型，其中狀態(tài)量：

式中：代表車輛橫向速度，代表車輛的縱向速度，代表橫擺角，γ為橫擺角速度，Y為車輛的橫向位移，X為車輛的縱向位移；

控制量選取為：

u_dyn＝δ_f (2)

式中:u_dyn代表控制量，δ_f為前輪轉(zhuǎn)角；

A2、將公式(1)-(2)所示的車輛動力學(xué)非線性模型進行線性處理，得到需要的線性時變系統(tǒng)為：

式中：A_dyn(t)為狀態(tài)空間的狀態(tài)量的系數(shù)矩陣，B_dyn(t)為狀態(tài)空間的控制量的系數(shù)矩陣；

A3、將公式(3)采用一階差商的方法進行離散化處理，得到離散的狀態(tài)空間表達式：

ξ_dyn(k+1)＝A_dyn(k)ξ_dyn(k)+B_dyn(k)u_dyn(k) (4)

式中：ξ_dyn(k)為離散化后狀態(tài)空間的狀態(tài)量，u_dyn(k)為離散化后狀態(tài)空間的控制量，A_dyn(t)為離散化后狀態(tài)空間的狀態(tài)量的系數(shù)矩陣，A_dyn(k)＝I+TA_dyn(t)，B_dyn(t)離散化后狀態(tài)空間的控制量的系數(shù)矩陣，B_dyn(k)＝TB_dyn(t)，I為單位矩陣，T為采樣周期；

A4、設(shè)車輛軌跡跟蹤過程某一時刻為t時刻，為求t時刻的前輪轉(zhuǎn)角，建立如下目標函數(shù)：

式中：ΔU_dyn(t)為t時刻的控制增量，N_p為預(yù)測時域，N_c為控制時域，ρ為權(quán)重系數(shù)，ε為松弛因子；

A5、因為在建立車輛動力學(xué)非線性模型時對輪胎模型進行了線性近似，故在求解步驟A4所建立目標函數(shù)時，需要對輪胎側(cè)偏角、車輛橫向加速度、質(zhì)心側(cè)偏角進行約束，即a_y,min-ε≤a_y≤a_y,max+ε，-2.5°<α_f,t<2.5°，-2°<β<2°，否則會導(dǎo)致求解精度降低；

A6、對目標函數(shù)(5)求解后得到控制時域內(nèi)的一系列控制輸入增量和松弛因子：

將該t時刻對應(yīng)的控制量的第一個元素加上上一個時刻即(t-1)時刻對應(yīng)的控制量作為實際的前輪轉(zhuǎn)角的控制量δ_f；

A7、在t+1時刻，重復(fù)步驟A1-A6，完成對期望軌跡的跟蹤；

B、建立中層控制器，實現(xiàn)車輛橫擺穩(wěn)定性控制

B1、根據(jù)當前縱向車速v_xr與上層控制器計算出的車輛前輪轉(zhuǎn)角δ_f，計算得到理想橫擺角速度為：

式中：γ_d為理想橫擺角速度，γ₀為目標橫擺角速度；

式中：C_r為后輪側(cè)偏剛度，C_f為前輪側(cè)偏剛度，γ_max為目標橫擺角速度的最大值，v_xr為理想縱向速度，μ為路面附著系數(shù)；

B2、由平面四輪車模型，在y方向上進行受力分析得到汽車繞質(zhì)心的力矩方程為：

式中：I_z代表汽車繞z軸的轉(zhuǎn)動慣量，γ為實際的橫擺角速度，M_x為橫擺控制力矩，l_f為質(zhì)心到前軸的距離，l_r為質(zhì)心到后軸的距離，F(xiàn)_yi為第i個車輪的橫向力，車輛的左前、右前、左后、右后四個車輪分別標定為1、2、3、4號車輪，l_w為輪距，M_d為考慮側(cè)向風(fēng)、路面凹凸不平形成的干擾力矩；

根據(jù)式(9)建立準滑膜橫擺力矩控制器，為了降低滑膜變結(jié)構(gòu)的控制的高頻抖動，利用雙曲正切函數(shù)代替符號函數(shù)，準滑膜橫擺力矩控制器為：

式中：D為常數(shù)，D>0；s為目標橫擺角速度與理想橫擺角速度的差值，s＝γ₀-γ_d；

C、建立下層控制器，控制實際車速能穩(wěn)定跟蹤期望車速

C1、在進行驅(qū)動力矩分配之前，需要計算總的驅(qū)動力矩；下面將期望縱向車速和實際縱向車速的差值作為PID控制的輸入，電子油門開度作為PID控制的輸出；然后通過查油門工作特性表得到總的驅(qū)動力矩T；

C2、四個車輪的縱向力表示為：

F_x＝[F_x1 F_x2 F_x3 F_x4] (11)

式中：F_xi為第i個車輪的縱向力

構(gòu)建驅(qū)動力矩性能指標為：

式中：車輛的左前、右前、左后、右后四個車輪分別標定為1、2、3、4號車輪；

σ_i＝μ_iF_zi，i＝1,...,4

μ_i為i號車輪的路面附著系數(shù)；F_zi為第i號車輪所受的垂直載荷；W_T為加權(quán)矩陣：

C3、在步驟C2基礎(chǔ)上建立如下優(yōu)化函數(shù)，求解驅(qū)動力矩；

s.t. SF_x＝F_T (15)

式中：S為系數(shù)矩陣，F(xiàn)_T為縱向力矩陣；

C4、針對步驟C3建立的優(yōu)化函數(shù)，利用偽逆法進行求解：分配到四個車輪的力矩為：

式中：u₁,u₂分別代表左側(cè)、右側(cè)車輪總的驅(qū)動力矩；這里將左右兩側(cè)驅(qū)動力矩平均分配，即u₁＝0.5T，u₂＝0.5T；

C5、將中層控制器計算得到的橫擺控制力矩分配到四個車輪；分配規(guī)則如下：

式中：T_i為第i個車輪的驅(qū)動力矩；r為車輪的有效滾動半徑；ΔM為左右側(cè)力矩之差；

即車輛前后軸各產(chǎn)生所需附加橫擺力矩的1/2；車輛四個車輪最終的驅(qū)動力矩由步驟C4計算出的驅(qū)動力矩加上每個車輪應(yīng)分配的橫擺控制力矩，最終車輪驅(qū)動力矩為：