[發明專利]智能電動汽車路徑跟蹤模型預測控制方法

有效

• 申請號: 201811127310.4
• 申請日: 2018-09-27
• 公開（公告）號: CN109795502B
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發明（設計）人: 馬彥;趙津楊;張帆;陳虹
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B60W50/00
• 分類號: B60W50/00
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 白冬冬

1.一種智能電動汽車路徑跟蹤模型預測控制方法，其特征在于：考慮的路徑跟蹤控制模型包括車輛運動學模型以及動力學模型，分別是預瞄的運動學模型和考慮車輛橫擺穩定的動力學模型；根據最優預瞄模型確定航向偏差，根據二自由度自行車車輛模型保證車輛的穩定性能，跟蹤給定路徑；

(1)考慮極限工況的智能電動汽車路徑跟蹤模型搭建：

①基于預瞄的車輛運動學模型搭建,XOY為大地坐標系，xoy為車輛坐標系

其中，(X_s,Y_s)為期望跟蹤點B在大地坐標系XOY下的坐標，(X_v,Y_v)為車輛質心位置在大地坐標系XOY下的坐標，L為預瞄距離，為OY與oB的夾角，為OY與ox的夾角，為期望航向偏差，X_d為車輛縱向位移，Y_d為車輛側向位移，v_x為車輛縱向速度，v_y為車輛側向速度，為車輛的航向角；

②考慮車輛側傾以及橫擺兩個自由度的運動，假定車速為定值，將車輛簡化成為二自由度自行車模型，車輛質心側偏角β和橫擺角速度γ作為狀態變量，四輪的驅動轉矩和前輪轉角作為輸入，得

其中，β是質心側偏角，γ是車身的橫擺角速度，F_yf,F_yr分別代表二自由度車輛模型前輪側向力和后輪側向力，m代表整車質量，L_f,L_r分別代表車輛質心到前軸的距離和質心到后軸的距離，I_z為車輛繞z軸轉動慣量；M_z是車輛橫擺力矩，表達為

其中，d代表車輛軸長；F_xi代表四個輪的縱向力，下標i＝fl,fr,rl,rr分別代表左前輪、右前輪、左后輪、右后輪；

③車輛的驅動力矩可以描述為：

T_t＝(F_xfl+F_xfr+F_xrl+F_xrr)·r (4)

其中T_t為驅動力矩，r為輪胎半徑；

④公式(2)中的輪胎側向力的表達式為：

其中，F_yf,F_yr代表前后輪的側向力，C_f,C_r為前后輪轉向剛度，K_a,K_b為對魔術輪胎模型進行拉格朗日一次顯性化擬合系數，α_f,α_r為前、后輪側偏角，表示為：

其中，δ_f為前輪轉角；

⑤考慮在路徑跟蹤過程中，會發生轉向操作，為保證車輛的安全性加入車輛側傾平衡方程：

其中，I_x為車輛繞x軸的轉動慣量，d_tf,d_tr代表前輪輪距、后輪輪距，F_yi代表四個輪胎側向力，F_zi代表四個輪胎垂向力，F_yi和F_zi中的下標i＝fl,fr,rl,rr分別代表左前輪、右前輪、左后輪、右后輪，h_R代表車輛側傾高度，ρ代表側傾角；

⑥公式(7)中的垂向力F_zi由于受縱向加速度、側向加速度、側傾以及俯仰的影響，輪胎的垂向力負載描述為：

其中，h_cg代表車輛質心高度，g代表重力加速度，a_x代表縱向加速度，a_y代表側向加速度；

⑦根據車輛動力學可知：

為車輛航向角，γ為橫擺角速度；

⑧所建立的車輛路徑跟蹤系統模型為

至此，建立了一個考慮車輛運動學和動力學的系統模型，主要考慮了垂向載荷變化對系統的影響；

⑵基于模型預測控制的橫擺穩定控制器設計：

①將質心側偏角β，橫擺角速度γ和側傾角速度縱向位移X_d和側向位移Y_d作為系統的狀態變量，即將前輪轉向角δ_f以及四輪力矩T_xfl,T_xfr,T_xrl,T_xrr作為控制變量，即u＝[δ_f,T_xfl,T_xfr,T_xrl,T_xrr]^T；系統輸出y＝[β,γ]^T；

②將公式(13)描述的系統模型利用歐拉公式進行離散化，得到系統的離散時間模型為：

x(k)為狀態量，u(k)為控制量

其中，k為采樣時刻，T_s為采樣時間，矩陣

③定義預測時域為p，控制時域為c，p＞c；車輛在[k+1,k+p]預測時域內動態可以基于車輛當前狀態和預測模型得到；即在k+p時刻，車輛狀態為x(k+p)＝F(x(k),u(k),u(k+1),…,u(k+c),…,u(k+p-1))；當采樣時間T_s大于控制時域c時，保持控制輸入不變直到預測時域

u(k+c-1)＝u(k+c)＝u(k+c+1)＝…u(k+p-1)；

④定義在第k時刻，系統的最優控制輸入為：

在第k時刻，系統的預測輸出為

⑤在第k時刻，系統的參考輸入序列為

r_ref為參考值，在第k個采樣時刻，y(k)作為控制系統預測的初始值，即y(k|k)＝y(k)；

⑥對橫擺角速度加一個約束條件

其中，μ為路面附著系數；

⑶在進行控制策略推導過程中，考慮了車輛的跟蹤性能、車輛安全性、整車性能、駕駛舒適性、節約控制能量，提高整車動力學性能：

①主要的優化目標為提高車輛的跟蹤性能、整車性能

其中，Q為加權矩陣，Q₁,Q₂,Q₃,Q₄,Q₅是優化目標中的加權系數；β_r(k)為質心側偏角參考值，γ_r(k)為橫擺角速度參考值，X_r(k)為側向位移參考值，Y_r(k)為側向位移參考值，為側傾角速度參考值

②電機轉矩越大意味著從電池處消耗的能量就越大；為了減小能量消耗，控制量的平方和應盡量小，即

其中，R為加權矩陣，R₁,R₂是優化目標中的加權系數；

②為了減小控制動作的變化頻率，以保證駕乘的舒適性，保持平滑的轉向和電機驅動行為，則控制目標為，

其中，S為加權矩陣，S₁,S₂是優化目標中的加權系數；

⑷綜上，得到總的目標函數，即

約束：

電機飽和約束：

-T_emax≤T_i(k+j|k)≤T_emax,i＝fl,fr,rl,rr,j＝1,2,...,m`-1. (23)

T_emax為電機額定功率

安全性約束：

力矩約束：

四個電機的轉矩和等于來自驅動踏板的總驅動轉矩T_t，

T_t＝T_fl(k+j|k)+T_fr(k+j|k)+T_rl(k+j|k)+T_rr(k+j|k),j＝1,2,...,m`-1. (25)。