[發明專利]一種雙側電機驅動履帶車輛的綜合控制方法

有效

• 申請號: 202010467871.X
• 申請日: 2020-05-28
• 公開（公告）號: CN111812974B
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: 翟麗;侯宇涵;侯如非;張雪瑩
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 北京市誠輝律師事務所 11430
• 代理人: 范盈

本發明提供了一種雙側電機驅動履帶車輛的綜合控制方法，用于實現此種車輛的操縱穩定性與軌跡跟蹤的綜合控制。該方法中綜合考慮了雙側電機履帶車輛運動學以及動力學參數的影響。結合預瞄模型獲取航向角偏差與側向位移偏差，使車輛運動更符合實際駕駛員操縱特性；以雙側履帶力為控制量，考慮小半徑轉向與大半徑轉向之間的動力學差異，設計可切換的模型預測控制算法，使該控制方法適用于各曲率工況；實現了對側向位移偏差、航向角偏差、縱向速度以及橫擺角速度的綜合控制，實現了對期望軌跡位置點的跟蹤。同時為了保證轉向可控性，實現了操縱穩定性與軌跡跟蹤的綜合控制。

技術領域

本發明涉及履帶車輛控制領域，具體涉及一種雙側電機驅動履帶車輛的綜合控制方法，用于實現操縱穩定性與軌跡跟蹤的綜合控制。

背景技術

履帶車輛多采用雙電機獨立驅動，每側履帶有一個主動輪，其優點是結構簡單，傳動效率高，缺點是兩側驅動電機間沒有機械連接，因此對電機驅動系統和電子控制的要求較高。對于無人駕駛履帶車而言，軌跡跟蹤控制是其核心技術之一，軌跡跟蹤控制的目標是使無人駕駛履帶車穩定無誤地的沿著規劃層決策好的期望軌跡行駛。在早期的軌跡控制研究中，主要都是基于運動學模型的位置跟蹤，對兩側履帶速度進行控制，幾乎沒有考慮動力學約束和控制，也沒有同時考慮操縱穩定性動力學控制，無法保證跟蹤過程中轉向軌跡可控性。

模型預測控制可以考慮非線性動力學模型并預測未來一段時間內系統的輸出，通過滾動解決帶約束的多目標最優問題使得系統在滿足多目標跟蹤精度的同時滿足約束條件。智能輪式車輛軌跡跟蹤模型預測控制控制器基本包括5種類型：①基于無預瞄運動學模型的模型預測控制器；②基于預瞄運動學模型的模型預測控制器；③考慮動力學約束的模型預測控制器；④考慮運動學約束、動力學約束、穩定性控制的模型預測控制器；⑤考慮運動學約束、運動學約束、穩定性控制和力矩分配的模型預測控制器。然而，在現有的履帶車輛軌跡跟蹤方式中仍局限于上述第①種方法，沒有考慮動力學約束和操縱穩定性控制，實際轉向軌跡與期望軌跡會有較大偏差，并且所采用的無預瞄運動學模型在跟蹤精度及魯棒性方面，也存在一些不足。

發明內容

有鑒于此，針對上述現有技術中所存在的技術問題，本發明提供了一種雙側電機驅動履帶車輛的綜合控制方法，用于實現此種車輛的操縱穩定性與軌跡跟蹤的綜合控制。該方法具體包括以下步驟：

步驟一、確定待跟蹤的期望軌跡上的狀態量，并設置各狀態量的參考值；

步驟二、基于確定的各狀態量，針對履帶車輛建立預瞄運動學模型以及動力學模型；

步驟三、判斷車輛運動狀態判斷轉向半徑與車寬的關系，確定當前狀態下由所述預瞄運動模型及動力學模型共同組成的履帶車輛模型預測方程；

步驟四、結合履帶車輛實時運動狀態所對應的各狀態量，預測履帶車輛未來輸出量，根據預測輸出與參考值建立多目標優化函數，設置滿足機械限制、控制平順性、操縱穩定性的相關控制量約束條件，實時滾動優化獲得兩側履帶力最優控制量。

進一步地，所述步驟一中所確定的各狀態量及參考值，基于以下考慮：為了保證了車輛對軌跡位置點的跟蹤需要將橫向偏差與航向角偏差的參考值設置為0。然而這兩項無法保證轉向過程中的操縱穩定性，還需要對橫擺角速度設置參考值。在轉向過程中，期望橫擺角速度可由期望轉向半徑以及期望線速度共同給出。由此，各狀態量及參考值具體為：

其中，y_e為側向偏差，ψ_e為航向角偏差，ω為橫擺角速度，v為線速度，R為轉向半徑，下標均表示參考點。

進一步地，所述步驟二中建立預瞄運動學模型具體采用以下公式：

其中，為側向偏差變化率，為航向角偏差變化率，v_x為縱向速度，L_d為預瞄距離，β為質心側偏角，ρ為預瞄點處期望軌跡曲率；