[發明專利]一種基于切換控制的自主車輛路徑跟蹤與穩定性控制方法

有效

• 申請號: 202110460774.2
• 申請日: 2021-04-27
• 公開（公告）號: CN113176733B
• 公開（公告）日: 2023-06-16
• 發明（設計）人: 李攀碩;魯仁全;李鴻一;周琪
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 廣東廣信君達律師事務所 44329
• 代理人: 張生梅

1.一種基于切換控制的自主車輛路徑跟蹤與穩定性控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1、采集車輛固有參數和車輛運行過程中的實時參數；

S2、利用采集的車輛參數，建立包含參數不確定和時變參數的狀態反饋切換控制模型；

S3、設計切換控制器；

S4、求解出切換控制器的增益；

S5、將得到的切換控制器的增益與系統狀態進行運算，得到所需的控制量，從而對系統進行控制；

所述步驟S1中，

固有參數包括：車輛總質量m，車身轉動慣量I_z，前、后軸到車輛重心的距離l_f、l_r，前、后輪輪胎的側偏剛度C_f、C_r；

實時參數包括：前輪轉向角δ，車輛縱向速度v_x，車輛橫向速度v_y，橫擺角速度r，質心側偏角β；e_y為車輛重心到期望路徑之間的橫向偏移距離，φ為車輛實際航向和期望路徑的切線方向之間的航向偏移，l_s為車輛重心點距離期望路徑上的預瞄點之間的縱向距離，κ(t)為期望路徑在預瞄點處的曲率；

所述步驟S2建立包含參數不確定和時變參數的狀態反饋切換控制模型的具體過程如下：

S2-1、建立車輛二自由度模型來表征車輛的橫向動力學：

根據牛頓力學定律，可得到以下方程：

式(1)和式(2)中，m為車輛總質量，β為車輛質心側偏角，r為橫擺角速度，為橫擺角加速度，F_yf和F_yr分別為前、后輪的輪胎側向力，v_y和v_x分別為車輛橫向和縱向速度，為車輛橫向加速度，I_z為車身轉動慣量，l_f、l_r分別為前后軸到車輛重心的距離，分別為前后輪胎的側偏剛度，α_f,α_r分別為前、后輪側偏角；

S2-2、建立自主車輛行駛的路徑跟蹤模型：

根據車輛運動學方程，可建立如下模型：

式(3)中，和分別表示e_y和φ對時間的一階導數；

S2-3、選取車輛重心到期望路徑之間的橫向偏移距離e_y，車輛實際航向和期望路徑的切線方向之間的航向偏移φ，車輛橫向速度v_y和橫擺角速度r作為控制模型的狀態變量，得到車輛橫向運動模型的狀態空間方程：

式(4)中，為x對時間的一階導數，

u(t)＝δ(t),w(t)＝κ(t),

由于不同路面摩擦下的輪胎側偏剛度存在不確定性，因此，將輪胎側偏剛度表示為其中C_f,C_r為基礎值，ΔC_f,ΔC_r為不確定部分，且ΔC_f＝η_fC_ff,ΔC_r＝η_rC_rr,η_f∈[-1,1],η_r∈[-1,1]，C_ff,C_rr為不確定量的最大值；

S2-4、將側偏剛度的不確定性代入狀態空間方程：

式(5)中，

將ΔA,ΔB表示為以下范數有界形式：

ΔA＝H_aF_aE,ΔB＝H_bF_bG,???????(6)

式(6)中：

H_b＝I₄,F_b＝η_fI₄,

0_2×2表示維度為2行2列的零矩陣，I₂表示維度為2行2列的單位矩陣，0_4×4表示維度為4行4列的零矩陣，I₄表示維度為4行4列的單位矩陣；

S2-5、考慮模型中的車輛縱向速度v_x為時變參數，設ρ₁＝v_x,將系統的狀態空間方程重寫為：

式(7)中，

ΔA(ρ)＝H_aF_aE(ρ)

假設車輛縱向速度v_x在一定在范圍內變化，即將區間劃分為S個子區間，則對于第i個子區間，有v_x∈[v_i-1,v_i),i∈N,N＝{1,2,...,S}，v_x對應的變量ρ也劃分為對應的S個子集合，對于第i個子集合，有ρ₁∈[v_i-1,v_i)，ρ在第i個子區間的值會在頂點為q_i,1,q_i,2,q_i,3,q_i,4的梯形范圍內變化，其中四個頂點的值表示為：

用集合的形式表示即為：

其中α_i,j(ρ),i∈N,j＝1,2,3,4用于與集合的頂點q_i,j一起描述ρ在多胞體中的具體位置；v_x∈[v_i-1,v_i)，α_i,j(ρ)的值取為：

S2-6、選取系統的控制輸出為引入切換信號σ(t)，則系統表述為如下切換多胞體時變參數形式：

z(t)＝Cx(t)?????????????????(8)

式(8)中，

C＝I₄

切換信號σ(t)∈N為一個分段的時間常數函數，其采用一個受約束的序列，使得系統的切換只發生在相鄰的模態之間，也即對于第i個子系統，只能切換到第i+1或i-1個子系統；

所述步驟S3中，

設系統的切換控制器為u_σ(t)(t)＝K_σ(t)(ρ)·x(t)，其中K_σ(t)(ρ)為需要求解的控制器反饋增益，其為時變且依賴于參數ρ，則閉環系統表示為：

z(t)＝Cx(t)??????????????(9)

式(9)中，A_c,σ(t)(ρ)＝A_0,σ(t)(ρ)+ΔA_σ(t)(ρ)+(B+ΔB)K_σ(t)(ρ)；

選取H_∞參數來表征輸出z(t)，設||T||_∞表示系統的H_∞增益，||z||₂,||δ||₂分別表示z和δ的二范數，其中z^T,w^T分別表示z和w的轉置，以此類推。

2.根據權利要求1所述的一種基于切換控制的自主車輛路徑跟蹤與穩定性控制方法，其特征在于，所述步驟S4通過求解以下線性矩陣不等式，解出切換控制器的增益：

W_i≤μ_↑W_i+1,W_i+1≤μ_↓W_i,i＝1,2,...,S-1??????????(10)

式(10)中，sym{*}表示{*}+{*}^T，μ_↑＞1,μ_↓＞1為給定的正標量，W_i＞0,Q_i,j為需要求解的矩陣變量，ε_i,1和ε_i,2為需要求解的正標量，其中，i∈N,j＝1,2,3,4，切換控制器增益為對于參數變化范圍內的所有區間，有