[發明專利]一種基于降維模型的轉向和制動一體化路徑跟蹤控制方法

有效

• 申請號: 202111285179.6
• 申請日: 2021-11-01
• 公開（公告）號: CN113954873B
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發明（設計）人: 王國棟;孟宇;劉立;顧青;鄭淏清;白國星;董國新
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: B60W60/00
• 分類號: B60W60/00;B60W50/00
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波;于春曉

本發明提供一種基于降維模型的轉向和制動一體化路徑跟蹤控制方法，屬于自動駕駛汽車路徑跟蹤控制技術領域。所述方法包括：構建汽車動力學模型、車輪動力學模型以及UniTire輪胎模型；對汽車動力學模型進行降維，構建汽車動力學降維模型；根據構建的汽車動力學降維模型、車輪動力學模型以及UniTire輪胎模型，構建基于降維模型的一體化MPC路徑跟蹤控制器；其中，在一體化MPC路徑跟蹤控制器中加入了輪胎力優化指標；根據構建的一體化MPC路徑跟蹤控制器，對路徑跟蹤控制問題進行求解，實現路徑跟蹤控制。采用本發明，能夠避免極限工況下因輪胎力過度利用導致車輛側滑及現有的基于MPC的轉向和制動一體化路徑跟蹤控制方法計算負擔重、實時性差的問題。

技術領域

本發明涉及自動駕駛汽車路徑跟蹤控制技術領域，特別是指一種基于降維模型的轉向和制動一體化路徑跟蹤控制方法。

背景技術

過去十年中，全球交通擁堵和道路安全狀況持續惡化。在我國，交通擁堵帶來的經濟損失占城市人口可支配收入的20％，相當于國內生產總值(GDP)的5-8％。另一方面，交通事故每年在全世界造成約135萬人死亡和約1.85萬億美元的經濟損失。緩解交通擁堵、減少交通事故、提高道路交通安全已成為世界各國亟待解決的問題。

近年來，自動駕駛技術的快速發展為解決這些問題帶來了希望。路徑跟蹤控制作為自動駕駛的最后一環，對實現汽車的自主駕駛和行駛穩定性起著至關重要的作用。迄今為止，路徑跟蹤控制已經得到了廣泛的研究。然而，由于交通環境和車輛系統的復雜性，路徑跟蹤控制仍然面臨許多挑戰。特別是極限工況下的避撞機動，由于車輛系統和輪胎系統的強非線性和耦合特，對路徑跟蹤控制提出了更高要求。目前，路徑跟蹤控制主要通過轉向控制實現。然而，在極限工況下的避撞機動中，由于輪胎側向力通常接近飽和，僅利用轉向可能無法避免碰撞，甚至導致車輛側滑。因此，在一些極限工況下的避撞機動中引入制動控制可以提高自動駕駛汽車的路徑跟蹤性能和穩定性。

目前，轉向和制動集成的路徑跟蹤控制研究多采用分層式控制方法，控制器首先計算前輪轉角和附加橫擺力矩，然后根據分配規則將附加橫擺力矩分配給相應的車輪進行制動。然而，分層式路徑跟蹤控制在求解前輪轉角和附加橫擺力矩時不能考慮制動執行機構的物理約束。因此，分層式路徑跟蹤控制無法確保控制輸入的最優性。針對該問題，論文[Wang?G,Liu?L,Meng?Y,Gu?Q?and?Bai?G.Integrated?path?tracking?control?ofsteering?and?braking?based?on?holistic?MPC.IFAC-PapersOnLine,54(2):45-50,2021.]基于模型預測控制(MPC)設計了一種轉向和制動一體化路徑跟蹤控制方法，基于MPC的控制方法可以考慮轉向和制動執行機構的物理約束，并直接求解出前輪轉角和四個車輪的制動力矩，解決了分層式路徑跟蹤控制無法確保控制輸入最優性的問題。然而，由于控制輸入的維度較高以及控制器模型較為復雜使得基于MPC的轉向和制動一體化路徑跟蹤控制方法的計算負擔巨大、實時性差，在工程應用中面臨巨大挑戰。另一方面，該研究未考慮輪胎力的優化問題，控制器在求解控制輸入時無法保證各個輪胎的輪胎力利用最優，在極限工況下的避撞機動中面臨因某個輪胎的輪胎力過度利用導致車輛側滑的問題。

發明內容

本發明實施例提供了基于降維模型的轉向和制動一體化路徑跟蹤控制方法，能夠解決現有基于MPC的轉向和制動一體化路徑跟蹤控制方法計算負擔重、實時性差，在工程中難以應用的技術問題，以及極限工況下因輪胎力過度利用導致車輛側滑的技術問題。所述技術方案如下：

本發明實施例提供了一種基于降維模型的轉向和制動一體化路徑跟蹤控制方法，包括：

構建汽車動力學模型、車輪動力學模型以及UniTire輪胎模型；

對汽車動力學模型進行降維，構建汽車動力學降維模型；