[發明專利]基于動力學模型的履帶無人車輛軌跡跟蹤控制器設計方法

在審

• 申請號: 202111440661.2
• 申請日: 2021-11-30
• 公開（公告）號: CN114355882A
• 公開（公告）日: 2022-04-15
• 發明（設計）人: 李勝飛;汪洋;項燊;蘇波
• 申請（專利權）人: 中國北方車輛研究所
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 廖輝

本發明公開了一種基于動力學模型的履帶無人車輛軌跡跟蹤控制器設計方法，屬于車輛控制技術領域。該方法首先根據履帶車輛動力學模型建立狀態空間方程；其次根據設定的目標函數進行標準二次型轉化；在下一個控制周期內系統通過目標函數的優化過程計算出新的控制序列，反復進行滾動優化，從而實現軌跡跟蹤控制。本發明能夠保證車輛在各種速度條件下都具有高精度且穩定的跟蹤能力。

技術領域

本發明涉及車輛控制技術領域，具體涉及一種基于動力學模型的軌跡跟蹤控制器的設計方法。

背景技術

目前國內外研究學者對履帶式自主平臺的軌跡跟蹤控制進行了大量研究，但存在以下幾點不足：

1.研究對象都是低速運動的小型履帶式移動機器人，仿真車速不超過2m/s。并且仿真時給定的軌跡過于單一，普遍是跟蹤一段直線或者圓形軌跡。因此控制算法在車輛高速運動條件下跟蹤復雜軌跡時的準確性有待進一步驗證。

2.控制算法主要基于理想的車輛運動學模型進行構建，沒有考慮到打滑對車輛運動造成的影響，在復雜道路條件下跟蹤精度會有所降低。

3.仿真結果沒有體現出跟蹤過程中車輛速度和加速度的變化情況，評價指標只有跟蹤軌跡的精確度，缺乏對車輛行駛穩定性和跟蹤速度的考慮。

由于模型預測控制算法能夠有效結合車輛的約束條件對目標函數進行反復的在線實時優化，并能根據系統實際狀態與預測控制之間的誤差對預測值進行實時修正，能夠有效克服系統不確定性產生的擾動，消除模型誤差，非常適合于求解不能精確建立數學模型且存在約束條件的控制系統。因而基于模型預測控制算法來設計履帶無人車輛的軌跡跟蹤控制器，可使無人車輛在高速運動和非結構化道路環境下能夠準確、穩定的跟蹤參考軌跡。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種基于動力學模型的履帶無人車輛軌跡跟蹤控制器設計方法，能夠保證車輛在各種速度條件下都具有高精度且穩定的跟蹤能力。

基于動力學模型的履帶無人車輛軌跡跟蹤控制器設計方法，該方法的實現步驟如下：

步驟一：根據履帶車輛動力學模型建立狀態空間方程；

步驟二：根據設定的目標函數進行標準二次型轉化；

步驟三：在下一個控制周期內系統通過目標函數的優化過程計算出新的控制序列，反復進行滾動優化，從而實現軌跡跟蹤控制。

進一步地，所述步驟一中履帶車輛動力學模型建立狀態空間方程的過程如下：

根據履帶車輛動力學模型以及車輛局部坐標與全局坐標的轉換關系，得到式(1.1)所示的狀態方程：

將其表示為如下的非線性模型：

設定車輛的狀態量為控制量μ(t)＝[ω_L,ω_R]^T，輸出量為

將(1.2)所示的非線性系統進行線性化和離散化，得到的狀態空間方程表示為：

其中，

進一步地，所述步驟二中設定目標函數和進行標準二次型轉化的過程如下：設定目標函數：

將上述目標函數轉化為如下標準二次型：

其中，已知狀態量個數n＝6，控制量個數m＝2，輸出量個數p＝3，設定預測時域H_p＝60，控制時域H_c＝15，控制周期T＝0.1可以得到：