[发明专利]一种智能车的路径跟踪控制方法

权利要求书

1.一种智能车的路径跟踪控制方法，其特征在于：所述的控制方法包括以下步骤：

步骤一、建立二自由度车辆平面运动模型：

式中，X和Y为车辆的纵向和侧向的位移，φ为车辆偏航角，v_x和v_y为车辆质心处的纵向和侧向车速，w_r为车辆质心处的横摆角速度，m为车辆的质量，F_yf和F_yr为车辆前后轴的侧向力，a和b为前后轴到车辆质心处的距离，I_z为车辆横摆转动惯量；

为了让车辆能够完美地跟踪理想参考路径，其中参考的车辆位姿为(X_ref,Y_ref,φ_ref),车辆实际位姿为(X,Y,φ)，需要同时控制车辆的侧向位移偏差Y_e＝Y-Y_ref和偏航角偏差φ_e＝φ-φ_ref都能够趋近于0，因此简化后的非线性的车辆路径跟踪控制模型与侧向位移及偏航角有关；并根据控制需求将此模型简化，得到非线性车辆路径跟踪控制模型如下：

其中，β为车辆质心侧偏角，b＝aC_f/I_z，w(t)为外部扰动，δ_f为前轮转角，C_f和C_r为前后轮的等效侧偏刚度；

步骤二、构造期望偏航角函数使该期望偏航角函数满足当车辆的偏航角趋近于该期望偏航角时，车辆的侧向位移偏差Y_e收敛于0；期望偏航角函数用下式表示：

式中β为车辆的质心侧偏角，当车辆低速行驶时简化β＝0；Y_e为车辆的侧向位移偏差，为车辆的参考偏航角；

步骤三、将偏航角跟踪控制问题转换成偏航角镇定问题；

令x₁为实际偏航角与期望偏航角的偏差，为实际偏航角，为期望偏航角函数；将x₁—0作为控制目标，结合步骤一和步骤二，以无人驾驶车辆实际的偏航角与期望的偏航角的偏差作为偏航角镇定控制系统的控制输出，智能车的前轮转角作为偏航角镇定控制系统的控制输入，构建偏航角镇定控制系统如下式：

其中，y为偏航角镇定控制系统的输出，u＝δ_f为偏航角镇定控制系统的控制输入；

步骤四、根据步骤二和步骤三建立的偏航角镇定控制系统设计非线性控制器：包括期望偏航角模块、扩张状态观测器和非奇异终端滑膜非线性误差反馈控制律；所述期望偏航角模块根据步骤二得到的期望偏航角函数设计，所述的期望偏航角模块的输入为车辆的位置和姿态信息，输出为期望的偏航角，用于实时地获取期望的偏航角值；

所述的扩张状态观测器将偏航角镇定控制系统未建模动态和外部扰动的总和作为一个新的未知量对所述的偏航角镇定控制系统进行扩张，根据扩张后的偏航角镇定控制系统构建线性或者非线性扩张状态观测器，用于估计所述的偏航角镇定控制系统的状态及其微分信号，以及所述的偏航角镇定控制系统的未建模动态和外部扰动总和；

所述的扩张状态观测器用下式表示：

e₁为实际偏航角与期望偏航角偏差的估计误差，z₁，z₂，z₃为观测器的输出，z₁和z₂是偏航角镇定控制系统中的x₁和x₂的估计值，z₃为所述的偏航角镇定控制系统未建模动态和外部扰动总和f的估计值；β₀₁，β₀₂，β₀₃为观测器增益，a₁，a₂，δ为观测器可调参数，当δ＝0时，所述的扩张状态观测器将变为线性扩张状态观测器；

所述的非奇异终端滑膜非线性误差反馈控制律是结合非奇异终端滑模和指数趋近律，同时考虑控制输入饱和极限设计自抗扰控制器中的非线性误差反馈控制律；

所述的非奇异终端滑膜非线性误差反馈控制律用下式表示：

其中，λ、η＝p/q、k₁、k₂为可调参数，其中λ0，p、q为正奇数，满足1η＝p/q2，k₁0，k₂0，M为允许输出的前轮转角的最大绝对值，s为偏航角镇定控制系统选取的非奇异终端滑膜面，表示如下：

s＝x₁+λx₂^η

在计算过程中s中的x₁和x₂采用相对应的估计值z₁和z₂代替；

步骤五、基于步骤四所设计的非线性控制器进行车辆的路径跟踪控制：将车辆的位置和姿态信息输入到期望偏航角模块来实时获取期望偏航角，将车辆实际的偏航角与期望偏航角的偏差输入到扩张状态观测器中获得偏差的估计值、微分以及系统总扰动的估计值，将这些估计值输入非线性误差反馈控制律中获得优化后的前轮转角并输出到车辆相应的执行机构。