[发明专利]一种四轮独立驱动无人驾驶电动车辆轨迹跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种四轮独立驱动无人驾驶电动车辆轨迹跟踪控制工作方法，包括以下步骤：建立上层控制器，实现主动转向控制；建立中层控制器，实现车辆横摆稳定性控制；建立下层控制器，控制实际车速能稳定跟踪期望车速。本发明考虑车辆横向稳定性的四轮独立驱动无人驾驶车辆轨迹跟踪方法，通过上层控制器对期望轨迹进行跟踪，中层控制器利用上层控制器规划出的前轮转角对期望横摆角速度进行跟踪，实现了车辆在轨迹跟踪时的稳定性。本发明将车辆动力学约束加入上层控制器，能提高模型精确度和车辆行驶的安全性。上层控制器通过对车辆以及参考轨迹未来时刻的状态变化的考虑，提高了轨迹跟踪的精度。本发明算法简单有效，求解时间短、实时性好。

技术领域

本发明涉及到无人驾驶车辆控制领域，特别是一种四轮独立驱动无人驾驶电动车辆轨迹跟踪控制工作方法。

背景技术

随着计算机、信息、认知、机械、化学等学科的发展，人们认识到从车辆驾驶的自动化、电动化来解决交通安全问题和能源问题将是目前最有效的方法之一。无人驾驶车辆是一种典型的四轮移动机器人，是智能车辆发展的高级阶段，涉及众多交叉学科知识，是当代计算机科学、模式识别、控制技术的高度结合和发展的产物，其利用功能不一的传感器来感知车辆周围环境，并根据感知所获得的道路、车辆位置和障碍物信息，规划一条安全无碰撞的路径，控制车辆的速度和转向，从而使车辆能够安全、可靠地在道路上自主驾驶。

轨迹跟踪控制系统是无人驾驶车辆实现智能化和实用化的必要条件。实现全自主无人驾驶车辆在高速和冰雪等低附路面安全稳定的轨迹跟踪控制具有十分重要的意义。目前，轨迹跟踪控制算法大都针对传统车辆，控制目的为缩小车辆实际轨迹与期望轨迹的误差，并且现有轨迹跟踪控制算法的局限为很少将车辆的速度控制以及横摆控制考虑进轨迹跟踪控制算法，导致轨迹跟踪的精度低，易使车辆在高速以及低附路面发生侧滑、失稳现象。所以设计适合四轮独立驱动车辆的轨迹跟踪算法、提高车辆在高速以及低附工况下的轨迹跟踪能力是亟待解决的问题。

发明内容

为解决车辆在高速以及低附工况下的轨迹跟踪能力的技术问题，本发明提供一种四轮独立驱动无人驾驶电动车辆轨迹跟踪算法。该算法采用分层控制，将轨迹跟踪控制问题转化为上层无人驾驶车辆的主动转向控制、中层横摆稳定性控制、下层力矩分配问题。最终使四轮独立驱动无人驾驶电动车辆能实现高速、低附工况下对期望轨迹的稳定性跟踪。

本发明的总体思路是：建立三层控制器，如图1所示，无人驾驶车辆的系统决策层根据车辆周围环境信息，自动规划出期望车速v_x和期望轨迹f(x,y)。上层控制器接受系统决策层的期望轨迹，根据车辆当前状态计算出当前时刻期望的车辆的前轮转角δ_f，当前时刻车辆转向系统以此转角实现转向。中层控制器根据期望的前轮转角δ_f计算出车辆为达到理想橫摆角速度所需要的橫摆控制力矩M_z，并将M_z输入到下层控制器中的驱动力分配控制器。下层控制器中的车速跟随控制器将系统决策层决策出的期望车速v_dx与实际车速v_x作为车速跟踪控制器的输入，输出总的驱动力矩。驱动力分配控制器将横摆控制力矩M_z与总的驱动控制力矩T作为控制输入，计算得到四个车轮的驱动力矩T_i驱动车辆以期望车速v_x行驶。

一种四轮独立驱动无人驾驶电动车辆轨迹跟踪控制工作方法，包括以下步骤：

A、建立上层控制器，实现主动转向控制

A1、根据车辆单轨模型，建立二自由度车辆动力学模型，并将其写成状态空间表达形式为：