[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

摘要

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。

主权项

1.一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，其特征在于：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：η_dyn＝h_dyn(ξ_dyn)式中：为状态空间的状态量的变化速度，ξ_dyn为状态空间的状态量，η_dyn为状态空间的输出量，u_dyn为状态空间的控制量，f_dyn为状态量和控制量之间的函数关系，h_dyn为输出量和状态量的函数关系；考虑到轮胎所受的垂直力、纵向力、侧向力和回正力矩对车辆的平顺性、操纵稳定性和安全性起着重要作用；基于小角度假设和线性轮胎公式推导出车辆动力学非线性模型，其中状态量：式中：代表车辆横向速度，代表车辆的纵向速度，代表横摆角，γ为横摆角速度，Y为车辆的横向位移，X为车辆的纵向位移；控制量选取为：u_dyn＝δ_f                     (2)式中:u_dyn代表控制量，δ_f为前轮转角；A2、将公式(1)‑(2)所示的车辆动力学非线性模型进行线性处理，得到需要的线性时变系统为：式中：A_dyn(t)为状态空间的状态量的系数矩阵，B_dyn(t)为状态空间的控制量的系数矩阵；A3、将公式(3)采用一阶差商的方法进行离散化处理，得到离散的状态空间表达式：ξ_dyn(k+1)＝A_dyn(k)ξ_dyn(k)+B_dyn(k)u_dyn(k)             (4)式中：ξ_dyn(k)为离散化后状态空间的状态量，u_dyn(k)为离散化后状态空间的控制量，A_dyn(t)为离散化后状态空间的状态量的系数矩阵，A_dyn(k)＝I+TA_dyn(t)，B_dyn(t)离散化后状态空间的控制量的系数矩阵，B_dyn(k)＝TB_dyn(t)，I为单位矩阵，T为采样周期；A4、设车辆轨迹跟踪过程某一时刻为t时刻，为求t时刻的前轮转角，建立如下目标函数：式中：ΔU_dyn(t)为t时刻的控制增量，N_p为预测时域，N_c为控制时域，ρ为权重系数，ε为松弛因子；A5、因为在建立车辆动力学非线性模型时对轮胎模型进行了线性近似，故在求解步骤A4所建立目标函数时，需要对轮胎侧偏角、车辆横向加速度、质心侧偏角进行约束，即a_y,min‑ε≤a_y≤a_y,max+ε，‑2.5°<α_f,t<2.5°，‑2°<β<2°，否则会导致求解精度降低；A6、对目标函数(5)求解后得到控制时域内的一系列控制输入增量和松弛因子：将该t时刻对应的控制量的第一个元素加上上一个时刻即(t‑1)时刻对应的控制量作为实际的前轮转角的控制量δ_f；A7、在t+1时刻，重复步骤A1‑A6，完成对期望轨迹的跟踪；B、建立中层控制器，实现车辆横摆稳定性控制B1、根据当前纵向车速v_xr与上层控制器计算出的车辆前轮转角δ_f，计算得到理想横摆角速度为：式中：γ_d为理想橫摆角速度，γ₀为目标横摆角速度；式中：C_r为后轮侧偏刚度，C_f为前轮侧偏刚度，γ_max为目标横摆角速度的最大值，v_xr为理想纵向速度，μ为路面附着系数；B2、由平面四轮车模型，在y方向上进行受力分析得到汽车绕质心的力矩方程为：式中：I_z代表汽车绕z轴的转动惯量，γ为实际的横摆角速度，M_x为橫摆控制力矩，l_f为质心到前轴的距离，l_r为质心到后轴的距离，F_yi为第i个车轮的横向力，车辆的左前、右前、左后、右后四个车轮分别标定为1、2、3、4号车轮，l_w为轮距，M_d为考虑侧向风、路面凹凸不平形成的干扰力矩；根据式(9)建立准滑膜橫摆力矩控制器，为了降低滑膜变结构的控制的高频抖动，利用双曲正切函数代替符号函数，准滑膜橫摆力矩控制器为：式中：D为常数，D>0；s为目标横摆角速度与理想橫摆角速度的差值，s＝γ₀‑γ_d；C、建立下层控制器，控制实际车速能稳定跟踪期望车速C1、在进行驱动力矩分配之前，需要计算总的驱动力矩；下面将期望纵向车速和实际纵向车速的差值作为PID控制的输入，电子油门开度作为PID控制的输出；然后通过查油门工作特性表得到总的驱动力矩T；C2、四个车轮的纵向力表示为：F_x＝[F_x1 F_x2 F_x3 F_x4]                                       (11)式中：F_xi为第i个车轮的纵向力构建驱动力矩性能指标为：式中：车辆的左前、右前、左后、右后四个车轮分别标定为1、2、3、4号车轮；σ_i＝μ_iF_zi，i＝1,...,4μ_i为i号车轮的路面附着系数；F_zi为第i号车轮所受的垂直载荷；W_T为加权矩阵：C3、在步骤C2基础上建立如下优化函数，求解驱动力矩；s.t. SF_x＝F_T                           (15)式中：S为系数矩阵，F_T为纵向力矩阵；C4、针对步骤C3建立的优化函数，利用伪逆法进行求解：分配到四个车轮的力矩为：式中：u₁,u₂分别代表左侧、右侧车轮总的驱动力矩；这里将左右两侧驱动力矩平均分配，即u₁＝0.5T，u₂＝0.5T；C5、将中层控制器计算得到的橫摆控制力矩分配到四个车轮；分配规则如下：式中：T_i为第i个车轮的驱动力矩；r为车轮的有效滚动半径；ΔM为左右侧力矩之差；即车辆前后轴各产生所需附加橫摆力矩的1/2；车辆四个车轮最终的驱动力矩由步骤C4计算出的驱动力矩加上每个车轮应分配的橫摆控制力矩，最终车轮驱动力矩为：