智能車輛的軌跡跟蹤控制方法研究.pdf

1、智能車輛，即車輛智能化，是未來車輛技術(shù)的主體發(fā)展方向，是車輛技術(shù)與控制、信息、人工智能等技術(shù)融合的結(jié)果，將極大提高車輛的安全性和自主性，改善現(xiàn)有的車輛操控方式。車輛智能化不僅促進(jìn)車輛工程學(xué)科的發(fā)展，也為控制等學(xué)科提出一系列挑戰(zhàn)性課題。目前，車輛智能化技術(shù)得到了不同領(lǐng)域、不同學(xué)科以及工程界的廣泛關(guān)注。
　　車輛智能化著重體現(xiàn)在環(huán)境認(rèn)知、行駛規(guī)劃和行駛控制三個(gè)方面。其中行駛控制中的重要內(nèi)容是高性能的車輛縱橫向運(yùn)動(dòng)控制，用于實(shí)現(xiàn)車輛自主

2、行駛、隊(duì)列行駛以及行駛軌跡跟蹤等功能。本文針對(duì)車輛縱橫向運(yùn)動(dòng)控制中的縱向車速和橫擺率跟蹤控制以及轉(zhuǎn)向行駛過程的軌跡跟蹤控制兩種工況進(jìn)行研究，以期為高速彎道行駛車輛的車速保持和橫擺穩(wěn)定控制，以及車輛換道、避障時(shí)的軌跡跟蹤控制提供可行的方法。
　　本文首先對(duì)車輛縱橫向運(yùn)動(dòng)建模問題進(jìn)行分析，建立了包含縱向、橫向、橫擺和側(cè)傾運(yùn)動(dòng)的四自由度車輛動(dòng)力學(xué)模型。由于模型階數(shù)較高，基于該模型進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)難度較大，因此通過仿真分析確定影響車輛縱橫向

3、運(yùn)動(dòng)的主要因素。根據(jù)分析結(jié)果，忽略側(cè)傾運(yùn)動(dòng)，將四自由度模型簡化為三自由度模型。為便于控制器設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步給出了兩種簡化模型，在MATLAB/Simulink環(huán)境下將這兩種簡化模型與原始模型進(jìn)行多種工況下的仿真比較，確定用于控制器設(shè)計(jì)的模型，并通過選擇時(shí)變參數(shù)，將其轉(zhuǎn)換為具有多胞形式的準(zhǔn)LPV(Linear Parameter Varible)模型。
　　針對(duì)縱向車速和橫擺率跟蹤控制問題，本文將縱橫向車速及橫擺率動(dòng)力學(xué)模型中

4、的轉(zhuǎn)向角作為已知干擾，縱向車速的倒數(shù)和橫擺率作為時(shí)變參數(shù)，將縱向車速和橫擺率跟蹤控制問題轉(zhuǎn)換成干擾抑制的準(zhǔn) LPV控制器設(shè)計(jì)問題。為了減小控制器設(shè)計(jì)的保守性，滿足實(shí)際應(yīng)用需求，根據(jù)車輛行駛工況分析了參數(shù)變化的范圍，并利用凸分解技術(shù)，將LPV系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為由有限個(gè)頂點(diǎn)凸組合的多胞形系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)每個(gè)頂點(diǎn)的H∞控制器和線性組合方式獲得了任意時(shí)變參數(shù)對(duì)應(yīng)的控制量，極大簡化了控制器設(shè)計(jì)與求解過程。對(duì)于每個(gè)頂點(diǎn)的H∞控制器設(shè)計(jì)問題，本文引入了縱向車速

5、和橫擺率跟蹤誤差積分項(xiàng)，給出了一種使閉環(huán)極點(diǎn)在設(shè)定圓盤范圍內(nèi)，極小化干擾到評(píng)價(jià)指標(biāo)的H∞性能，以及滿足控制量約束的控制器設(shè)計(jì)方法，討論了一種將車輛左右兩側(cè)力矩分解為四個(gè)車輪力矩的策略。為了檢驗(yàn)本文給出的控制器性能，在高精度車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件veDYNA中進(jìn)行了多種工況的仿真。結(jié)果表明，本文給出的LPV魯棒控制器能較好地跟蹤期望縱向車速和橫擺率，且具有較強(qiáng)的魯棒性。
　　針對(duì)智能車輛的軌跡跟蹤控制問題，本文首先在慣性坐標(biāo)系下用車輛質(zhì)

6、心橫向位移以及行駛方向描述車輛的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而給出了以車身坐標(biāo)系下橫向車速、質(zhì)心橫擺率和以慣性坐標(biāo)系下質(zhì)心橫向位移、行駛方向?yàn)闋顟B(tài)變量的車輛行駛軌跡動(dòng)態(tài)方程。在此基礎(chǔ)上，給出了一種轉(zhuǎn)向角的滾動(dòng)時(shí)域優(yōu)化方法，結(jié)合本文第三章給出的車輛縱向速度和橫擺率跟蹤控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)期望軌跡的跟蹤控制目標(biāo)。本文給出的軌跡跟蹤控制方法采用的是分層控制結(jié)構(gòu)，上層控制器規(guī)劃車輛轉(zhuǎn)向角，下層控制器跟蹤期望的縱向車速和橫擺率。該方法結(jié)構(gòu)簡潔，與實(shí)際車輛轉(zhuǎn)向與驅(qū)動(dòng)分