一种四轮独立驱动无人驾驶电动车辆轨迹跟踪控制方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术算法简单有效，求解时间短、实时性好。

【技术实现步骤摘要】
一种四轮独立驱动无人驾驶电动车辆轨迹跟踪控制方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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，本专利技术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。本专利技术的总体思路是：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vx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δf，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δf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Mz，并将Mz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vdx与实际车速vx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Mz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Ti驱动车辆以期望车速vx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：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：udyn＝δf(2)式中:udyn代表控制量，δf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：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：ξdyn(k+1)＝Adyn(k)ξdyn(k)+Bdyn(k)udyn(k)(4)其中Adyn(k)＝I+TAdyn(t)，Bdyn(k)＝TBdyn(t)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：Np为预测时域，Nc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ay,min-ε≤ay≤ay,max+ε，-2.5°＜αf,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δf；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vxr与上层控制器计算出的车辆前轮转角δf，计算得到理想横摆角速度为：式中：γd为理想橫摆角速度，γ0为目标横摆角速度。γmax为目标横摆角速度的最大值，vxr为理想纵向速度。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：Iz代表汽车绕z轴的转动惯量，γ为实际的横摆角速度，Mx为橫摆控制力矩，lf为质心到前轴的距离，lr为质心到后轴的距离，Fyi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，lw为轮距，Md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：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：Fx＝[Fx1Fx2Fx3Fx4](11)式中：Fxi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；σi＝μiFzi，i＝1,...,4μi为i号车轮的路面附着系数。Fzi为第i号车轮所受的垂直载荷。WT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.SFx＝FT(15)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：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：与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：1.本专利技术设计了一种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。2.本专利技术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。并且所设计的上层控制器对车速、路面附着条件、参考轨迹有很好的鲁棒性。3.本专利技术基于准滑膜控制建立了橫摆力矩控制器，利用双曲正切函数代替符号函数，有效降低了准滑膜控制的抖振现象。4.本专利技术的下层控制器利用伪逆法对所本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：

【技术特征摘要】
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：ηdyn＝hdyn(ξdyn)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：udyn＝δf(2)式中:udyn代表控制量，δf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：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：ξdyn(k+1)＝Adyn(k)ξdyn(k)+Bdyn(k)udyn(k)(4)其中Adyn(k)＝I+TAdyn(t)，Bdyn(k)＝TBdyn(t)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：Np为预测时域，Nc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ay,min-ε≤ay≤ay,max+ε，-2.5°＜αf,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δf；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vxr与上层控制器计算出的车辆前轮转角δ...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭烈，李君臣，许林娜，孙大川，李琳辉，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21