基于自抗扰与微分平滑的ALV横向控制方法技术

本发明专利技术提出一种基于自抗扰与微分平滑的ALV横向控制方法，并通过不同条件下的仿真证明了微分平滑与自抗扰相结合方法对欠驱动系统的控制效果及鲁棒性。首先建立地面自主驾驶车辆横向动力学模型；然后再根据该动力学模型，设计其微分平滑输出；最后根据所述的微分平滑输出和控制律以及自抗扰控制器，设计地面自主驾驶车辆横向控制系统的复合控制器。所述的自抗扰控制器包括跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性反馈控制律。

【技术实现步骤摘要】
基于自抗扰与微分平滑的ALV横向控制方法
本专利技术属于地面自主驾驶车辆系统横向控制领域，涉及一种基于自抗扰与微分平滑的ALV横向控制方法。
技术介绍
地面自主驾驶车辆(AutonomousLandVehicle,ALV)是未来作战系统(FCS)和智能交通系统(ITS)的关键组成部分，是当前智能机器人和人工智能等领域最活跃的研究方向之一。ALV不仅应具有加速、减速、前进、倒退、转弯等常规的移动功能，而且还应具有任务分析、环境感知、路径规划、路径跟踪、自动避障等自主能力。其研究则涉及机械、运动学与动力学、电子、计算机、信息处理、控制和人工智能等科学
FliessM，LevineJ，MartinP和RouchonP最先提出了微分平滑理论。对于欠驱动地面移动平台控制，当给定初始位置和目标位置后，可以利用微分平滑理论解决再定位的问题。微分平滑的概念刻画了原系统经过适当的动态扩展后可以等价于另一个系统的特性。平滑输出对于轨迹生成的问题具有重要作用，如果平滑输出已知，则可以得到相应的状态变量和控制变量。但该方法的缺点是只对微分平滑系统有效，并且平滑输出不易找到。微分平滑系统的提出使微分平滑理论广泛应用于控制问题中。微分平滑作为一种可行的轨迹生成方法已经应用于欠驱动航天器的研究中。自抗扰控制技术是吸收现代控制理论成果、发扬PID思想精髓(基于误差来消除误差)、开发运用特殊非线性效应来发展的新型实用技术。自抗扰控制技术完全独立于被控对象的数学模型，其最突出的特点就是把作用于被控对象的所有不确定因素的作用都归结为“未知扰动”而利用对象的输入输出数据对它进行实时估计并给予补偿。自抗扰的意义就在于此，这里并不需要直接测量外扰作用，也不需要实现知道扰动的作用规律。这也使得在恶劣的环境中要求实现高速高精度控制的场合，自抗扰控制技术更能显出其优越性。
技术实现思路
本专利技术是针对现有技术的缺陷，提出一种基于自抗扰与微分平滑的ALV横向控制方法，并通过不同条件下的仿真证明了微分平滑与自抗扰相结合方法对欠驱动系统的控制效果及鲁棒性。本专利技术的技术方案如下：一种基于自抗扰与微分平滑的ALV横向控制方法，首先建立地面自主驾驶车辆横向动力学模型；然后再根据该动力学模型，设计其微分平滑输出；将微分平滑输出进行模型变换得到仿射型系统；最后根据所述的微分平滑输出以及自抗扰控制器，设计地面自主驾驶车辆横向控制系统的复合控制器；其中，复合控制器包括微分平滑输出、跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性反馈控制律；根据地面自主驾驶车辆的动力学模型所设计的微分输出如下其中，vy是车辆横向速度，r是车辆横摆角速度，lf为质心与前轴之间的距离，m为整车装备质量，Caf为前轮胎的侧偏刚度，Iz表示绕Z轴的转动惯量；系统所有状态，vy、r及控制输入δf均可由微分平滑输出F及其导数的函数来表示，因此根据微分平滑系统的定义，欠驱动运动控制系统在实施航迹控制时，具有微分平滑的特性。所述的跟踪微分器采用以下模型：其中而sgn为符号函数，其中，d＝r0h0,d0＝dh0,y0＝v1-v0+hv2其中，r0是待调参数，也是跟踪微分器的速度因子，h0是滤波因子，h为采样步长，Fr为平滑函数的参考轨迹，且Vyr和rr分别为横向速度和车身姿态角速度的参考轨迹，v1(k)为用来跟踪的输入信号，v2(k)是得到输入信号的近似微分信号,k表示时刻，d、d0、a、a0、y、y0为方程解算过程中的中间变量，在迭代中消除；通过求解此方程来获取近似微分信号，即一边跟踪输入信号，一边获取其近似的微分信号。所述的扩张状态观测器采用以下模型：其中：其中，z1(k)、z2(k)、z3(k)是k时刻扩张状态观测器的输出，h为采样步长，b0为控制变量的系数z1(k+1)、z2(k+1)、z3(k+1)是扩张状态观测器的输出，z1(k+1)跟踪系统状态v1(k),z2(k+1)跟踪系统的状态v2(k),z3(k+1)是估计系统的内部扰动和外部扰动，β01、β02、β03是观测器的系数，体现观测器的观测能力，e是状态误差,u(k)是系统的控制量，y为系统输出，δ是幂次函数fal的线性段区间长度，需要满足δ∈[0,1]，取δ＝0.01，α表示幂次函数fal的幂，α在两个fal函数中表示为α1和α2，满足0<α2<α1<1，取α1＝0.5，α2＝0.25。所述的非线性反馈控制律采用以下模型：其中，e1、e2分别是观测量与输入信号之间的误差及其微分，Kp、KD为误差反馈增益，体现控制器的控制能力，上式中δ满足δ∈[0,1]，取δ＝0.01，两个幂次函数的幂满足0<αp<1<αD，取αp＝0.5，αD＝2；得到自抗扰控制器控制律的表达式如下：u(k)＝u0-z3(k)/b0。(5)本专利技术的有益效果：1、当车速较高时，移动平台横向动力学线性模型可以满足其横向运动控制的要求；2、在微分平滑与ADRC相结合控制器的控制下，移动平台在0～40m/s速度范围内实现了平稳和高精度的横向运动，对自身参数、道路条件和换道时间等的变化亦具有很强的鲁棒性，可以满足高性能控制的要求，从而表明微分平滑与ADRC相结合的控制器用于高速移动平台横向运动控制是可行的；3、本专利技术可为正在研究的高速高机动平台的工程化设计提供指导。附图说明图1.地面自主驾驶车辆系统横向控制模型图；图2.在控制器U1下系统S1的输出响应；图3.在控制器U1下系统S2的输出响应；图4.在控制器U2下系统S2的输出响应；图5.轨道期望横向位移图；图6.车身角度的参考轨迹；图7.Vx＝1m/s和平台参数均为标称值下的输出曲线；图8.Vx＝20m/s和平台参数均为标称值下的输出曲线；图9.Vx＝13m/s和平台参数为非标称值下的输出曲线；图10.平台有摄动和扰动时的输出曲线。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作详细介绍。本专利技术的基于微分平滑和自抗扰控制技术的车辆系统横向控制方法，包括以下步骤：第一步、建立地面自主驾驶车辆系统横向控制模型见附图1，描述如下：其中，lf为质心与前轴之间的距离，lr为质心与后轴之间的距离，m为整车装备质量，Cf、Cr分别为前后轮胎的侧偏刚度，δf为车辆前轮转角，Iz表示绕Z轴的转动惯量，vx表示纵向速度，vy表示横向速度，表示横摆角速度。第二步、根据第一步建立的控制模型，设计其微分平滑输出：式(1)具有微分平滑特性，其微分平滑输出为：前轮的控制量δf输入表示为：系统所有状态，vy，r及控制输入δf均可由平滑输出F及其导数的函数来表示，因此根据微分平滑系统的定义，欠驱动运动控制系统在实施航迹控制时，具有微分平滑的特性。第三步、基于微分平滑和ADRC的控制器设计。1、地面自主移动平台横向运动平滑系统数学模型变换为设计平台横向运动平滑系统ADRC控制器，需将平滑系统模型(3)转换成仿射型。为此，令x1＝F，u＝δ，将式(3)改写为式(4)。其中，为了使系统成为纯积分的系统，我们要设计扩张状态观测器，用以消除内扰和外扰。故我们将式(4)写成扩张状态空间表达式的形式，如式(5)：其中，g(x1,x2)为f(x1,x2)的导数。2、基于微分平滑和ADRC的控制器设计下面我们基于式(5)和自抗扰控制方法进行自主移动平台横向运本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于自抗扰与微分平滑的ALV横向控制方法，其特征在于：首先建立地面自主驾驶车辆横向动力学模型；然后再根据该动力学模型，设计其微分平滑输出；最后根据所述的微分平滑输出和控制律以及自抗扰控制器，设计地面自主驾驶车辆横向控制系统的复合控制器。

【技术特征摘要】
1.一种基于自抗扰与微分平滑的ALV横向控制方法，其特征在于：首先建立地面自主驾驶车辆横向动力学模型；然后再根据该动力学模型，设计其微分平滑输出；将微分平滑输出进行模型变换得到仿射型系统；最后根据所述的微分平滑输出以及自抗扰控制器，设计地面自主驾驶车辆横向控制系统的复合控制器；其中，复合控制器包括微分平滑输出、跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性反馈控制律；根据地面自主驾驶车辆的动力学模型所设计的微分输出如下其中，vy是车辆横向速度，r是车辆横摆角速度，lf为质心与前轴之间的距离，m为整车装备质量，Caf为前轮胎的侧偏刚度，Iz表示绕Z轴的转动惯量；系统所有状态，vy、r及控制输入δf均可由微分平滑输出F及其导数的函数来表示，因此根据微分平滑系统的定义，欠驱动运动控制系统在实施航迹控制时，具有微分平滑的特性；所述的跟踪微分器采用以下模型：其中而sgn为符号函数，其中，d＝r0h0,d0＝dh0,y0＝v1(k)-Fr+hv2(k)其中，r0是待调参数，也是跟踪微分器的速度因子，h0是滤波因子，h为采样步长，Fr为平滑函数的参考轨迹，且Vyr和rr分别为横向速度和车身姿态角速度的参考轨迹，v1(k)为用来跟踪的输入信号，v2(k)是得到输入信号的近似微分信号,k表示时刻，d、d0、a、a0、y0为方程解算过...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏元清，孙中奇，阮广凯，高源，李春明，付梦印，邓志红，蒲钒，娜茜泰，叶镭，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11