一种基于主动安全的智能汽车轨迹跟踪控制系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于主动安全的智能汽车轨迹跟踪控制系统，属于智能车辆自动驾驶领域。控制系统包括基于模型预测控制的轨迹跟踪控制单元和具有主动安全功能的线控转向单元，轨迹跟踪控制单元可实时获取车辆的精确位置与方向盘转角，从而获取车辆的姿态信息；结合目标轨迹参数计算出车辆的目标前轮转角，线控转向控制单元根据该目标前轮转角，实现对转向执行电机的精确控制；同时对车辆可能出现的侧翻危险进行预测，并进行主动前轮转角补偿控制，最终实现车辆的轨迹跟踪控制。本实用新型专利技术通过将模型预测控制理论与基于主动安全的线控转向技术相结合，保证智能汽车的可靠性，实现智能汽车在高速行驶时的轨迹跟踪控制。

An intelligent vehicle trajectory tracking control system based on active safety

The utility model discloses an intelligent vehicle trajectory tracking control system based on active safety, which belongs to the field of intelligent vehicle automatic driving. The control system includes the trajectory tracking control unit based on model predictive control and the line control unit with active security function. The trajectory tracking control unit can obtain the accurate position of the vehicle and the steering angle of the steering wheel in real time, thus obtain the attitude information of the vehicle, and calculate the front wheel rotation angle of the vehicle with the target trajectory parameters. The line control steering control unit can control the steering motor accurately according to the forward wheel angle of the target. At the same time, it predicts the possible side turn risk of the vehicle, and carries out the active front wheel angle compensation control, and finally realizes the track tracking control of the vehicle. By combining the model predictive control theory with the active security line control technology, the utility model ensures the reliability of the intelligent vehicle and realizes the trajectory tracking control of the intelligent vehicle at high speed.

【技术实现步骤摘要】
一种基于主动安全的智能汽车轨迹跟踪控制系统
本技术属于智能车辆自动驾驶领域，具体涉及一种基于主动安全的智能汽车轨迹跟踪控制系统。
技术介绍
汽车的智能化主要体现在以自动驾驶替代人工操作，汽车的行为和运行状态均可控可预测，既降低驾驶员的操作强度，又减少了交通事故发生率，根据实时路况信息规划出行路径，使车辆在道路上高效的行驶，最终实现道路交通“零伤亡、零拥堵”。因此，智能汽车是安全、高效、节能的下一代汽车，研究智能汽车具有极为重要的意义，已成为全球汽车产业界的关注焦点。目前已经投入使用的具有自动驾驶功能的车辆如码头无人驾驶车辆或带自动泊车功能的车辆的行驶环境处于低速、特定场合使用，但智能汽车需要以较高的车速行驶在复杂的道路环境中。使用车辆动力学模型对对车辆的未来行为进行预测，可以提高智能汽车高速下的可靠性与预测能力；同时，与低速行驶相比高速行驶下的执行机构控制输入、轮胎与地面摩擦引起的滑移，以及横向加速度引起的侧倾等动力学非线性约束条件的要求更加严格。对这些约束进行深入分析将进一步保障车辆形式的安全性与稳定性。本技术将建立基于车辆动力学模型的轨迹跟踪控制器，结合车辆高速运动下的各类约束，求解复杂约束条件下的模型预测控制方法。现有的技术中，存在以下技术问题：(1)大多数装置成本较高；(2)大多数只是进行单纯的仿真研究，没有考虑真正的执行机构运行时的安全问题；(3)智能汽车转向工况复杂多变，汽车转向操纵对各工况的控制要求较高，传统的控制策略无法满足高速行驶情况下的车辆稳定性与安全性。为了保证智能汽车高速行驶在复杂交通环境下的安全性与稳定性，本技术具体开发了一套基于主动安全的智能汽车轨迹跟踪控制系统。首先建立了基于线性时变模型预测控制算法的轨迹跟踪控制单元，结合各动力学约束，得出前轮转角理想值，为了进一步保证车辆运行的安全性，主动安全转向系统根据前轮转角理想值，进行基于侧翻预警的主动前轮转角补偿控制，以达到避免车辆侧翻的目标。
技术实现思路
为解决现有技术存在的不足，本技术提供了一种基于主动安全的智能汽车轨迹跟踪控制系统，在轨迹跟踪控制单元的基础上结合主动安全线控转向单元，最终达到车辆在高速复杂路况下的稳定性与安全性的要求。本技术是通过以下技术方案实现上述技术目的。一种基于主动安全的智能汽车轨迹跟踪控制系统，包括基于模型预测控制的轨迹跟踪控制单元和具有主动安全功能的线控转向单元，所述轨迹跟踪控制单元与线控转向单元通信；所述轨迹跟踪控制单元包括第一GPS天线、第一电台、第二电台、第二GPS天线、惯导系统、智能终端、方向盘转角传感器及前轮转角传感器，所述第一GPS天线与第一电台组成基准站，所述第二电台与第二GPS天线组成流动站，所述惯导系统采集惯导数据，所述流动站获取智能汽车的初始位置数据并接收基准站发送的差分信号对初始位置数据进行差分后，通过惯导数据校正智能汽车的精确位置数据并发送给智能终端，所述智能终端还通过串口接收方向盘转角传感器、前轮转角传感器采集的方向盘转角、前轮转角，从而计算出智能汽车的目标转角；所述线控转向单元包括MCU、电机驱动器及转向执行电机，所述MCU接收智能汽车的目标转角并修正，然后通过CAN总线将修正后的目标转角发送给电机驱动器，电机驱动器通过串口与转向执行电机通信，控制智能汽车，达到车辆路径跟踪的目的。上述方案中，所述轨迹跟踪控制单元与线控转向单元通过USB转RS232串口通信。上述方案中，所述流动站安装在智能汽车上。上述方案中，所述第一GPS天线实时测量出基准站的位置并与测定位置进行计算得出差分信号，第一电台将差分信号发送至第二电台。上述方案中，所述MCU采用MC9S12XET256芯片。本技术的有益效果是：(1)本技术开发了一套基于主动安全的智能汽车轨迹跟踪控制系统，其中的智能终端实时获取车辆的精确位置与目标转角从而获取车辆的姿态信息，实现车辆对目标轨迹的跟踪。(2)本技术设计的考虑各动力学约束的轨迹跟踪控制单元性能较好，通过选择先进的差分算法能够精确获得车辆的行驶轨迹，并且设计的轨迹跟踪控制方法能够快速的在不同车速下完成对期望轨迹的跟踪，轨迹跟踪控制单元对解决智能汽车在高速行驶时的轨迹跟踪控制问题具有独特的优势，对路面附着条件、车速变化和参考轨迹具有良好的鲁棒性和适应性。(3)本技术设计的线控转向控制单元的可行性且超调量小、稳定性好，线控转向可以自由的进行前轮转角的设计，由于汽车的稳定性能和汽车的转向存在着巨大的联系，本技术将线控转向技术与汽车主动安全技术相关联，研究其控制方法；可以减小汽车侧翻危险工况下的横摆角速度和侧向加速度，进一步提升汽车的稳定性能与主动安全性能。(4)本技术采用的无线电台通信抗干扰能力强，并且能够保证车辆在高速行驶时的稳定性，未来将转向系统改装至车辆上是可行的。附图说明图1为一种基于主动安全的智能汽车轨迹跟踪控制系统的整体硬件框架图；图2为一种基于主动安全的智能汽车轨迹跟踪控制系统的控制原理图；图3为三自由度非线性车辆动力学模型图；图4为车辆四自由度侧翻模型图，图4(a)为车辆四自由度侧翻模型主视图，图4(b)为车辆四自由度侧翻模型侧视图；图5为LTR偏差e、LTR偏差变化率ec与比例系数kp、ki的模糊规则曲面图，图5(a)为LTR误差e、LTR误差变化率ec与比例系数kp的模糊规则曲面图，图5(b)为LTR误差e、LTR误差变化率ec与微分系数ki的模糊规则曲面图；图6为三角隶属度函数图，图6(a)为误差隶属函数图，图6(b)为误差微分隶属函数图。具体实施方式下面结合附图以及具体实施例对本技术作进一步的说明，但本技术的保护范围并不限于此。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。如图1所示，一种基于主动安全的智能汽车轨迹跟踪控制系统，包括基于模型预测控制的轨迹跟踪控制单元和具有主动安全功能的线控转向单元，所述轨迹跟踪控制单元与线控转向单元通过USB转RS232串口通信；轨迹跟踪控制单元包括第一GPS天线1、第一无线电台2、第二无线电台3、第二GPS天线4、惯导系统5、智能终端6、电源7、方向盘转角传感器8及前轮转角传感器9，第一GPS天线1与第一电台2组成基准站，第二电台3与第二GPS天线4组成流动站(安装在智能汽车上)，惯导系统5采集惯导数据，流动站获取智能汽车的初始位置数据，并接收基准站发送的差分信号对初始位置数据进行差分后，通过惯导数据校正智能汽车的精确位置数据并发送给智能终端6；智能终端6还通过串口接收方向盘转角传感器8、前轮转角传感器9采集的方向盘转角、前轮转角，从而计算出智能汽车的目标转角；电源7用于给流动站、惯导系统5供电；智能终端6能够完成车辆运行状态的感知、组合导航定位及路径跟踪控制目标值计算；本实施例的基准站测定位置为[32.1984725306，119.5137124611，103.888]，安装于江苏大学三江楼楼顶。线控转向单元包括主动安全线控转向控制器MCU10、电机驱动器11及转向执行电机12，MCU10采用MC9S12XET256芯片；主动安全线控转向控制器MCU10接收智能汽车的目本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于主动安全的智能汽车轨迹跟踪控制系统，其特征在于，包括基于模型预测控制的轨迹跟踪控制单元和具有主动安全功能的线控转向单元，所述轨迹跟踪控制单元与线控转向单元通信；所述轨迹跟踪控制单元包括第一GPS天线(1)、第一电台(2)、第二电台(3)、第二GPS天线(4)、惯导系统(5)、智能终端(6)、方向盘转角传感器(8)及前轮转角传感器(9)，所述第一GPS天线(1)与第一电台(2)组成基准站，所述第二电台(3)与第二GPS天线(4)组成流动站，所述惯导系统(5)采集惯导数据，所述流动站获取智能汽车的初始位置数据并接收基准站发送的差分信号对初始位置数据进行差分后，通过惯导数据校正智能汽车的精确位置数据并发送给智能终端(6)，所述智能终端(6)还通过串口接收方向盘转角传感器(8)、前轮转角传感器(9)采集的方向盘转角、前轮转角，从而计算出智能汽车的目标转角；所述线控转向单元包括MCU(10)、电机驱动器(11)及转向执行电机(12)，所述MCU(10)接收智能汽车的目标转角并修正，然后通过CAN总线将修正后的目标转角发送给电机驱动器(11)，电机驱动器(11)通过串口与转向执行电机(12)通信，控制智能汽车，达到车辆路径跟踪的目的。...

【技术特征摘要】
1.一种基于主动安全的智能汽车轨迹跟踪控制系统，其特征在于，包括基于模型预测控制的轨迹跟踪控制单元和具有主动安全功能的线控转向单元，所述轨迹跟踪控制单元与线控转向单元通信；所述轨迹跟踪控制单元包括第一GPS天线(1)、第一电台(2)、第二电台(3)、第二GPS天线(4)、惯导系统(5)、智能终端(6)、方向盘转角传感器(8)及前轮转角传感器(9)，所述第一GPS天线(1)与第一电台(2)组成基准站，所述第二电台(3)与第二GPS天线(4)组成流动站，所述惯导系统(5)采集惯导数据，所述流动站获取智能汽车的初始位置数据并接收基准站发送的差分信号对初始位置数据进行差分后，通过惯导数据校正智能汽车的精确位置数据并发送给智能终端(6)，所述智能终端(6)还通过串口接收方向盘转角传感器(8)、前轮转角传感器(9)采集的方向盘转角、前轮转角，从而计算出智能汽车的目标转角；所述线控转向单元包括MCU(10)、电机驱动器(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡骏宇，江浩斌，陈龙，王俊彦，蔡英凤，徐兴，李傲雪，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：新型
国别省市：江苏,32