一种基于模型预测控制的半挂汽车列车的路径跟踪方法技术

本发明专利技术公开了一种基于模型预测控制的半挂汽车列车的路径跟踪方法，第一步，建立车辆道路关系模型；第二步，建立半挂车运动学模型和半挂汽车列车三自由度动力学模型；第三步，采用模型预测方法设计半挂汽车列车路径跟踪控制器；第四步，求解约束优化问题并执行；本发明专利技术建立了半挂汽车列车路径跟踪控制器，可预测半挂车的运行状态，相对于人为驾驶，不存在由于牵引车和半挂车的铰接结构导致的驾驶员对半挂车运动状态反应迟钝的问题，反应速度更快，提高了半挂汽车列车的安全性；本方法的控制目标中，通过加入侧向位移偏差较小和控制量较小的控制目标，可一定程度避免半挂车的侧向加速度过大，降低半挂汽车列车侧翻的可能性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模型预测控制的半挂汽车列车的路径跟踪方法
本专利技术属于自主驾驶
，涉及一种半挂汽车列车的路径跟踪控制方法，具体涉及一种基于模型预测控制的半挂汽车列车的路径跟踪方法。
技术介绍
半挂汽车列车由于其高效率和低成本而被广泛应用于全世界的物流运输中。随着无人码头的出现和物流业的迅猛发展，人们提出了对更高效更安全的物流运输的需求。同时，无人驾驶技术的发展为提高半挂汽车列车的运输效率和安全性带来了新的机遇。由于不需要驾驶员而且可以长期不间断工作，无人驾驶半挂汽车列车在提高物流运输效率方面具有很大优势。然而，关于自动驾驶半挂汽车列车的路径跟踪的研究很少。同时，牵引车与半挂车之间复杂的耦合运动也给自动驾驶半挂汽车列车的路径跟踪带来了困难。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于模型预测控制的半挂汽车列车的路径跟踪方法，通过控制牵引车前轮转角实现半挂车的路径跟踪保证半挂车不和道路边界碰撞的问题。本专利技术是采用如下技术方案实现的：一种基于模型预测控制的半挂汽车列车的路径跟踪方法，半挂汽车列车由牵引车和半挂车组成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模型预测控制的半挂汽车列车的路径跟踪方法，半挂汽车列车由牵引车和半挂车组成，牵引车和半挂车通过第五轮铰接，本方法在考虑半挂汽车列车运动学约束和执行机构物理约束的条件下，使半挂车尽可能沿着道路中心线行驶，同时尽可能减小执行机构的控制动作达到节能目的，其特征在于，本方法具体步骤如下：/n步骤一、建立车辆道路关系模型：/n建立大地坐标系，原点O固结于当前时刻半挂车质心o

【技术特征摘要】
1.一种基于模型预测控制的半挂汽车列车的路径跟踪方法，半挂汽车列车由牵引车和半挂车组成，牵引车和半挂车通过第五轮铰接，本方法在考虑半挂汽车列车运动学约束和执行机构物理约束的条件下，使半挂车尽可能沿着道路中心线行驶，同时尽可能减小执行机构的控制动作达到节能目的，其特征在于，本方法具体步骤如下：
步骤一、建立车辆道路关系模型：
建立大地坐标系，原点O固结于当前时刻半挂车质心o2所处位置，X轴指向当前时刻半挂车车身正前方，X轴沿逆时针方向旋转90度的方向为Y轴正方向；
f(x)为大地坐标系中的道路中心线；fl(x)为大地坐标系中的道路左边界线；fr(x)为大地坐标系中的道路右边界线；因为半挂车的实际运行状态较复杂，所以简化对半挂车运动状态的描述，忽略半挂车的垂向运动和道路的垂向形状，把半挂车看作半挂车质心o2，把大地坐标系中的道路左边界线fl(x)和大地坐标系中的道路右边界线fr(x)向内缩减半挂车宽度w2的一半，fl′(x)为简化后的大地坐标系中的道路左边界线；f′r(x)为简化后的大地坐标系中的道路右边界线；简化后的大地坐标系中的道路边界线、大地坐标系中的道路中心线和原大地坐标系中的道路边界线的关系如式(1)所示：



式中大地坐标系中的道路中心线f(x)、大地坐标系中的道路左边界线fl(x)和大地坐标系中的道路右边界线fr(x)通过车载视觉传感器获得；
由于半挂车长度l2远大于牵引车长度l1，半挂汽车列车路径跟踪的主要目的是保证半挂车质心o2在简化后的大地坐标系中的道路左边界线fl'(x)和简化后的大地坐标系中的道路右边界线f′r(x)内跟踪大地坐标系中的道路中心线f(x)；因此，半挂汽车列车路径跟踪的运动学约束如式(2)所示：
fl'(x)≤y2≤f′r(x)(2)
式中y2是半挂车质心o2在大地坐标系中的侧向位置，单位m；
步骤二、建立半挂车运动学模型和半挂汽车列车三自由度动力学模型：
建立牵引车坐标系：原点O1与牵引车质心o1重合，X1轴指向牵引车车身正前方，X1轴沿逆时针方向旋转90度为Y1轴正方向；
建立半挂车坐标系：原点O2与半挂车质心o2重合，X2轴指向半挂车车身正前方，X2轴沿逆时针方向旋转90度为Y2轴正方向；
用半挂车运动学模型表征半挂车的操纵稳定性与半挂车的侧向运动之间的关系，并用半挂汽车列车三自由度动力学模型表征半挂汽车列车的操纵稳定性和半挂汽车列车的横摆运动之间的关系，具体过程如下：
假定半挂车是一个刚体，车轮不会发生形变，根据半挂车运动学方程和半挂车运动的几何关系得半挂车运动学模型如式(3)所示：



式中x2为半挂车质心o2在大地坐标系中的纵向位置，单位m；y2为半挂车质心o2在大地坐标系中的侧向位置，单位m；u2为半挂车质心o2的瞬时速度，单位m/s；ψ2为半挂车横摆角，单位rad；β2为半挂车质心侧偏角，单位rad；r2为半挂车横摆角速度，单位rad/s；
车载视觉传感器能够获得半挂汽车列车前方50m的道路信息，该区域内道路的曲率在多数情况下相对较小，因此认为该区域内半挂车横摆角ψ2较小，同时半挂车质心侧偏角β2在实际运动中也较小，所以得近似关系如式(4)所示：



把式(4)带入式(3)，假设半挂车质心o2的瞬时速度u2恒定且仅考虑半挂车侧向运动，得简化的半挂车运动学模型如式(5)所示：



根据牛顿第二定律和力矩平衡关系，建立半挂汽车列车三自由度动力学模型：
半挂汽车列车三自由度动力学模型包含牵引车和半挂车两个刚体，选择牵引车质心侧偏角β1、牵引车横摆角速度r1和半挂车横摆角速度r2作为模型的三个自由度，将牵引车前轮转角δf作为模型的输入；建立该模型时，做出如下假设：
(1)忽略牵引车和半挂车的俯仰和侧倾运动，忽略空气动力学和道路坡度的影响；
(2)牵引车质心o1的瞬时速度u1和半挂车质心o2的瞬时速度u2恒定且相等，近似认为u1≈u2；
(3)牵引车和半挂车之间的铰接角θ较小，近似认为cos(θ)≈1,sin(θ)≈0；
(4)牵引车前轮转角δf较小，近似认为cos(δf)≈1,sin(δf)≈0；
牵引车的动力学方程如式(6)所示：



式中m1为牵引车质量，单位kg；u1为牵引车质心o1的瞬时速度，单位m/s；β1为牵引车质心侧偏角，单位rad/s；ψ1为牵引车横摆角，单位rad；F1为牵引车前轴侧向力，单位N；F2为牵引车后轴侧向力，单位N；F4为简化的牵引车和半挂车之间的作用力，单位N；I1zz为牵引车绕z轴的转动惯量，单位kg·m2；r1为牵引车横摆角速度，单位rad/s；a为牵引车质心o1到牵引车前轴的距离，单位m；b为牵引车质心o1到牵引车后轴的距离，单位m；c为牵引车质心o1到第五轮的距离，单位m；
半挂车的动力学方程如式(7)所示：



式中m2为半挂车质量，单位kg；u2为半挂车质心o2的瞬时速度，单位m/s；β2为半挂车质心侧偏角，单位rad/s；ψ2为半挂车横摆角，单位rad，且ψ2＝ψ1-θ；F3为半挂车后轴侧向力，单位N；F4为简化的牵引车和半挂车之间的作用力，单位N；I2zz为半挂车绕z轴的转动惯量，单位kg·m2；r2为半挂车横摆角速度，单位rad/s；d为半挂车质心o2到半挂车后轴的距离，单位m；e为半挂车质心o2到第五轮的距离，单位m；
假设牵引车和半挂车的轮胎始...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭洪艳，赵小明，张永达，孟庆瑜，刘俊，赵伟，刘畅，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22