一种兼顾避障的车辆轨迹跟踪鲁棒控制方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种兼顾避障的车辆轨迹跟踪鲁棒控制方法，包括如下步骤：步骤一，建立四轮独立驱动车辆纵横向动力学模型；步骤二，建立轨迹跟踪等式约束模型；步骤三，建立车辆避撞约束模型；步骤四，设计约束跟随控制器；步骤五，进行驱/制动力分解；步骤六，将控制器部署至实车内。本发明专利技术的兼顾避障的车辆轨迹跟踪鲁棒控制方法，通过步骤一至步骤六的设置，考虑了四轮独立驱动车辆特有的纵横向动力学模型，综合处理了车辆纵横向控制，具有解析形式控制律，对硬件算力要求低。对硬件算力要求低。对硬件算力要求低。

【技术实现步骤摘要】
一种兼顾避障的车辆轨迹跟踪鲁棒控制方法和系统


[0001]本专利技术涉及一种智能网联汽车领域，更具体的说是涉及一种兼顾避障的车辆轨迹跟踪鲁棒控制方法和系统。

技术介绍

[0002]轨迹跟踪控制是自动驾驶车辆的最基础也是最重要的功能之一，其保证车辆按照给定的路径和速度稳定行驶。车辆沿着给定轨迹行驶时，需要根据周围障碍物信息实时动态调整车辆的期望轨迹，保证车辆能避开障碍物。目前多通过动态窗口法(DWA)、时间弹性带法(TEB)、人工势场法、快速搜索随机树等局部路径规划方法实现车辆期望轨迹的动态调整。轨迹跟踪控制实现对调整后期望轨迹的跟踪，包含速度跟踪控制和路径跟踪控制两个子任务。现有技术方案大多独立处理两个子任务：采用PID、前馈PID、模糊控制、模型预测控制(MPC)等控制方法实现车辆速度控制；采用Stanley、纯跟踪、MPC、线性二次型调节器(LQR)、H
∞
等控制方法实现路径跟踪控制。也有少量技术方案综合考虑速度跟踪和路径跟踪控制任务，设计单个轨迹跟踪控制器实现车辆的纵横向耦合控制。然而，现有轨迹跟踪控制方案大都依赖于局部路径规划以实现避障，对硬件算力要求较高。MPC算法虽然能在轨迹跟踪过程中考虑避障问题，但其也存在MPC优化求解对算力要求高的缺陷。

技术实现思路

[0003]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是克服现有轨迹跟踪控制方案大都依赖于局部路径规划以实现避障，对硬件计算力要求较高，为此提出一种兼顾避障的轨迹跟踪控制策略。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：一种兼顾避障的车辆轨迹跟踪鲁棒控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
[0005]步骤一，建立四轮独立驱动车辆纵横向动力学模型；
[0006]步骤二，建立轨迹跟踪等式约束模型；
[0007]步骤三，建立车辆避撞约束模型；
[0008]步骤四，设计约束跟随控制器；
[0009]步骤五，进行驱/制动力分解；
[0010]步骤六，将控制器部署至实车内。
[0011]作为本专利技术的进一步改进，所述步骤一中的动力学模型包括纵向动力学模型、横向动力学模型和矩阵形式纵横向动力学模型；其中，纵向动力学模型如下：
[0012][0013]其中，m为车辆质量，ρ
a
为空气密度，A
x
为等效迎风面积，C
a
为风阻系数，μ为滚动阻力系数，g为重力加速度，θ为道路坡道，ω1为建模误差和外部干扰的影响，ω1为时变有界的参数；
[0014]横向动力学模型如下：
[0015][0016][0017]其中，ω2、ω3为建模误差和外部干扰的影响，为时变有界的参数，a1～a8为车辆横向动力学参量；
[0018]矩阵形式纵横向动力学模型如下：
[0019][0020]其中，为车辆的位置向量，x,y,分别为车辆的纵向位置、横向位置及横摆角。U＝[F
x
,δ
f
,ΔM]T
为车辆的控制输入，F
x
,δ
f
,δ
r
分别为纵向驱/制动力、前轮转向角及后轮转向角，其他参数矩阵M、H、B、Ω分别可表示为:
[0021][0022][0023]作为本专利技术的进一步改进，所述横向动力学模型的车辆横向动力学参量由以下公式计算得出：
[0024][0025][0026]其中，I
Z
为车辆绕重心垂直于水平面方向的转动惯量，k
r
为后轮侧偏刚度，k
f
为前轮侧偏刚度。
[0027]作为本专利技术的进一步改进，所述轨迹跟踪等式约束模型包括轨迹跟踪运动学模型和轨迹跟踪等式约束，其中，轨迹跟踪运动模型由以下步骤得出：
[0028]步骤1，根据以下公式计算车辆期望的纵向位移x
d
：
[0029][0030]其中，v
d
(t)为期望速度；
[0031]步骤2，根据以下公式计算纵向位移跟踪误差e
x
：
[0032][0033]步骤3，根据以下公式计算速度跟随误差：
[0034][0035]步骤4，根据以下公式计算四轮独立驱动车辆横摆角误差：
[0036][0037]其中，为期望横摆角，由期望路径上最近点处的切线方向角度确定，根据最近点处的期望路径曲率c
R
，可得到期望横摆角速度：
[0038][0039]步骤5，计算横摆角误差的一阶、二阶导数：
[0040][0041][0042]将车辆的横向误差e
y
定义为车辆距离期望路径的最小距离，根据运动学关系，其一阶、二阶导数可表示为：
[0043][0044]步骤6，假设车辆继续沿当前方向前进预瞄距离l
p
，在预瞄点处车辆与期望路径最近距离为预瞄横向误差e
p
，控制的目标为保证e
p
趋近于0，由几何关系可得到e
p
的近似表达式：
[0045][0046]步骤7，根据步骤5的公式得出e
p
的一阶、二阶导数：
[0047][0048][0049]轨迹跟踪等式约束如下：
[0050][0051]其中，h1>0、h2>0为常数参数，纵向位移误差e
x
和预瞄横向误差e
p
趋近于0。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤三中避撞约束模型包括无碰撞几何约束和避撞等式约束，其中，无碰撞集合约束如下：
[0052][0053][0054]其中，(X
o,1
,Y
o,1
)、(X
o,2
,Y
o,2
)分别为描述自车包络的两个圆圆心在大地坐标系下的坐标，该坐标可通过车辆在大地坐标系下的位置[X,Y]T
及横摆角计算，具体为计算，具体为l1、l2分别为两个圆心距离车辆重心的位置，为常数，R
o,1
、R
o,2
分别为这两个圆的半径，Δ
m
为最小安全距离，(X
b,i
,Y
b,i
)为第i个障碍物包络的圆心位置，R
i
为圆半径；
[0055]避撞等式约束如下：
[0056][0057]其中，为e
a
的一阶导数，e
a
为定义参数，具体的f
j
为不等式约束，且f
j
>0。
[0058]作为本专利技术的进一步改进，所述步骤五中驱动力分解的为按照预设驱/制动力分配规则将F
x
和ΔM分解为四个车轮的驱/制动力F
x1
～F
x4
，分配规则如下：
[0059][0060][0061]其中，l
w...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种兼顾避障的车辆轨迹跟踪鲁棒控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一，建立四轮独立驱动车辆纵横向动力学模型；步骤二，建立轨迹跟踪等式约束模型；步骤三，建立车辆避撞约束模型；步骤四，设计约束跟随控制器；步骤五，进行驱/制动力分解；步骤六，将控制器部署至实车内。2.根据权利要求1所述的兼顾避障的车辆轨迹跟踪鲁棒控制方法，其特征在于：所述步骤一中的动力学模型包括纵向动力学模型、横向动力学模型和矩阵形式纵横向动力学模型；其中，纵向动力学模型如下：其中，m为车辆质量，ρ
a
为空气密度，A
x
为等效迎风面积，C
a
为风阻系数，μ为滚动阻力系数，g为重力加速度，θ为道路坡道，ω1为建模误差和外部干扰的影响，ω1为时变有界的参数；横向动力学模型如下：横向动力学模型如下：其中，ω2、ω3为建模误差和外部干扰的影响，为时变有界的参数，a1～a8为车辆横向动力学参量；矩阵形式纵横向动力学模型如下：其中，为车辆的位置向量，x,y,分别为车辆的纵向位置、横向位置及横摆角。U＝[F
x
,δ
f
,ΔM]
T
为车辆的控制输入，F
x
,δ
f
,δ
r
分别为纵向驱/制动力、前轮转向角及后轮转向角，其他参数矩阵M、H、B、Ω分别可表示为:轮转向角，其他参数矩阵M、H、B、Ω分别可表示为:3.根据权利要求2所述的兼顾避障的车辆轨迹跟踪鲁棒控制方法，其特征在于：所述横向动力学模型的车辆横向动力学参量由以下公式计算得出：a3＝k
f
,；a6＝l
f
k
f
,；
其中，I
Z
为车辆绕重心垂直于水平面方向的转动惯量，k
r
为后轮侧偏刚度，k
f
为前轮侧偏刚度。4.根据权利要求1或2或3所述的兼顾避障的车辆轨迹跟踪鲁棒控制方法，其特征在于：所述轨迹跟踪等式约束模型包括轨迹跟踪运动学模型和轨迹跟踪等式约束，其中，轨迹跟踪运动模型由以下步骤得出：步骤1，根据以下公式计算车辆期望的纵向位移x
d
：其中，v
d
(t)为期望速度；步骤2，根据以下公式计算纵向位移跟踪误差e
x
：步骤3，根据以下公式计算速度跟随误差：步骤4，根据以下公式计算四轮独立驱动车辆横摆角误差：其中，为期望横摆角，由期望路径上最近点处的切线方向角度确定，根据最近点处的期望路径曲率c
R
，可得到期望横摆角速度：步骤5，计算横摆角误差的一阶、二阶导数：步骤5，计算横摆角误差的一阶、二阶导数：将车辆的横向...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡子牛，杨泽宇，丁荣军，边有钢，秦洪懋，秦兆博，谢国涛，王晓伟，秦晓辉，陈亮，王选，张立钦，邓凡，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：