冰雪环境下基于反馈线性化与LQR的车辆路径跟踪方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114148318A(43)申请公布日2022.03.08(21)申请号202111576809.5(22)申请日2021.12.22(71)申请人吉林大学地址130012吉林省长春市长春高新技术产业开发区前进大街2699号(72)发明人郭洪艳孙义戴启坤郭景征刘俊赵旭王菲(74)专利代理机构长春吉大专利代理有限责任公司22201代理人刘驰宇(51)Int.Cl.B60W30/02(2012.01)B60W50/00(2006.01)权利要求书6页说明书12页附图2页(54)发明名称冰雪环境下基于反馈线性化与LQR的车辆路径跟踪方法(57)摘要本发明提供了一种冰雪环境下基于反馈线性化与LQR的车辆路径跟踪方法，根据冰雪环境下车辆轮胎力不满足线性关系，建立冰雪环境下仿射形式的非线性车辆系统模型，基于此模型，采用反馈线性化的方法对复杂的非线性车辆系统模型进行线性化处理，得到较简单的线性系统模型和虚拟控制输入；根据得到的简单线性车辆系统模型，使用线性二次型调节器的设计方法设计路径跟踪控制器，保证系统稳定性和目标的最优性，实现无人驾驶车辆路径跟踪。CN114148318ACN114148318A权利要求书1/6页1.冰雪环境下基于反馈线性化与LQR的车辆路径跟踪方法，其特征在于，根据冰雪环境下车辆轮胎力不满足线性关系的问题，建立冰雪环境下仿射形式的非线性车辆系统模型，基于此模型，采用反馈线性化的方法对复杂的非线性车辆系统模型进行线性化处理，得到较简单的线性系统模型和虚拟控制输入；根据得到的简单线性车辆系统模型，使用线性二次型调节器的设计方法设计路径跟踪控制器，保证系统稳定性和目标的最优性，实现无人驾驶车辆路径跟踪；本方法的具体步骤如下：步骤一、建立仿射形式的非线性车辆系统模型假定车辆是一个刚性体，其中车辆装置着四个不会发生形变的车轮，并以车辆的前轮作为转向轮，根据车辆运动的几何关系以及车辆的运动学方程得到车辆运动学模型，如式(1)所示：其中ψ为车辆横摆角，单位：rad；vo为车辆质心o处的速度，单位：m/s；β为车辆质心侧偏角，单位：rad；xO为车辆质心o的纵向位移，单位：m；yO为车辆质心o的横向位移，单位：m；考虑到车辆在运行过程中主要是纵向行驶，因此vx＞＞vy，所以车辆行驶的速度v近似用纵向速度vx表示，同时，车辆的横摆角ψ和质心侧偏角β都较小，因此采用如下近似关系：将式(2)代入到式(1)中进行简化处理，得到简化的车辆运动学模型：对于车辆的动力学模型，以车辆质心o为坐标原点，以沿着车身向前的方向为x轴的正方向，垂直于横轴向上的方向为y轴的正方向，通过质心指向上方的方向为z轴的正方向，忽略车辆的纵向动力学，只考虑车辆的横摆方向动力学和侧向动力学，根据牛顿第二定律与力矩平衡关系推出如式(4)所示的单轨模型数学表达式：其中，Fyf为车辆的前轮侧向力，单位：N；Fyr为车辆的后轮侧向力，单位：N；Fxf为车辆的前轮纵向力，单位：N；Fxr为车辆的后轮纵向力，单位：N；vy为车辆质心处的侧向速度，单位：m/s；vx为车辆质心处的纵向速度，单位：m/s；r为车辆的横摆角速度，单位：rad/s；δ为车辆2前轮转角，单位：rad；m为车辆的质量，单位：kg；Iz为车辆绕z轴的转动惯量，单位：kg·m；a2CN114148318A权利要求书2/6页为车辆质心o到车辆前轴的距离，单位：m；b为车辆质心o到车辆后轴的距离，单位：m；本方法的控制变量为车辆的前轮转角，考虑车辆的侧向动力学特性，所以假设车辆的纵向速度不变，则式(4)可以写成：行驶稳定的车辆，其前轮转角δ很小，所以采用如下近似关系：将式(6)代入到式(5)中得：考虑到冰雪环境下，路面的附着系数低，当车辆行驶在冰雪路面时，轮胎力呈非线性的关系，所以选用如下的轮胎模型来表示轮胎侧向力与轮胎侧偏角的关系：其中，Cf表示前轮的侧偏刚度，单位：N·rad；Cr表示后轮的侧偏刚度，单位：N·rad；Ka表示前轮的拟合参数；Kb表示后轮的拟合参数；αf表示前轮的侧偏角，单位：rad；αr表示后轮的侧偏角，单位：rad；Cf的取值在28000～90000的范围内，Cr的取值在28000～90000的范围内，Ka的取值大于0，Kb的取值大于0；为了便于计算，将式(8)写成：根据坐标系的规定，分别描述车辆前轮的轮胎侧偏角与后轮的轮胎侧偏角为：将式(10)代入到式(9)中得：3CN114148318A权利要求书3/6页将式(11)代入到式(7)中可得：22其中a1＝(aAf‑bAr)/(Izvx)，a3＝(aAf+bAr)/(Izvx)，b1＝(Af+Ar)/(mvx)，b3＝(aAf‑bAr)/(mvx)‑vx，p0＝(‑aAf