一种基于转角优化序列的汽车路径跟踪控制方法.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CN111959527A(43)申请公布日2020.11.20(21)申请号202010786342.6(22)申请日2020.08.07(71)申请人长春工业大学地址130012吉林省长春市延安大街2055(72)发明人李绍松王书君张袅娜崔高健张邦成徐海天王枫(51)Int.Cl.B60W60/00(2020.01)B60W30/09(2012.01)B60W30/10(2006.01)B60W50/00(2006.01)权利要求书6页说明书14页附图3页(54)发明名称一种基于转角优化序列的汽车路径跟踪控制方法(57)摘要一种基于转角优化序列的汽车路径跟踪控制方法，其特征在于，该方法包括MPC路径跟踪控制器、轮胎侧偏角估计模块、CarSim汽车模型和轮胎模型线性化模块。轮胎侧偏角估计模块用于估计预测时域内的轮胎侧偏角序列，轮胎模型线性化模块用于预测时域内非线性轮胎力的线性处理，MPC路径跟踪控制器优化求解出汽车的前轮转角序列，输入给CarSim汽车模型，实现路径跟踪控制。CN111959527ACN111959527A权利要求书1/6页1.一种基于转角优化序列的汽车路径跟踪控制方法，其特征在于，该方法包括轮胎侧偏角估计模块、轮胎模型线性化模块、MPC控制器和CarSim汽车模型；轮胎侧偏角估计模块用于估计预测时域内汽车的轮胎侧偏角序列；轮胎模型线性化模块用于实现预测时域内非线性轮胎力的线性近似；CarSim汽车模型用于输出汽车的实际状态量，包括汽车纵向速度、侧向速度、横摆角速度、横摆角和侧向位移；MPC控制器根据期望的侧向位移、质心侧偏角以及汽车的实际状态量，求解出汽车的前轮转角和前轮转角序列，并输入给CarSim汽车模型和轮胎侧偏角估计模块，控制汽车实现路径跟踪控制；该方法包括以下步骤：步骤1、设计轮胎侧偏角估计模块，确定预测时域内的轮胎侧偏角序列，其表达式如下：其中，和为预测时域内前后轮胎的侧偏角序列；βpre为预测的汽车质心侧偏角；γpre为预测的车辆横摆角速度；lf与lr分别为汽车质心到前轴和后轴的距离；为汽车纵向速度；步骤2、设计轮胎模型线性化模块，实现预测时域内非线性轮胎力的线性近似，其过程包括如下子步骤：步骤2.1、设计非线性轮胎模型，得到轮胎侧向力Fy的表达式如下：2CN111959527A权利要求书2/6页其中，Fy为轮胎侧向力；为无量纲总切向力；φx为相对纵向滑移率；φn为修正后的相对综合滑移率；μy为侧向摩擦系数；Fz为轮胎垂直载荷；E为综合曲率因子；φ为相对综合滑移率；Ex为纵向力曲率因子；Ey为侧向力曲率因子；φy为相对侧向滑移率；λ为总切向力方向因子；Kx为纵滑刚度；Ky为侧偏刚度；Sx为纵向滑移率；Sy为侧向滑移率；μx为纵向摩擦系数；Fzn为轮胎无量纲垂直载荷；ω为车轮角速度；Vx为轮胎接地印迹中心纵向滑移速度；Vy为轮胎接地印迹中心侧向滑移速度；Re为轮胎有效滚动半径；κ为ISO轮胎坐标系中的纵向滑移率；α为ISO轮胎坐标系中的轮胎侧偏角；Fz0为轮胎标称载荷；模型参数η＝4，φc＝1，pu1＝0.89，pu2＝-0.289，pu3＝-0.289，su1＝1.106，su2＝-0.36，su3＝0.051，pe1＝-2.98，pe2＝9.37，se1＝-2.08，se2＝9.37，pk1＝0.019，pk2＝-0.00000001，pk3＝-0.00000001，sk1＝0.046，sk2＝0.008，sk3＝0.006；步骤2.2、轮胎模型线性化方程设计，其过程包括如下子步骤：步骤2.2.1、轮胎状态刚度定义，定义轮胎状态刚度C为每一侧偏角α下，侧向力与该侧偏角的比值，表达式如下：3CN111959527A权利要求书3/6页其中，前、后轮的轮胎侧偏角αf和αr分别定义如下：其中，δf为前轮转角；为汽车侧向速度；为汽车纵向速度；γ为汽车横摆角速度；lf与lr分别为汽车质心到前轴和后轴的距离；步骤2.2.2、轮胎模型性化方程设计，将步骤2.1得到的轮胎侧向力和步骤2.2.1的式(15)得到的轮胎侧偏角代入步骤2.2.1的式(14)可得到每个轮胎的轮胎状态刚度，基于得到的轮胎状态刚度，前、后轮胎的侧向力可线性化表示为：Fy,i＝Ci·αi(16)其中，下标i＝f,r，分别指前、后轮胎；步骤2.3、预测时域内轮胎状态刚度预测和轮胎模型线性化，其过程包括如下子步骤：步骤2.3.1、为了获得轮胎的非线性特性，基于Unitire轮胎模型，获取不同路面附着系数下的轮胎侧向刚度对轮胎载荷与轮胎侧偏角的关系曲线，得到轮胎状态刚度三维图；轮胎线性化模块将轮胎的载荷和预测的轮胎侧偏角分别输入到轮胎状态刚度三维图，通过线性插值法获得轮胎的状