一种适用于高速极限工况的路径跟踪控制方法.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CN110217229A(43)申请公布日2019.09.10(21)申请号201910551935.1(22)申请日2019.06.25(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)发明人李绍松王枫张邦成张袅娜卢晓晖于志新韩玲王国栋(51)Int.Cl.B60W30/165(2012.01)B60W50/00(2006.01)权利要求书5页说明书14页附图3页(54)发明名称一种适用于高速极限工况的路径跟踪控制方法(57)摘要一种适用于高速极限工况的路径跟踪控制方法，其特征在于，该方法包括期望路径计算模块、轮胎模型线性化模块、MPC控制器和CarSim汽车模型；期望路径计算模块用于计算期望的汽车侧向位移和横摆角；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、横摆角以及汽车的实际状态量，求解出汽车的前轮转角，输入给CarSim汽车模型，控制汽车实现路径跟踪控制。CN110217229ACN110217229A权利要求书1/5页1.一种适用于高速极限工况的路径跟踪控制方法，其特征在于，该方法包括期望路径计算模块、轮胎模型线性化模块、MPC控制器和CarSim汽车模型；期望路径计算模块用于计算期望的汽车侧向位移和横摆角；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、横摆角以及汽车的实际状态量，求解出汽车的前轮转角，输入给CarSim汽车模型，控制汽车实现路径跟踪控制；该方法包括以下步骤：步骤1、设计期望路径计算模块，确定期望的侧向位移Yref和横摆角步骤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；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：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、建立汽车运动学模型，其表达式如下：其中，Iz为绕汽车质心铅垂轴的横摆转动惯量；为汽车横摆角加速度；Fy,f和Fy,r分别为前、后轮胎的侧向力；m为汽车质量；为汽车侧向加速度；为汽车在大地坐标系中的横摆角变化率；为汽车在大地坐标系中侧向位移的变化率；为汽车在大地坐标系中的横摆角；2CN110217229A权利要求书2/5页步骤2.3.2、预测时域内轮胎状态刚度预测，将步骤1得到的期望侧向位移Yref和横摆角代入步骤2.3.1中的汽车运动学模型，可以推导出预测的轮胎状态刚度的表达式：其中，Cf,pre和Cr,pre分别表示预测的前、后轮胎状态刚度；期望横摆角的二阶导；为期望侧向位移的二阶导；为期望侧向位移的一阶导；和κμ,F为补偿附着系数影响的调节因子；ε是避免分母为零的极小数；由于轮胎力附着极限的影响，轮胎状态刚度应满足约束：其中，μ为路面附着系数；Fz为轮胎垂直载荷；下标i＝f,r，分别指前、后轮胎；在当前时刻向前取P个期望路径数据，即可得到未来预测时域内的轮胎状态刚度：其中，上标k表示当前时刻；上标k+n表示未来第n时刻，n＝0,1,…P；函数f(·)表示式(18)；预测的轮胎状态刚度变化量可以表示为：最终可以得到预测时域内的轮胎状态刚度：其中，表示当前时刻的轮胎状态刚度，由步骤2.2.1中的式(14)计算得到；步骤2.3.3、预测时域内的轮胎模型线性化，将步骤2.3.2的式(22)代入步骤2.2.2的式(16)可得到预测时域内的轮胎侧向力的线性化表达式：步骤3、设计MPC控制器，其过程包括如下子步骤：步骤3.1、建立预测模型，将步骤2.3.3的式(23)代入步骤2.3.1的汽车动力学模型式(17)，可以得到MPC控制器的预测模