一种极限工况的智能汽车轨迹跟踪控制方法.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CN108674414A(43)申请公布日2018.10.19(21)申请号201810704580.0(22)申请日2018.07.02(71)申请人清华大学地址100084北京市海淀区清华园1号(72)发明人李升波李克强陈海亮成波张小雪高洪波王建强罗禹贡杨殿阁(74)专利代理机构北京清亦华知识产权代理事务所(普通合伙)11201代理人罗文群(51)Int.Cl.B60W30/10(2006.01)B60W50/00(2006.01)权利要求书3页说明书9页附图5页(54)发明名称一种极限工况的智能汽车轨迹跟踪控制方法(57)摘要本发明公开一种极限工况的智能汽车轨迹跟踪控制方法，属于智能汽车控制技术领域。该方法首先建立非线性的车辆动力学模型，利用此动力学模型进行车辆稳态转向下的相轨迹分析，确定车辆转向稳定性区域，并计算车辆转向的稳定性边界，将得到的车辆转向稳定性区域作为轨迹跟踪问题的安全约束；对非线性的车辆动力学模型线性化，以前轮侧偏力作为输入，后轮侧偏力在当前工作点处进行一阶泰勒展开，得到线性化的车辆动力学方程；以线性化的动力学模型作为预测模型，以转向稳定性区域作为安全约束，构建基于模型预测控制方法的轨迹跟踪问题，通过求解该问题可以得到前轮侧偏力。利用轮胎逆模型逆向求解得到前轮转角作为最终的控制输入。本发明在保证车辆稳定性的前提下，实现智能汽车的轨迹跟踪，且实时性较好。CN108674414ACN108674414A权利要求书1/3页1.一种极限工况的智能汽车轨迹跟踪控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(1)建立二自由度的车体动力学模型如下：其中，m是车辆质量，v是车辆速度，β是车辆的质心侧偏角，r是车辆的橫摆角速度，Fyf是前轮侧偏力，Fyr是后轮侧偏力，Izz是绕z轴的横摆惯性力矩，a是质心距前轴的距离，b是质心距后轴的距离，求解该模型，得到车辆质心侧偏角β和橫摆角速度r的导数和建立非线性的车辆刷子轮胎模型如下：其中，下标#代表前轮和后轮，#∈{f,r}，C#是轮胎的侧偏刚度，α#是轮胎侧偏角，Fz#是车辆前轴或后轴所受的载荷，μ#是轮胎横向附着系数，前轮轮胎侧偏角αf和后轮轮胎侧偏角αr的计算公式如下：其中，δ是前轮转角，前轴的载荷Fzf和后轴的载荷Fzr通过下式计算：其中，g是重力加速度；(2)确定车辆转向时的稳定性区域，包括以下步骤：(2-1)利用上述非线性车辆动力学模型，绘制一个车辆质心侧偏角β和橫摆角速度r的β-r相轨迹图，β-r相轨迹图中，横坐标为车辆质心侧偏角β，纵坐标为橫摆角速度r，定义当上述步骤(1)的模型中和同时为0时，β-r相轨迹图中的与和同时为0相对应的β和r的坐标为鞍点；(2-2)根据相轨迹图中轨迹发散区域，得到车辆转向时的稳定性区域如下：车辆转向的稳定性区域的边界分别为L1、L2、L3和L4：L1:r＝rmaxL2:r＝v/b(β+αmax)L3:r＝-rmaxL4:r＝v/b(β-αmax)(3)根据上述步骤(2)的车辆转向时的稳定性区域，采用模型预测控制，实现智能汽车2CN108674414A权利要求书2/3页轨迹的跟踪控制，包括以下步骤：(3-1)以前轮侧偏力Fyf作为上述步骤(1)的二自由度的车体动力学模型的输入；(3-2)在上述二自由度的车体动力学模型中，对当前车辆轮胎运行状态下对后轮侧偏力Fyr进行一阶泰勒展开，使后轮侧偏力Fyr实现局部线性化：其中，是当前后轮胎的侧偏角，是车辆当前的后轮侧偏力，是当前车辆轮胎运行状态下在处的局部侧偏刚度，(3-3)根据上述步骤(3-2)局部线性化的轮侧偏力Fyr，得到线性车辆动力学模型如下：将上述线性车辆动力学模型改写为以下形式：z(t)＝Cx(t)其中：x(t)为车辆的状态变量，x(t)＝[y(t),ψ(t),β(t),r(t)]Tz(t)为车辆的输出变量，z(t)＝[y(t),ψ(t)]T(3-4)以上述改写后的线性车辆动力学模型为预测模型，以上述步骤(2)的车辆转向稳定性区域为车辆行驶安全约束，构建极限工况的轨迹跟踪控制问题：上述轨迹跟踪控制问题的约束条件为：-Fyf,max≤u(τ)≤Fyf,max∈r≥03CN108674414A权利要求书3/3页∈α≥0其中，τ为当前时刻，T为预测时域，z(τ)为当前时刻的车辆输出，zref(τ)为当前时刻的参考轨迹序列，为轨迹跟踪性能惩罚权矩阵，u(τ)为车辆的控制输入量，为车辆控制输入量的惩罚权矩阵，∈r为橫摆角速度的松弛变量，ρr为橫摆角速度的松弛因子，∈α为后轮侧偏角的松弛变量，ρα为后轮侧偏角的松弛因子；Fyf,max为前轮的附着极限，b为质心距后轴的距离，v为车辆速度，x(τ)为车辆当前时刻的状态，rmax为车