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原文传递面向轨迹跟踪的轮毂电机直驱无人车协调控制研究

论文题名：	面向轨迹跟踪的轮毂电机直驱无人车协调控制研究
关键词：	无人驾驶汽车;轮毂电机直驱;轨迹跟踪;差动转向;横摆力矩;协调控制
摘要：	无人驾驶汽车是未来智能交通系统的重要组成部分，轨迹跟踪控制是实现无人驾驶技术的必要条件。目前，轨迹跟踪精度及跟踪过程中车辆的稳定性问题受到了学者的广泛关注。电动汽车是实现无人驾驶技术的最佳平台，其中轮毂电机直驱电动汽车可以实现多种动力学控制，因此具有改善轨迹跟踪效果的潜力。本文针对轨迹跟踪问题，发挥轮毂电机直驱无人车差动转向及横摆力矩控制的优势，进行协调转向及协调驱动轨迹跟踪控制策略研究，以提高轨迹跟踪的控制效果。　　首先，进行了前轮自主转向下的轨迹跟踪控制研究。分析了车辆动力学模型、运动学模型及轮胎模型，基于此利用模型预测控制（MPC）方法，设置目标函数及约束边界，通过二次规划求解出用于跟踪参考轨迹的前轮转角。针对固定的预瞄时间难以兼顾不同工况下无人车的轨迹跟踪精度与车辆的稳定性问题，对MPC的预瞄时间进行了多参数自适应控制研究。考虑参考轨迹的曲率，通过经验公式对预测步数进行调整，同时基于轨迹偏差及车速，采用模糊控制对预瞄步长进行调整，从而实现预瞄时间自适应控制。搭建了AMESim与Simulink联合仿真平台，并基于此进行仿真分析。结果表明，采用自适应预瞄时间的MPC控制器可以在不同的工况下保证无人车的轨迹跟踪精度及车辆的稳定性。　　其次，在自主转向控制的基础上，进行了协调转向下的轨迹跟踪控制研究。考虑到轮毂电机直驱无人车差动转向的特性，以轨迹偏差及航向偏差为控制目标，前轮左右轮毂电机的转矩为输出，采用PID控制方法设计差动转向轨迹跟踪控制器，并通过联合仿真平台对其有效性及适应性进行了验证。分析了自主转向及差动转向两种转向形式的特点，采用设置权重系数的方法将其结合，并根据道路附着系数、车速及参考轨迹的航向角对权重系数进行了自适应调整，以满足不同工况的行驶需求。进行了自主转向及协调转向下无人车的轨迹跟踪对比仿真，结果表明，协调转向控制可以提高轮毂电机直驱无人车的转向灵活性，进而提高轨迹跟踪的精度，在中低速及高附着道路工况下的提升效果较为明显，轨迹偏差均方根值减小了约10%。　　再次，为了提高轮毂电机直驱无人车在中高速及低附着道路工况下的稳定性及轨迹跟踪精度，在自主转向控制的基础上，进行了协调驱动下的轨迹跟踪控制研究。分析了横摆力矩在减小轨迹偏差及提高车辆行驶稳定性方面的作用，分别建立了偏差补偿模型与稳定性控制模型。基于车辆的行驶稳定性设置二者的权重系数，通过滑模控制求解横摆力矩，并将其转化为左右轮毂电机驱动力矩的增量，进而通过轮毂电机的驱动控制实现无人车的偏差补偿与稳定性控制。进行了不同工况下自主转向、稳定性控制及协调驱动控制轨迹跟踪仿真分析，结果表明，协调驱动控制可以提高无人车的轨迹跟踪精度与车辆行驶的稳定性，轨迹偏差均方根值减小了约5%，质心侧偏角均方根减小了约22%，具有较优的综合轨迹跟踪性能。　　最后，为了验证所提出的轨迹跟踪控制策略的有效性及可靠性，进行了硬件在环（HiL）试验测试。搭建了车辆模型、轮毂电机模型、轨迹跟踪控制策略及轮毂电机控制算法，并通过实验管理软件进行系统配置，从而基于VCU及MCU两个HiL平台搭建了轮毂电机直驱无人车联合仿真测试系统。HiL试验结果表明，所提出的轨迹跟踪控制策略可以在真实的控制器中运行，协调转向控制不仅可以提高车辆的转向灵活性，还可以提高轨迹跟踪的精度；协调驱动控制控制可以综合提高轮毂电机直驱无人车的轨迹跟踪精度及车辆的行驶稳定性。
作者：	汤赵
专业：	车辆工程
导师：	徐兴
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2020
正文语种：	中文