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原文传递基于可拓理论的智能汽车轨迹跟踪控制研究

论文题名：	基于可拓理论的智能汽车轨迹跟踪控制研究
关键词：	智能汽车;轨迹跟踪;可拓切换控制;并联可拓控制;博弈协调控制
摘要：	随着智能化技术的发展，智能汽车成为汽车行业发展的重要方向。轨迹跟踪控制是智能汽车智能化的关键技术之一，在中高车速下，智能汽车跟踪精度和稳定性的恶化极大制约了智能汽车的性能提升。面向大范围道路行驶工况下车辆轨迹跟踪控制难易程度的差异化需求，而单一控制方法难以有效改善轨迹跟踪控制的全局性能。为此，本文基于划区域控制思想的可拓控制理论首先研究了智能汽车可拓切换轨迹跟踪控制策略，通过对轨迹跟踪控制状态划分区域，在不同的控制区域采用不同的控制方法以改善轨迹跟踪控制精度。其次，考虑到轨迹跟踪控制位置误差和航向误差的控制目标，为进一步提高关联函数的表征能力，采用了一种并联可拓控制结构。为了解决可拓控制切换的抖动问题，引入博弈协调控制设计了可拓博弈轨迹跟踪协调控制策略以改善轨迹跟踪控制器性能。主要研究内容如下：　　（1）建立了轮胎动力学、车辆动力学模型和预瞄误差模型，为轨迹跟踪控制器的设计和跟踪性能的评价提供了依据。在此基础上，基于可拓控制架构设计了可拓切换轨迹跟踪控制器，控制器结构分为两层，上层测度模式识别层选取一组特征量描述轨迹跟踪控制实时状态，采用基于曲率的误差公差带自适应可拓集合区域划分方法，并实现了经典域、可拓域和非域三种测度模式识别。下层切换控制算法结合PID反馈控制、附加关联函数前馈-反馈控制和完全前馈-反馈控制策略，实现了三种测度模式下的切换控制。Matlab/Simulink和Carsim联合仿真结果表明，可拓切换控制较好的提高了轨迹跟踪控制精度，相比于单一控制方法，可拓切换控制精度平均提升约21.48%。但也发现，一组特征量的关联函数对轨迹跟踪控制状态表征能力较弱，在同一测度模式下跟踪精度改善不明显。此外，由于可拓切换控制在切换点产生的控制量抖动，影响了车辆轨迹跟踪控制的局部稳定性。　　（2）为了增强关联函数对控制状态的表征能力，提高同一测度模式下的控制精度，并解决可拓切换控制的抖动问题，优化设计了可拓博弈轨迹跟踪协调控制器。在上层并联可拓测度模式识别层中，结合轨迹跟踪控制需要满足位置误差和航向角度误差的控制要求，选择两组误差及其变化率构成并联可拓集合，设计了并联可拓测度识别算法。在下层并联可拓博弈协调控制层中，基于可拓控制输出原理和附加关联函数前馈-反馈控制，输出不同测度模式下的并联控制量。在此基础上，引入博弈协调控制，建立并联可拓控制量权重微分博弈模型，优化并联控制输出权重，以解决可拓切换控制产生的抖动问题。Matlab/Simulink和Carsim联合仿真结果表明，优化后的可拓博弈轨迹跟踪协调控制相比于可拓切换控制，控制精度平均提升约22.23%，稳定性抖动平均降幅约24.2%，改善了控制器的精度和稳定性。　　（3）基于奇瑞“艾瑞泽5E”电动汽车智能驾驶平台，通过摄像头对车道线检测并获取道路信息，将设计的基于可拓理论的轨迹跟踪控制策略编译成整车控制器可执行算法，在中高速实际道路工况下进行了车道中心线轨迹跟踪控制试验。试验结果表明，本文提出的基于可拓理论的轨迹跟踪控制方法能够满足实际车辆的行驶要求，并且相比于单一的PID控制和前馈-反馈控制，本文提出的可拓切换控制策略改善了轨迹跟踪控制精度，弯道路段跟踪误差降低约20%。与此同时，可拓博弈协调控制实现了多种控制策略的平滑协调切换。相比于可拓切换控制，弯道路段跟踪误差降低约11.1%，控制量抖动降幅约19.2%，同时改善了轨迹跟踪控制精度和稳定性。
作者：	臧勇
专业：	车辆工程
导师：	蔡英凤
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