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原文传递分布式驱动自动驾驶车辆路径跟踪与稳定性控制研究

论文题名：	分布式驱动自动驾驶车辆路径跟踪与稳定性控制研究
关键词：	分布式驱动电动汽车;无人化驾驶;路径跟踪;行驶稳定性
摘要：	汽车工业的进步显著的方便了现代人们的生活，但同时因汽车的普及也出现了诸如交通拥堵、环境污染等问题，因此未来汽车势必将向着更加智能化、网联化、电动化的方向发展。车辆的无人化驾驶作为汽车科技发展的最终形态，路径跟踪控制则是实现车辆真正无人化驾驶的技术前提。而分布式驱动电动汽车以优良的性能使得其成为电动汽车的主流驱动形式之一，具备良好的应用前景。因此本文将其作为研究对象，针对自动驾驶车辆的路径跟踪控制以及车辆的行驶稳定性问题，利用分布式驱动电动汽车在结构方面的优势，进行分布式驱动自动驾驶车辆的路径跟踪与行驶稳定性控制策略的研究，以期在改善自动驾驶车辆路径跟踪控制效果的同时，提升车辆在跟踪行驶过程中的整体稳定性。　　首先针对分布式驱动自动驾驶车辆的动力学建模问题进行了分析，为了降低运算难度，在基于合理简化假设的前提下建立了包含车辆横向、纵向、横摆以及四个车轮的转动共七自由度的整车动力学模型；建立了基于魔术公式的非线性轮胎模型，并对所建立的轮胎模型进行了特性分析，确定了轮胎的线性工作区；根据研究需要建立了轮毂电机模型，并对所建立的轮毂电机模型进行了参数匹配工作。最后采用在Carsim中建立相同参数整车模型的方式对本文所建立的车辆模型进行了仿真验证，说明了所建立模型的可靠性和有效性。　　其次在建立的整车动力学模型基础上，建立了基于模型预测控制的自动驾驶车辆路径跟踪控制器，并通过搭建Carsim与MATLAB/Simulink联合仿真平台的方式对所设计的路径跟踪控制策略进行了仿真验证分析，讨论了模型预测控制器预瞄步长对跟踪控制效果的影响，分析了采用固定预瞄步长的控制器难以兼顾车辆的路径跟踪控制精度与行驶稳定性的问题，并针对该问题展开了预瞄步长自适应控制的研究。考虑分别以车辆的横摆角速度和跟踪偏差作为控制输入，预瞄步长作为输出，采用模糊控制理论实时调整预瞄步长输出值，从而实现对预瞄步长的自适应控制。为验证所设计的预瞄步长自适应控制器的控制效果，分别选取了不同行驶工况进行了仿真分析。结果表明，采用预瞄时间自适应控制策略的模型预测控制器能够显著改善车辆在不同工况下行驶时的路径跟踪控制精度与行驶稳定性。　　接下来针对自动驾驶车辆在特殊工况下进行路径跟踪控制时车辆的行驶稳定性变差的问题，分析了横摆角速度和质心侧偏角等稳定性控制参数对车辆稳定性的影响，并对控制参数的理想值进行了分析计算。基于滑模变结构控制策略，建立了横摆角速度和质心侧偏角联合控制的横摆稳定性控制器，针对下层各轮转矩分配问题，结合纵向驱动力需求与横摆力矩需求与相关约束条件建立了四轮转矩优化分配控制器对转矩进行优化分配控制，考虑到车辆行驶速度的变化对于行驶稳定性的影响，设计了PI控制器对纵向车速进行跟随控制。并通过进行闭环双移线路径和开环正弦转交输入下的仿真实验，结果表明，所设计的横摆稳定性控制策略能够显著的改善车辆的行驶稳定性。　　最后，为了验证所提出的分布式驱动自动驾驶车辆的路径跟踪控制与稳定性控制策略的有效性，搭建了基于Carsim与MATLAB/Simulink的联合仿真平台，选取干燥沥青路面、湿滑沥青路面以及冰雪路面三种不同附着工况对集成了路径跟踪与稳定性控制策略的控制效果进行了仿真验证。联合仿真试验结果表明，本文所提出的模型预测路径跟踪控制算法、横摆力矩控制、四轮转矩优化分配控制算法均有较好的控制效果。车辆在三种路面条件下进行路径跟踪行驶时，相比未采用稳定性控制策略的车辆，在路径跟踪精度以及行驶稳定性等方面均取得了较好的性能表现。
作者：	周以然
专业：	工程(车辆工程)
导师：	陈哲明;王洪荣
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆理工大学
学位年度：	2022