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4WID电动汽车路径跟踪与稳定容错控制策略研究
| 论文题名： | 4WID电动汽车路径跟踪与稳定容错控制策略研究 |
| 关键词： | 自动驾驶;电动汽车;路径跟踪;稳定性控制;容错控制 |
| 摘要： | 四轮独立驱动（Four-WheelIndependentDrive,4WID）电动汽车具有结构简单、能够对各个车轮进行独立的力矩控制，实现出色的稳定性控制。为了解决车辆在纵向速度跟踪上抖动、超调问题、横向路径跟踪控制上跟踪精度和稳定性问题、以及保证车辆在转向失效状况下继续安全稳定地完成跟踪任务，本文针对四轮独立驱动电动汽车路径跟踪和稳定性控制问题展开研究，在对国内外研究现状了解的基础上，分别在纵向速度控制、路径跟踪控制、稳定性控制以及容错控制方面展开研究，并通过Carsim/Simulink联合仿真平台进行验证。主要研究内容如下： (1)针对4WID电动汽车，通过分析车辆底盘结构和动力学特性，首先在Carsim搭建4WID车辆模型，然后构建了适用于路径跟踪控制器和横摆稳定性控制的车辆动力学数学模型模型，并在Carsim与Simulink仿真平台中验证Carsim模型与车辆动力学模型两者的相似性，证明该车辆模型的适用性。 (2)为了精确控制车辆行驶速度，在基于一阶惯性模型上设计了用于速度控制的预测模型和目标函数，加入了加速度以及加加速度的约束设计了的基于模型预测控制的速度控制器。为了抑制车辆加减速过急，车辆速度产生抖动和超调的问题，还加入了加速度增量输入控制律。通过联合仿真实验，与PI控制器作比较，验证速度控制器的有效性。 (3)针对4WID路径跟踪过程中的稳定性问题和跟踪精度问题，提出一种上层同时兼顾路径跟踪控制与横摆稳定性控制、下层为四轮转矩最优分配的分层协调控制策略。三自由度动力学模型基础，建立了MPC(模型预测控制)目标函数，考虑车辆转向机构约束，通过优化求解得到前轮转角和直接横摆力矩。下层控制器对转矩进行优化分配，利用有效集法进行转矩最优分配求解。仿真实验结果表明，所设计的控制器能够适应多种车速和附着条件的路面，确保极限工况下的车辆稳定性和跟踪精度 (4)为了应对中高速情况下四轮独立驱动电动汽车发生转向机构失效的突发状况，在路径跟踪与稳定性协调控制策略基础上加入容错机制，本文进一步设计了一种改进分层协调控制策略。上层控制路径跟踪、附加横摆力矩，中层进行前轮转角跟踪，下层控制转矩优化分配。上层模型预测控制器输出路径跟踪过程中的期望转角，滑模控制器输出需要的前轮差动力矩控制前轮转向，在转向机构失效时可以代替转向电机的转矩。仿真实验结果表明转向失效时该控制策略在没有切换控制器的情况下能够保证车辆在中高速和曲率较大的工况下良好跟踪目标路径。 |
| 作者： | 钱俊楠 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 冯桑 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 广东工业大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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