详情

原文传递分布式驱动智能电动汽车换道轨迹规划与跟踪控制研究

论文题名：	分布式驱动智能电动汽车换道轨迹规划与跟踪控制研究
关键词：	电动汽车;分布式驱动;换道轨迹规划;路径跟踪;状态参数估计;轮毂电机
摘要：	全球汽车行业面临百年未有之大变局，国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要指出，积极推动以电动化和智能化相互促进发展为特征的新一轮工业产业变革，汽车电动化、智能化和网联化成为国家重大发展战略和行业升级的美好希冀。以轮毂电机为独立动力单元的分布式驱动电动汽车（DistributedDriveElectricVehicle,DDEV）将驱动、制动、转向系统高度集成在驱动轮内，实现了底盘系统的高度集成化，多执行器冗余特性赋予车辆更优秀的底盘运动潜能，因此被行业内认为是纯电动汽车的专用底盘与保证高安全性和效率性地实现智能驾驶的最佳载体。现阶段智能电动汽车换道轨迹规划和跟踪控制算法一般基于经验值进行保守设计，在高速、紧急避撞等多车交通场景下存在不够安全的问题，电动化与智能化仍然处于独立发展的产业布局，同时分布式驱动电动汽车控制维度的增高也向智能驾驶架构设计提出新的挑战，汽车智能化道路任重而道远。电动汽车行驶稳定性和运动可靠性是智能化水平评价的重要准则，如何揭示底盘运动稳定域的动力学行为机理，实现智能驾驶平台与底盘系统之间零误差匹配，将主动安全的运动学接口拓宽为动力学接口是亟待突破的关键问题。本文以分布式驱动智能电动汽车为研究对象，以高速、紧急避撞等多车交通场景为背景，分别从全状态参数估计、稳定域机理分析、换道轨迹规划和轨迹跟踪控制进行了深入研究。全文的主要研究内容如下：　　（1）针对分布式驱动电动汽车质心侧偏角和轮胎侧向力难以直接测量的问题，考虑系统未建模的动态特性、模型参数摄动、系统过程噪声以及测量噪声等因素，提出一种非线性鲁棒融合估计方法（NonlinearRobustFusionEstimation,NRFE）。建立了考虑纵向空气阻力和轮胎滚动阻力的车辆纵向动力学平衡方程，提出一种带有遗忘因子的递归最小二乘法对整车质量进行了准确估计。针对分布式驱动电动汽车建立了三自由度动力学模型，引入可表征轮胎瞬时力学特征的半经验魔术轮胎模型，在鲁棒容积卡尔曼滤波的架构下构建了车辆动力学信息融合模型对质心侧偏角和轮胎侧向力进行实时估计，基于最小化最大估计误差协方差实现算法设计，鲁棒容积卡尔曼在Qk、Rk和P0未知的前提下，将Wk、Vk和X0的不确定性对估计结果精度的影响降到最低程度。试验表明，通过估计结果与真实值的平均绝对误差和均方根误差进行量化，验证了NRFE算法相比于RCKF和CKF具有更好的准确性和鲁棒性。　　（2）针对多执行器联动可拓宽分布式驱动电动汽车稳定域而失稳状态特征难以表征的问题，而高度集成转向系统、驱动系统和制动系统的强耦合非线性底盘系统的动力学行为机理与智能驾驶算法设计密切相关，提出一种基于物理理论模型的车辆稳定域边界方程。建立了单轨车辆模型和四轮车辆非线性动力学模型，通过分布式驱动实车平台,确定了可以准确描述系统未建模的动态特性和非线性特征的车辆模型。基于相平面图揭示图中平衡点、鞍点和轨线随着不同车辆状态变量输入的拓扑结构演变规律，根据物理理论模型推导出当前车辆工况下稳态横摆角速度和稳定质心侧偏角边界的表达式。通过边界方程可以推导出车辆保守稳定域表达式，针对车辆瞬态动力学行为特征难以揭示的问题，提出一种基于膨胀规则的新稳定域确定方法，定量分析了不同车辆状态下的膨胀稳定域。根据各轮胎附着裕度计算了直接横摆力矩可介入范围，分析了不同转矩分配方式下直接横摆力矩介入对非线性系统动力学行为作用机理，确定了稳定域扩大的边界范围。　　（3）针对分布式驱动智能电动汽车在高速、紧急避撞等多车交通场景下自主换道系统的局限性，提出了一种基于稳定域的换道轨迹规划和跟踪控制架构。构造了最优边界值问题，根据庞特里亚金极小值原理求解代价函数指标最优问题，计算得到一系列基于五次多项式的无约束广义换道轨迹簇。考虑车辆膨胀稳定域约束，并将周围车辆、行人等作为环境几何约束，车道线、交通规则等作为道路边界，划分出全局可行域。建立了全面的评价指标体系，基于TOPSIS算法对候选轨迹进行多目标综合评价得到最优轨迹。建立了三自由度动力学模型和轨迹跟踪误差模型，构建预测模型的状态方程、性能指标函数及二次规划问题，基于稳定域设计了LPV-MPC轨迹跟踪控制器。仿真试验表明，在高附着路面紧急避撞工况、低附着路面紧急避撞工况及换道超车工况这三种交通场景下，车辆实现了最优轨迹的规划与跟踪控制，与传统算法相比提高了系统的鲁棒性、稳定性和可行性。　　（4）开发了分布式驱动电动汽车智能驾驶系统，基于量产乘用车设计了底盘系统和通信网络架构，基于V流程方法开发了整车应用层控制软件，对模型进行了验证、优化、测试和集成。研发了底层控制系统，包括线控转向系统、速度控制系统和踏板曲线的设计，通过实车测试验证了底盘控制系统的稳定性与可靠性。设计了智能驾驶上装平台，通过GNSS/INS组合导航系统实现厘米级定位，基于ROS完成了上层控制系统硬件的搭建和控制软件系统的开发。基于已开发的分布式驱动智能电动汽车进行了实车测试，验证了不同全局轨迹和换道轨迹的轨迹跟踪效果，提升了车辆轨迹跟踪的实时性、精确性和鲁棒性。
作者：	王凡勋
专业：	机械工程;车辆工程
导师：	殷国栋;陈建松
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2022