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原文传递一种极限工况的智能汽车轨迹跟踪控制方法

专利名称：	一种极限工况的智能汽车轨迹跟踪控制方法
摘要：	本发明公开一种极限工况的智能汽车轨迹跟踪控制方法，属于智能汽车控制技术领域。该方法首先建立非线性的车辆动力学模型，利用此动力学模型进行车辆稳态转向下的相轨迹分析，确定车辆转向稳定性区域，并计算车辆转向的稳定性边界，将得到的车辆转向稳定性区域作为轨迹跟踪问题的安全约束；对非线性的车辆动力学模型线性化，以前轮侧偏力作为输入，后轮侧偏力在当前工作点处进行一阶泰勒展开，得到线性化的车辆动力学方程；以线性化的动力学模型作为预测模型，以转向稳定性区域作为安全约束，构建基于模型预测控制方法的轨迹跟踪问题，通过求解该问题可以得到前轮侧偏力。利用轮胎逆模型逆向求解得到前轮转角作为最终的控制输入。本发明在保证车辆稳定性的前提下，实现智能汽车的轨迹跟踪，且实时性较好。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	清华大学
发明人：	李升波;李克强;陈海亮;成波;张小雪;高洪波;王建强;罗禹贡;杨殿阁
专利状态：	有效
发布日期：	2019-01-01T00:00:00+0800
申请号：	CN201810704580.0
公开号：	CN108674414A
代理机构：	北京清亦华知识产权代理事务所(普通合伙) 11201
代理人：	罗文群
分类号：	B60W30/10(2006.01)I;B60W50/00(2006.01)I;B;B60;B60W;B60W30;B60W50;B60W30/10;B60W50/00
申请人地址：	100084 北京市海淀区清华园1号
主权项：	1.一种极限工况的智能汽车轨迹跟踪控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(1)建立二自由度的车体动力学模型如下：其中，m是车辆质量，v是车辆速度，β是车辆的质心侧偏角，r是车辆的橫摆角速度，F_yf是前轮侧偏力，F_yr是后轮侧偏力，I_zz是绕z轴的横摆惯性力矩，a是质心距前轴的距离，b是质心距后轴的距离，求解该模型，得到车辆质心侧偏角β和橫摆角速度r的导数和建立非线性的车辆刷子轮胎模型如下：其中，下标#代表前轮和后轮，#∈{f,r}，C#是轮胎的侧偏刚度，α#是轮胎侧偏角，Fz#是车辆前轴或后轴所受的载荷，μ#是轮胎横向附着系数，前轮轮胎侧偏角αf和后轮轮胎侧偏角αr的计算公式如下：其中，δ是前轮转角，前轴的载荷Fzf和后轴的载荷Fzr通过下式计算：其中，g是重力加速度；(2)确定车辆转向时的稳定性区域，包括以下步骤：(2‑1)利用上述非线性车辆动力学模型，绘制一个车辆质心侧偏角β和橫摆角速度r的β‑r相轨迹图，β‑r相轨迹图中，横坐标为车辆质心侧偏角β，纵坐标为橫摆角速度r，定义当上述步骤(1)的模型中和同时为0时，β‑r相轨迹图中的与和同时为0相对应的β和r的坐标为鞍点；(2‑2)根据相轨迹图中轨迹发散区域，得到车辆转向时的稳定性区域如下：车辆转向的稳定性区域的边界分别为L1、L2、L3和L4：L1:r＝rmaxL2:r＝v/b(β+αmax)L3:r＝‑rmaxL4:r＝v/b(β‑αmax)(3)根据上述步骤(2)的车辆转向时的稳定性区域，采用模型预测控制，实现智能汽车轨迹的跟踪控制，包括以下步骤：(3‑1)以前轮侧偏力Fyf作为上述步骤(1)的二自由度的车体动力学模型的输入；(3‑2)在上述二自由度的车体动力学模型中，对当前车辆轮胎运行状态下对后轮侧偏力Fyr进行一阶泰勒展开，使后轮侧偏力Fyr实现局部线性化：其中，是当前后轮胎的侧偏角，是车辆当前的后轮侧偏力，是当前车辆轮胎运行状态下在处的局部侧偏刚度，(3‑3)根据上述步骤(3‑2)局部线性化的轮侧偏力Fyr，得到线性车辆动力学模型如下：将上述线性车辆动力学模型改写为以下形式：z(t)＝Cx(t)其中：x(t)为车辆的状态变量，x(t)＝[y(t),ψ(t),β(t),r(t)]Tz(t)为车辆的输出变量，z(t)＝[y(t),ψ(t)]T(3‑4)以上述改写后的线性车辆动力学模型为预测模型，以上述步骤(2)的车辆转向稳定性区域为车辆行驶安全约束，构建极限工况的轨迹跟踪控制问题：上述轨迹跟踪控制问题的约束条件为：‑Fyf,max≤u(τ)≤Fyf,max∈r≥0∈α≥0其中，τ为当前时刻，T为预测时域，z(τ)为当前时刻的车辆输出，z_ref(τ)为当前时刻的参考轨迹序列，为轨迹跟踪性能惩罚权矩阵，u(τ)为车辆的控制输入量，为车辆控制输入量的惩罚权矩阵，∈_r为橫摆角速度的松弛变量，ρ_r为橫摆角速度的松弛因子，∈_α为后轮侧偏角的松弛变量，ρ_α为后轮侧偏角的松弛因子；F_yf,max为前轮的附着极限，b为质心距后轴的距离，v为车辆速度，x(τ)为车辆当前时刻的状态，r_max为车辆转向时允许的最大橫摆角速度，α_max,r为车辆转向时允许的最大侧偏角；(3‑5)利用二次规划方法，求解极限工况的轨迹跟踪控制问题，得到前轮侧偏力Fyf；(3‑6)利用下式，逆向求解车辆前轮转角，实现极限工况的智能汽车轨迹的跟踪控制：其中，Fyf,des为上述步骤(3‑5)中求解得到的期望的前轮侧偏力，β为质心侧偏角，a为质心距前轴的距离，r为橫摆角速度，v为车辆速度，Tire‑1表示上述步骤(1)中的非线性的车辆刷子轮胎模型Tire的逆模型，δdes为最终得到的前轮转角控制量。
所属类别：	发明专利