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原文传递一种适用于高速极限工况的路径跟踪控制方法

专利名称：	一种适用于高速极限工况的路径跟踪控制方法
摘要：	一种适用于高速极限工况的路径跟踪控制方法，其特征在于，该方法包括期望路径计算模块、轮胎模型线性化模块、MPC控制器和CarSim汽车模型；期望路径计算模块用于计算期望的汽车侧向位移和横摆角；轮胎模型线性化模块用于实现预测时域内非线性轮胎力的线性近似；CarSim汽车模型用于输出汽车的实际状态量，包括汽车纵向速度、侧向速度、横摆角速度、横摆角和侧向位移；MPC控制器根据期望的侧向位移、横摆角以及汽车的实际状态量，求解出汽车的前轮转角，输入给CarSim汽车模型，控制汽车实现路径跟踪控制。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	吉林;22
申请人：	长春工业大学
发明人：	李绍松;王枫;张邦成;张袅娜;卢晓晖;于志新;韩玲;王国栋
专利状态：	有效
申请日期：	2019-06-25T00:00:00+0800
发布日期：	2019-09-10T00:00:00+0800
申请号：	CN201910551935.1
公开号：	CN110217229A
分类号：	B60W30/165(2012.01);B;B60;B60W;B60W30
申请人地址：	130012 吉林省长春市延安大街2055
主权项：	1.一种适用于高速极限工况的路径跟踪控制方法，其特征在于，该方法包括期望路径计算模块、轮胎模型线性化模块、MPC控制器和CarSim汽车模型；期望路径计算模块用于计算期望的汽车侧向位移和横摆角；轮胎模型线性化模块用于实现预测时域内非线性轮胎力的线性近似；CarSim汽车模型用于输出汽车的实际状态量，包括汽车纵向速度、侧向速度、横摆角速度、横摆角和侧向位移；MPC控制器根据期望的侧向位移、横摆角以及汽车的实际状态量，求解出汽车的前轮转角，输入给CarSim汽车模型，控制汽车实现路径跟踪控制；该方法包括以下步骤：步骤1、设计期望路径计算模块，确定期望的侧向位移Yref和横摆角步骤2、设计轮胎模型线性化模块，实现预测时域内非线性轮胎力的线性近似，其过程包括如下子步骤：步骤2.1、设计非线性轮胎模型，得到轮胎侧向力Fy的表达式；步骤2.2、轮胎模型线性化方程设计，其过程包括如下子步骤：步骤2.2.1、轮胎状态刚度定义，定义轮胎状态刚度C为每一侧偏角α下，侧向力与该侧偏角的比值，表达式如下：其中，前、后轮的轮胎侧偏角αf和αr分别定义如下：其中，δf为前轮转角；为汽车侧向速度；为汽车纵向速度；γ为汽车横摆角速度；lf与lr分别为汽车质心到前轴和后轴的距离；步骤2.2.2、轮胎模型性化方程设计，将步骤2.1得到的轮胎侧向力和步骤2.2.1的式(15)得到的轮胎侧偏角代入步骤2.2.1的式(14)可得到每个轮胎的轮胎状态刚度，基于得到的轮胎状态刚度，前、后轮胎的侧向力可线性化表示为： Fy,i＝Ci·αi (16) 其中，下标i＝f,r，分别指前、后轮胎；步骤2.3、预测时域内轮胎状态刚度预测和轮胎模型线性化，其过程包括如下子步骤：步骤2.3.1、建立汽车运动学模型，其表达式如下：其中，Iz为绕汽车质心铅垂轴的横摆转动惯量；为汽车横摆角加速度；Fy,f和Fy,r分别为前、后轮胎的侧向力；m为汽车质量；为汽车侧向加速度；为汽车在大地坐标系中的横摆角变化率；为汽车在大地坐标系中侧向位移的变化率；为汽车在大地坐标系中的横摆角；步骤2.3.2、预测时域内轮胎状态刚度预测，将步骤1得到的期望侧向位移Yref和横摆角代入步骤2.3.1中的汽车运动学模型，可以推导出预测的轮胎状态刚度的表达式：其中，Cf,pre和Cr,pre分别表示预测的前、后轮胎状态刚度；期望横摆角的二阶导；为期望侧向位移的二阶导；为期望侧向位移的一阶导；和κμ,F为补偿附着系数影响的调节因子；ε是避免分母为零的极小数；由于轮胎力附着极限的影响，轮胎状态刚度应满足约束：其中，μ为路面附着系数；Fz为轮胎垂直载荷；下标i＝f,r，分别指前、后轮胎；在当前时刻向前取P个期望路径数据，即可得到未来预测时域内的轮胎状态刚度：其中，上标k表示当前时刻；上标k+n表示未来第n时刻，n＝0,1,…P；函数f(·)表示式(18)；预测的轮胎状态刚度变化量可以表示为：最终可以得到预测时域内的轮胎状态刚度：其中，表示当前时刻的轮胎状态刚度，由步骤2.2.1中的式(14)计算得到；步骤2.3.3、预测时域内的轮胎模型线性化，将步骤2.3.2的式(22)代入步骤2.2.2的式(16)可得到预测时域内的轮胎侧向力的线性化表达式：步骤3、设计MPC控制器，其过程包括如下子步骤：步骤3.1、建立预测模型，将步骤2.3.3的式(23)代入步骤2.3.1的汽车动力学模型式(17)，可以得到MPC控制器的预测模型：将式(24)写成标准状态空间方程的形式，并以步长Ts进行离散化，得到增量式的离散预测模型模型如下：其中，控制输入u为前轮转角，即δf；预测输出ζ为横摆角和侧向位移，即步骤3.2、计算预测输出，根据模型预测控制理论，取预测时域为P，控制时域为M，可以得到在当前k时刻的预测输出为： ζ(k+1\|k)＝Sξ·Δξ(k)+I·ζ(k)+SuΔU(k) (26) 其中，预测输出矩阵ζ(k+1\|k)＝[ζ(k+1\|k),…,ζ(k+P\|k)]T；控制输入增量矩阵ΔU(k)＝[Δu(k),…,Δu(k+M-1)]T；同时根据式(1)得到参考输出矩阵R(k+1)＝[rref(k+1),…,rref(k+P)]T其中，步骤3.3、设计优化目标及约束条件，其过程包括如下子步骤：步骤3.3.1、用期望的期望侧向位移和横摆角与汽车实际期望侧向位移和横摆角偏差的二范数作为路径跟踪性能指标，其表达式如下：其中：τy和分别是对侧向位移和横摆角跟踪性能的加权因子；步骤3.3.2、用控制量变化量的二范数作为转向平滑指标，其表达式如下：其中：τu是对控制输入变化量的加权因子；步骤3.3.3、设置执行器物理约束，满足执行器要求：利用线性不等式限制前轮转角及其变化量的上下限，得到转向执行器的物理约束，其数学表达式为：其中：-umax是前轮转角下限，umax是前轮转角上限；-Δumax是前轮转角变化量的下限；Δumax是前轮转角变化量的上限；步骤3.3.4、设置控制输出约束，满足道路环境要求：其中，是横摆角下限，是横摆角上限；-Ymax是侧向位移下限；Ymax是侧向位移上限；步骤3.4、求解系统控制输入，其过程包括如下子步骤：步骤3.4.1、利用线性加权法将步骤3.3.1所述跟踪性能指标和步骤3.3.2所述转向平滑指标转化为单一指标，构建汽车横摆稳定性多目标优化控制问题：服从于 i)预测模型式(25) ii)约束条件式(29)～(30) 步骤3.4.2、在控制器中，采用二次规划算法，求解多目标优化控制问题(31)，得到最优开环控制序列Δδf为：选取当前时刻最优开环控制序列中的第一个元素进行反馈，与前一时刻进行线性叠加后得到前轮转角δf，输入给CarSim汽车模型，实现汽车的路径跟踪控制。
所属类别：	发明专利