[发明专利]基于快速终端滑模原理的无人车侧纵向耦合跟踪控制方法

权利要求书

1.基于快速终端滑模原理的无人车侧纵向耦合跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：选择无人车侧纵向耦合跟踪控制器的输入参数和输出参数；

步骤二：定义跟踪控制误差及其状态方程：

ε₁＝X-X_d+Y-Y_d

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_1=\stackrel{\·}{X}-{\stackrel{\·}{X}}_d+\stackrel{\·}{Y}-{\stackrel{\·}{Y}}_d$

其中分别为被控车辆二维平面上的位置坐标及速度矢量偏航角，分别为轨迹规划算法所规划轨迹上规划点处车辆的位置坐标及速度矢量偏航角；

步骤三：用跟踪控制误差ε₁、ε₂作为状态变量，建立一阶非线性切换函数即设计快速终端滑模面S₁和S₂：

$S_1={\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_1+p_{\mathrm{\α}1}{\mathrm{\ϵ}}_1+p_{\mathrm{\β}1}{{\mathrm{\ϵ}}_1}^{p_{q1}/p_{p1}}$

$S_2={\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_2+p_{\mathrm{\α}2}{\mathrm{\ϵ}}_2+p_{\mathrm{\β}2}{{\mathrm{\ϵ}}_2}^{p_{q2}/p_{p2}}$

其中p_α1>0，p_β1>0，p_α2>0和p_β2>0是滑模面一阶项和指数项系数，仿真时取值为p_α1＝p_α2＝p_β1＝p_β2＝2；p_q1，p_p1，p_q2，p_p2均为奇数，是幂指数参数，且满足p_q1<p_p1<2p_q1，p_q2<p_p2<2p_q2，仿真时取值为p_q1＝p_q2＝5，p_p1＝p_p2＝7；

步骤四：采用快速终端趋近率式作为跟踪控制器的滑模趋近率：

${\stackrel{\&CenterDot;}{S}}_1=-f_{\mathrm{\&alpha;}1}{\mathrm{\&beta;}}_1-f_{\mathrm{\&beta;}1}{S_1}^{f_{q1}/f_{p1}}$

${\stackrel{\&CenterDot;}{S}}_2=-f_{\mathrm{\&alpha;}2}{S}_2-f_{\mathrm{\&beta;}2}{S_2}^{f_{q2}/f_{p2}}$

其中f_α1>0，f_β1>0，f_α2>0和f_β2>0是快速终端趋近率一阶项和指数项系数，仿真时取值为f_α1＝f_α2＝80，f_β1＝f_β2＝2；f_q1，f_p1，f_q2，f_p2均为奇数，是幂指数参数，且满足f_q1<f_p1<2f_q1，f_q2<f_p2<2f_q2，仿真时取值为f_q1＝f_q2＝5，f_p1＝f_p2＝7；

步骤五：根据车辆动力学模型及上述步骤1到步骤4内容推导得出期望的驱动力或制动力F_trbrd和期望的侧向力F_ld之间的耦合关系：

$\begin{array}{c}{F}_{trbrd}=-(q_3{f}_1+q_4{f}_2-\left({\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{X}}_d+{\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{Y}}_d\right)+p_{\mathrm{\&alpha;}1}{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_1+\left(p_{\mathrm{\&beta;}1}{p}_{q1}/p_{p1}\right){{\mathrm{\&epsiv;}}_1}^{(p_{q1}-p_{p1})/p_{p1}}{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_1\\ +f_{\mathrm{\&alpha;}1}{S}_1+f_{\mathrm{\&beta;}1}{S_1}^{f_{q1}/f_{p1}})/q_1{q}_3+F_{ld}(q_3{\mathrm{\&delta;}}_f-q_4)/q_3\end{array}$

其中，F_rr为后轮地面摩擦力，q₃＝cos(ψ+β)+sin(ψ+β)，q₄＝cos(ψ+β)-sin(ψ+β)，δ_f为前轮转角,R_l是后轮胎作用在底盘上的侧向力；F_f是作用在前轴上的纵向力，由动力总成和制动系统产生；l_f和l_r是车辆的前轴和后轴到质心的距离；l是车辆前后轴之间的距离l_f+l_r；μ是常规路面粘滞系数,m为车辆的质量，I_ψ为车辆的转动惯量；

步骤六：计算获得期望前轮转角：

${\mathrm{\&delta;}}_{fd}=F_{ld}/C_f+(\mathrm{\&beta;}+l_f\frac{r}{\mathrm{\&upsi;}})$

其中C_f为前轮胎的侧偏刚度，l_f车辆的前轴到质心的距离；υ为车辆的线速度；β为车辆的质心侧偏角；r为车辆的角速度，ψ为车辆的航向角，

步骤七：针对车辆纵向力模型求取以期望驱动力或期望制动力F_trbrd为输入的逆纵向力模型；如果F_trbrd的计算结果为正，则为期望的驱动力F_trd，然后计算期望的节气门开度α_thb；反之，如果F_trbrd的计算结果为负，则为期望的制动力F_brd，然后计算期望的制动力矩P_brd；

步骤八：期望的节气门开度α_thb的计算方法为：不考虑轮胎及传动系的弹性变形，根据车辆纵向力模型、期望的发动机扭矩T_ed和当前的发动机转速ω_e，利用逆发动机模型可以求得期望的节气门开度α_thb：

α_thb＝f_ieng(T_ed,ω_e)

其中f_ieng(T_ed,ω_e)表示逆发动机扭矩特性函数；

或者，期望的制动力矩P_brd的计算公式为：P_brd＝F_brd/K_br，K_br为期望的制动力和制动力矩之间线性关系的比例系数。