[发明专利]基于状态反馈的车辆路径跟踪H∞控制方法

说明书

基于状态反馈的车辆路径跟踪H∞控制方法。首先获得参考路径横纵坐标，求出参考航向角，根据车辆当前位置寻找参考路径上对应的参考点，计算参考点和车辆当前点的位置偏差和航向角偏差。然后，将基于单轨的传统车辆动力学模型改进为基于位置偏差和航向角偏差的动力学模型，得到系统的状态方程。接着，将本模型中车辆横向运动控制主要影响因素参考横摆率作为系统的有界扰动，根据状态反馈H∞控制律，设计静态的状态反馈控制器。最后，转化为具有线性矩阵不等式约束和线性目标函数的凸优化问题，利用线性矩阵不等式工具箱求解控制器系数矩阵，得到控制器输出，即为轮胎转角，进而实现车辆的路径跟踪控制。适用于复杂交通场景下的车辆路径跟踪控制。

技术领域

本发明涉及一种新的基于状态反馈的车辆路径跟踪H∞控制方法，属于车辆路径跟踪控制领域。

背景技术

汽车的智能化近年来发展的如火如荼，谷歌、百度、乐视、特斯拉等企业都投入巨大用以发展智能驾驶技术。中国在2016年11月发布了无人驾驶技术路线图，在2021年之前实现高度或者完全自动驾驶。汽车智能化可以有效改善现行交通系统下，车辆的交通事故、交通拥堵和污染排放等问题。最重要的是提高车辆的安全性，大部分交通事故均是驾驶员人为失误造成，智能驾驶可以有效改变这种现状。同时，智能驾驶可以提高车辆的稳定性、平顺性和舒适性等。智能控制是车辆实现无人驾驶的基础和保障，路径跟踪控制是智能控制的关键和核心，根据规划模块给出的路径信息，平顺地跟踪目标轨迹，实现没有人类驾驶员参与地无人驾驶行为。

目前在实际使用最多的控制算法依然是基于PID控制，对于普通的道路环境，控制效果良好，但是对于高速道路、大曲率道路和驾驶环境多变化的道路，PID 的参数调节复杂，跟踪精度受参数影响大，不适合复杂交通环境下的无人驾驶。在复杂交通场景下，道路环境和驾驶要求的不同，路径跟踪的算法需要综合考虑车辆系统的非线性建模、扰动及各种性能约束等问题。设计综合的优化控制器，在保证安全、稳定、舒适等性能下输出前轮转角，保证在考虑系统非线性和扰动的情况下，平滑地跟踪到路径规划模块给出的参考路径。因此，研究基于状态反馈的H∞控制的路径跟踪方法具有很重要的理论与现实意义。

发明内容

发明目的：

基于以上分析及现有技术的局限，本发明基于状态反馈，提出一种新的基于状态反馈的车辆路径跟踪H∞控制方法，以期提高控制算法精度，降低算法复杂度。

方法思路：采用传统动力学模型的变换形式，基于位置偏差和航向角偏差的动力学模型，充分利用已知模型信息，将不确定性信息作为系统扰动，保证模型的准确性和可靠性。模型中的参考航向角变化率是不确定的，但是具有有限能量，因此可以作为系统的扰动。本发明中的路径跟踪控制算法，依据状态反馈设计系统的H∞控制器，使得从扰动输入到被调输出的闭环传递函数的H∞范数小于γ。通过搜索γ，求取闭环系统的扰动抑制度γ最小化的控制器，即最优H∞控制器。本发明中，采用对系统模型没有过多的限制的方法，基于线性矩阵不等式的H∞控制问题求解方法，求解控制器的增益，得到状态反馈控制器。

本发明需要保护的技术方案表征为：

一种基于状态反馈的车辆路径跟踪H∞控制方法，其特征在于，首先获得参考路径横纵坐标，求出参考航向角，根据车辆当前位置寻找参考路径上对应的参考点，计算参考点和车辆当前点的位置偏差和航向角偏差。然后，依据传统的单轨模型，建立传统的车辆动力学模型，将模型改进为基于位置偏差和航向角偏差的原动力学模型，得到系统的状态方程。接着，将所述原动力学模型中车辆横向运动控制主要影响因素参考横摆率作为系统的有界扰动，根据状态反馈H∞控制律，设计静态的状态反馈控制器最后，转化为具有线性矩阵不等式约束和线性目标函数的凸优化问题，利用线性矩阵不等式工具箱求解控制器系数矩阵，得到控制器输出，即为轮胎转角，进而实现车辆的路径跟踪控制。

所述基于状态反馈的H∞控制的路径跟踪方法，是在计算机中依次按以下步骤实现的：