[发明专利]自动驾驶汽车的自适应分层递阶路径跟踪控制方法

权利要求书

1.一种自动驾驶汽车的自适应分层递阶路径跟踪控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)建立车体坐标系，以车辆质心为原点，以车辆的纵向、横向分别为X轴、Y轴建立直角坐标系；

b)建立路径跟踪控制系统模型，所述系统模型包括车体动态子系统、车轮动态子系统及理想路径跟踪动态子系统；

b-1)建立如公式(1)的车体动态子系统：

m000mv000Jzddtvβr=cosβsinβ0-sinβcosβ0001Σj=14FxjFyjMzj+-σaerov2cosβσaerov2sinβ-mvγ0Σj=14Mzj=-ldlfFx1Fy1+ldlfFx2Fy2+-ldlfFx3Fy3+ld-lfFx4Fy4---(1)]]>

其中v＝||V||为车辆质心处的速度，β为质心侧偏角，γ为横摆角速度，m为车体质量，J_z为绕z轴的转动惯量，σ_aero为空气动力学系数，l_f为车辆质心到前轴的距离，l_r为车辆质心到后轴的距离，l_d为车辆的轮距，F_xj、F_yj，j＝1,2,3,4，分别为轮胎与路面之间相互摩擦力沿X轴、Y轴的分量，M_zj为车轮的力矩；b-2)建立如公式(2)所示的车轮动态子系统：

Iwjw·j=Tj-rejcosδjsinδjFxjFyj---(2),]]>

其中w_j为车轮角速度，I_wj和r_ej表示车轮的转动惯量和有效半径，T_j和δ_j为车轮力矩和转向角输入；

b-3)建立如公式(3)所示的理想路径跟踪动态子系统：

ddtyc=-v sinφddtφ=1mv(-sinβcosβΣj=14FxjFyj+σaerov2sinβ)-v1/ρref+yccosφ---(3),]]>

其中，ρ_ref为路径曲率，y_c为车辆质心到曲线中心的法向偏离，φ为车辆速度与路径切线方向的夹角；

c)建立如公式(4)所示的轮胎与路面间的摩擦力模型：

FxjFyj=FzjμRes(||Sj||,χ)||Sj||cosβj-sinβjsinβjcosβj100ksSLjSSj---(4),]]>

其中，k_s为轮胎踏面形变的衰减因子，μ_Res(·)为数量饱和函数，||S_j||为车轮滑移率幅值，χ为路面条件；

d)建立车轮滑移率方程，车轮滑移率S_j由纵向滑移率S_Lj和侧向滑移率S_Sj两个分量构成，||S_j||为车轮滑移率幅值；其中，纵向滑移率S_Lj与车轮接触地面的速度v_wj的方向相同，而侧向滑移率S_Sj与纵向滑移率S_Lj垂直；

当制动时，v_rjcosα_j≤||v_wj||，车轮滑移率通过公式(5)求解得到：

Sj=SLjSSj=vrjcosαj-||vwj||||vwj||vrjsinαj||vwj||---(5),]]>

当驱动时，v_rj cosα_j＞||v_wj||，车轮滑移率通过公式(6)求解得到：

Sj=SLjSSj=vrjcosαj-||vwj||vrjcosαjtanαj---(6),]]>

其中，在车体坐标系中，车轮速度v_wj表示为公式(7)：

vw1=(vxcosβ-ldr)e→x+(vysinβ+lfr)e→yvw2=(vxcosβ+ldr)e→x+(vysinβ+lfr)e→yvw3=(vxcosβ-ldr)e→x+(vysinβ-lrr)e→yvw4=(vxcosβ-ldr)e→x+(vysinβ+lrr)e→y---(7),]]>

分别为沿X轴、Y轴的单位向量，α_j为车轮侧偏角，其定义如公式(8)：

α_j＝δ_j-β_j，β_j＝arctan(v_yj/v_xj) (8)

其中，v_xj、v_yj为车轮速度v_wj分别沿X轴、Y轴的分量；

e)建立控制模型，将非线性车辆动力学模型在操作点v＝v₀,β＝0,γ＝0,ρ_ref＝0,y_l＝0,φ＝0处进行线性化，得到如公式(9)所示的车辆路径跟踪控制模型：

x·=Ax+Bu+d---(9)]]>

其中，

x=∂vβrycφT,]]>

u=Σj=14FxjFyjMzjT,]]> 2

A=-2σaerov0m00000σaerov0m-100000000000-v00σaerov0m000]]>

B=1m000001mv0001mv0001Jz00T]]>

d=-σaerov02m000-v0ρrefT]]>

其中，为相对速度，u为控制输入，d为包含了空气阻力和路径曲率的扰动值；

f)建立自适应分层递阶控制架构，所述自适应分层递阶控制架构包括上层控制器、中间层控制器以及下层控制器；

f-1)上层控制器设计虚拟控制输入u_c，使得当u＝u_c时，路径跟踪误差系统在原点处是一致渐近稳定，实现理想的路径跟踪；

f-2)中间层控制器基于上层的虚拟控制输入u_c，分配理想的车轮纵向滑移率S_Ld、侧向滑移率S_Sd并输出到下层控制器；

f-3)下层控制器设计车轮制动力矩T_d，使得车轮滑移率的实际值能够渐近收敛到其理想值，同时，实时估计轮胎路面摩擦参数。