[发明专利]一种四轮转向自动驾驶汽车横向鲁棒容错控制系统及方法

权利要求书

1.一种四轮转向自动驾驶汽车横向鲁棒容错控制系统，其特征在于包括车载视觉模块、车载INS模块、侧偏角估计模块、信息融合模块、横向控制模型设计模块和鲁棒容错控制器模块；

所述车载视觉模块、车载INS模块和侧偏角估计模块的输入端接四轮转向自动驾驶汽车的输出端，车载视觉模块、车载INS模块和侧偏角估计模块的输出端接信息融合模块的输入端，信息融合模块依次接横向控制模型设计模块与鲁棒容错控制器模块，鲁棒容错控制器模块的输出端接四轮转向自动驾驶汽车；

所述车载视觉模块、车载INS模块和侧偏角估计模块用于获取四轮转向自动驾驶汽车的行驶状态信息与周边车道信息，并将横向偏差、方位偏差、模摆角速度、侧偏角信息传输至信息融合模块；

所述信息融合模块用于将接收到的车辆信息进行融合后传输给横向控制模型设计模块；

所述横向控制模型设计模块包括横向动力学模型、横向运动学模型、转向执行器故障表征模块和参数不确定性表征模块，其中四轮转向自动驾驶横向动力学模型为：

m是车辆的总质量，v_x表示自动驾驶汽车的纵向速度，β是侧偏角，r是车辆的横摆角速度，I表示转动惯量，a表示车辆重心到前轴的距离，b表示车辆重心到后轴的距离，其中C_f和C_r分别表示前、后轮胎的侧偏刚度，δ_f和δ_r分别表示前轮和后轮的转向角；

四轮转向自动驾驶汽车的横向运动学模型：

其中，L为四轮转向自动驾驶汽车重心到预瞄点处的预瞄距离，e_y为车辆预瞄点处车辆行驶方向与期望道路的横向距离为横向偏差，e_a为车辆预瞄点处车辆行驶方向与期望道路的切线之间的角度为方位偏差误差，K_L表示预瞄点处期望道路的曲率；

转向执行器故障表征模块为：

其中，δ_fd和δ_rd表示期望的前、后轮转向角，λ_f和λ_r是时变系数，并且满足0＜λ_f≤1和0＜λ_r≤1；Δδ_f和Δδ_r表示恒定偏置故障；

参数不确定性表征模块为具有参数不确定性的轮胎侧偏刚度C_f和C_r，具体如下：

其中，C_0f和C_0r表示C_f和C_r的标称值，N_f和N_r是随时间变化的系数，并且满足|N_f|≤1和|N_r|≤1，和表示轮胎侧偏刚度的偏差值；

综合横向动力学模型(1)、横向运动学模型(2)、转向执行器故障表征模块(3)和参数不确定性表征模块(4)，建立描述参数不确定性、外部干扰及执行器故障下的四轮转向自动驾驶汽车的状态空间模型：

其中，

ΔA和ΔB由下式获得：

[ΔA ΔB₁]＝GF[E₁ E₂] (6)

其中，状态向量x＝[β r e_y e_a]^T，控制输入向量u＝[δ_f δ_r]^T，测量输出向量y＝[e_y e_a]^T，被控输出向量z＝[β r e_y e_a]^T，外部干扰向量w＝[Δδ_f Δδ_r K_L]^T；

所述鲁棒容错控制器模块包括鲁棒容错状态反馈控制结构模块，鲁棒容错状态反馈控制器存在条件构建模块、鲁棒容错反馈增益控制矩阵最优化求解模块；其中鲁棒容错状态反馈控制结构模块，如下：

u(t)＝Kx(t) (7)

其中，K是待确定的控制增益矩阵；

鲁棒容错状态反馈控制器存在条件构建模块，如下：

如果存在常数α＞0和β＞0，和一个对称的正定矩阵V＝V^T＞0以及矩阵J＞0，使得以下线性矩阵不等式成立：

其中：

则存在横向鲁棒容错控制器(11)使得四轮转向自动驾驶汽车的横向容错控制闭环系统(12)是渐近稳定的，并且满足H_∞性能指标，即对于给定的标量γ＞0，当将w视为具有极限能量的干扰信号时，从w到z的闭环传递函数T_zw满足以下约束条件：

||T_zw(s)||_∞＜γ (10)

鲁棒容错反馈增益控制矩阵最优化求解模块，具体如下：

建立四轮转向自动驾驶汽车的横向容错控制的优化问题：

上述鲁棒容错控制器模块用于实时求出参数不确定性和转向执行器故障影响下的四轮转向自动驾驶汽车横向容错控制所需的前、后轮转向角，并将信息传输给四轮转向自动驾驶汽车，以在保持稳定性和乘坐舒适性的同时，确保自动驾驶汽车横向跟踪误差的渐近收敛。