[发明专利]一种基于有限时域鲁棒增益调度的横向运动控制方法有效

专利信息
申请号: 202111226085.1 申请日: 2021-10-21
公开(公告)号: CN113934141B 公开(公告)日: 2023-09-12
发明(设计)人: 何洪文;石曼;韩陌;李建威 申请(专利权)人: 北京理工大学
主分类号: G05B13/04 分类号: G05B13/04
代理公司: 北京市诚辉律师事务所 11430 代理人: 岳东升;杨帅峰
地址: 100081 *** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 一种 基于 有限 时域 增益 调度 横向 运动 控制 方法
【权利要求书】:

1.一种基于有限时域鲁棒增益调度的横向运动控制方法,其特征在于:包括以下步骤:

步骤1、针对自动驾驶车辆,考虑纵向车速vx和预瞄距离DL作为时变参数、轮胎侧偏刚度作为不确定参数以及轨迹曲率KL和空气阻力fw作为外部扰动参数,构建横向二自由度动力学模型,具体为以下形式:

式中,vx、vy、r分别为车辆的纵向速度、横向速度和横摆角速度,m为整车质量,上标·表示相应参数的导数,Iz为车辆旋转惯性质量,fw为空气阻力,Lw为空气阻力作用点到车辆质心的距离,lf和lr分别为前轴、后轴到车辆质心的距离,Fyf和Fyr为前后轮侧向力,可分别由前后轮侧偏刚度Cf、Cr表示为:

Fyf=Cfαf,Fyr=Crαr

式中,αf和αr分别为前后轮的侧偏角,可近似表示为:

αf=δf-lfr/vx-vy/vxr=lrr/vx-vy/vx

式中,δf为前轮转角;

综合上述公式,车辆横向二自由度动力学模型可以表示如下:

式中,a11=-(Cr+Cf)/mvx,a12=-(lrCr-lfCf)/mvx-vx,a21=(lrCr-lfCf)/Izvx,b1=Cf/m,b2=lfCf/Iz

步骤2、基于轨迹跟踪驾驶员预瞄模型,搭建车辆横向运动学模型,用于计算车辆预瞄点与期望轨迹之间的横向偏差yL和航向角偏差εL

步骤3、以纵向车速vx、横摆角速度r、横向偏差yL以及航向角偏差εL作为系统状态变量,前轮转角δf作为系统控制输入,横摆角速度r、横向偏差yL以及航向角偏差εL作为控制输出,同时考虑轨迹曲率KL和空气阻力fw的外部扰动构建状态空间方程,选定[vx,1/vx,DL]为多胞体变参数,将所述车辆横向运动学模型转换构建为多胞体不确定性LPV模型,以状态空间方程在控制过程中变参数的最大和最小边界工作点的排列组合作为多胞体顶点;状态空间方程具体构建为以下形式:

y=Cx

式中,

x=[vx r yL εL]T为系统状态变量,u=[δf]为系统控制输入,w=[KL fw]T为外部扰动,y=[r yL εL]T为控制输出,;

轮胎侧偏刚度的不确定性可表示为:

式中,C0f=(Cfmax+Cfmin)/2,C0r=(Crmax+Crmin)/2,Cfmax、Crmax分别为前后轮胎最大侧偏刚度,Cfmin、Crmin分别为前后轮胎最小侧偏刚度,为了减小计算量假定线性时变参数λf=λr,则车辆动力学模型重新表示为:

A=A0+ΔA,B=B0+ΔB

式中,A0、B0分别为矩阵A和B的标称矩阵,ΔA、ΔB分别为矩阵A和B的时变矩阵;

系统时变参数的边界值为:

vmax、vmin分别为纵向车速的最大值和最小值,

时变参数对可以通过顶点坐标的总和来描述:

其中,和可表示为:

则车辆横向运动学模型表示为如下多胞体不确定性LPV模型:

式中,

ρ=[ρ1 ρ2 ρ3 ρ4 ρ5 ρ6 ρ7 ρ8]

Ai、Bi和Ei为在每个顶点处的系统矩阵,ΔAi和ΔB为扰动矩阵,可表示为

ΔAi=ΓΛH1i,ΔB=ΓΛH2

其中,

步骤4、根据主动安全控制中避免发生侧滑、侧翻并且符合道路相关行车规范的需求,对多胞体顶点进行滚动更新;

步骤5、基于有限时域鲁棒增益调度控制方法,根据实时更新的多胞体顶点,求解使所述多胞体不确定性LPV模型稳定的LMI不等式,得到最优方向盘转角;将所述最优方向盘转角的相应指令提供给转向执行机构,利用传感器实时采集的车辆位姿信息传递给控制器,对所述方法闭环动态更新;

具体是利用MATLAB的LMI工具箱中的Feasp求解器解算以下不等式:

Q>0

γH>0

其中,A'(θi)、B'(θi)、C'(θi)、E'(θi)为不同顶点处的系统矩阵,Li为1×4的任意矩阵,γH为系统性能指标,I为单位矩阵;当且仅当存在n维对称正定矩阵Zi(i=1,...,n)和任意矩阵Q满足以上公式所述多胞体不确定性LPV模型是稳定的;其中,K'(θi)Q=Li,*为对称矩阵的对称元素;

车辆真实状态下控制系统的控制增益可表示为:

其中,时变参数υ在顶点为θi的多面体Υ内变化;

根据前面求得的K'(υ)求解控制系统的控制率η=K'(υ)x;最佳的方向盘转角指令传递给TruckMaker仿真软件中的转向执行机构,控制车辆执行转向操作,传感器将实时采集到的车辆位置姿态信息传递给控制器,实时更新多胞体顶点解算最优控制率,从而构成闭环控制系统。

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