[发明专利]基于微分平坦和自抗扰的四轮转向汽车轨迹跟踪控制方法

摘要

本发明提出一种基于微分平坦和自抗扰的四轮转向汽车轨迹跟踪控制方法，可以提高四轮转向汽车对参考轨迹的跟踪效果。包括以下步骤：步骤一：建立三自由度四轮转向汽车单轨控制模型；步骤二：根据步骤一建立的控制模型，根据微分平坦理论，将欠驱动被控模型变换为带有扰动的没有零动态子系统的输入输出耦合模型；步骤三：根据步骤二建立的输入输出耦合模型，设计线性自抗扰控制器，主要包括高阶线性跟踪微分器、高阶扩张状态观测器和线性反馈控制律三个方面，最后得到实际控制量。

主权项

1.一种基于微分平坦和自抗扰的四轮转向汽车轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：建立三自由度四轮转向汽车单轨控制模型；步骤二：根据步骤一建立的控制模型，根据微分平坦理论，将欠驱动的控制模型变换为带有扰动的没有零动态子系统的输入输出耦合模型；其中，采用以下方法建立控制模型：其中，m为汽车质量，vx,vy,r分别是四轮转向汽车的纵向、横向和横摆角速度，δf,δr是汽车的前、后轮转向角，lf,lr为汽车质心CG与前、后轮的距离，Cf,Cr是前、后轮胎侧偏刚度，flf和flr是由发动机、刹车力矩和摩擦引起的纵向力，J为汽车转动惯量，由下式给出：其中，ε是纵向综合力fm在前后轮上的纵向力的常值分配系数，取值范围是从0到1，即从由后轮驱动汽车到由前轮驱动汽车，fsf和fsr是轮胎横向侧偏力，Fx,Fy和Tz分别代表外部力和力矩扰动，考虑到侧偏力fsf和fsr的驱动/制动作用相对于纵向驱/制动力flf和flr的驱动/制动作用来说很小，因此令第一个方程中的fsf＝fsr＝0，前后轮转角采用简单的比例控制，即δr＝kδf，k为前后轮转角比例控制系数，得到下述方程其中,取vx,vy,r为状态变量，δf和fm为控制变量，Fx′,Fy′,Tz′为控制模型近似过程中产生的残差项，将上述方程化为状态空间的形式其中ψ(x,u,t)为方程中Fx,Fx′,Fy,Fy′,Tz′,Tz经变换后得到的项，是中间变量方程，把g1(x,t)u1u2+ψ(x,u,t)看作内外扰或不确定项，即ξ(x,u,t)，实际系统方程变为所述的将欠驱动的控制模型变换为带有扰动的没有零动态子系统的输入输出耦合模型，解决欠驱动的问题具体为：近似系统的平坦输出为：状态变量由平坦输出及其有限阶导数表示为其中k1k8+k2k7≠0且有那么其中那么只要矩阵可逆，那么近似系统就是微分平坦的，即该条件在实际中很容易满足；那么实际系统可化为其中，包含所有影响系统的项，包括：内外扰、不确定项、小角度近似的残差，还包括纵横向力公式中近似后的残差；步骤三：根据步骤二建立的输入输出耦合模型，设计线性自抗扰控制器，主要包括高阶线性跟踪微分器的设计、高阶扩张状态观测器的设计和线性反馈控制律的设计三个方面，最后得到实际控制量。