[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

摘要

本发明的自动驾驶汽车的自适应分层递阶路径跟踪控制方法，包括如下步骤a).建立车体的直角坐标系；b).建立路径跟踪控制系统模型；c).建立轮胎与路面间的摩擦力模型；d).建立车轮滑移率方程，e).建立控制模型，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。本发明的自适应分层递阶控制方法，通过稳定、优化、参数估计等控制目标的解决了自动驾驶汽车的路径跟踪控制问题，动态优化车轮联合滑移率并抑制车轮侧滑，实现了过驱动车辆轮胎力和力矩的合理分配；实现了未知、非对称路面摩擦条件下独立车轮的制动控制和摩擦参数估计，并保证摩擦参数的收敛性，实现自动驾驶汽车理想的路径跟踪控制。

主权项

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，Jz为绕z轴的转动惯量，σaero为空气动力学系数，lf为车辆质心到前轴的距离，lr为车辆质心到后轴的距离，ld为车辆的轮距，Fxj、Fyj，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，Mzj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wj为车轮角速度，Iwj和rej表示车轮的转动惯量和有效半径，Tj和δj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=-vsinφddtφ=1mv(-sinβcosβΣj=14FxjFyj+σaerov2sinβ)-v1/ρref+yccosφ---(3),]]>其中，ρref为路径曲率，yc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，ks为轮胎踏面形变的衰减因子，μRes(·)为数量饱和函数，||Sj||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Sj由纵向滑移率SLj和侧向滑移率SSj两个分量构成，||Sj||为车轮滑移率幅值；其中，纵向滑移率SLj与车轮接触地面的速度vwj的方向相同，而侧向滑移率SSj与纵向滑移率SLj垂直；当制动时，vrjcosαj≤||vwj||，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，vrj cosαj＞||vwj||，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vwj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，αj为车轮侧偏角，其定义如公式(8)：αj＝δj‑βj，βj＝arctan(vyj/vxj)   (8)其中，vxj、vyj为车轮速度vwj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,ρref＝0,yl＝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,]]>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uc，使得当u＝uc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uc，分配理想的车轮纵向滑移率SLd、侧向滑移率SSd并输出到下层控制器；f‑3)下层控制器设计车轮制动力矩Td，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。