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基于線性變參數(shù)系統(tǒng)的四輪轉(zhuǎn)向自主地面車輛路徑跟蹤控制及實驗驗證

2021-09-12 10:45:58·  來源：同濟智能汽車研究所  
　
編者按：近年來，隨著汽車智能化技術(shù)的飛速發(fā)展，軌跡跟蹤控制作為智能車輛的重點研究問題，成為國內(nèi)外學者廣泛關(guān)注的熱點。四輪轉(zhuǎn)向車輛可控自由度高，能有效改
編者按：近年來，隨著汽車智能化技術(shù)的飛速發(fā)展，軌跡跟蹤控制作為智能車輛的重點研究問題，成為國內(nèi)外學者廣泛關(guān)注的熱點。四輪轉(zhuǎn)向車輛可控自由度高，能有效改善車輛行駛的操縱性、穩(wěn)定性及安全性，是汽車未來發(fā)展的重要方向之一。目前大多數(shù)的軌跡跟蹤控制的研究集中于前輪轉(zhuǎn)向的車輛上，而對四輪轉(zhuǎn)向車輛的軌跡跟蹤控制的關(guān)注較少。這篇文章提出了一種基于四輪轉(zhuǎn)向自主地面車輛的路徑跟蹤控制方法，具有前瞻性的研究意義。
本文譯自：《Path tracking control of 4-wheel-steering autonomous ground vehicles based on linear parameter-varying system with experimental verification》
文章來源：Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part I: Journal of Systems and Control Engineering, 2020.
作者：Peng Hang, Xinbo Chen
原文鏈接：http://sage.cnpereading.com/paragraph/article/?doi=10.1177/0959651820934572
 
摘要：在本研究中，提出了一種新型四輪轉(zhuǎn)向電動汽車作為自主地面車輛。本文的目的是研究四輪轉(zhuǎn)向自主地面車輛智能駕駛的路徑跟蹤控制算法。在單軌模型的基礎(chǔ)上，建立了用于軌跡跟蹤控制器設(shè)計的軌跡跟蹤模型。接著建立了線性變參數(shù)系統(tǒng)模型，使路徑跟蹤控制器能夠適應(yīng)不同的縱向速度和路面摩擦系數(shù)。再者，設(shè)計了一種用于路徑跟蹤的線性二次型調(diào)節(jié)器控制器，并進行了穩(wěn)定性分析。為了消除干擾引起的誤差，將前饋控制與線性二次型調(diào)節(jié)器控制器相結(jié)合。為了驗證所設(shè)計控制器的路徑跟蹤性能，基于在CarSim中建立的高保真整車模型進行了數(shù)值仿真。此外，還進行了實際道路試驗。仿真和實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的控制器具有良好的路徑跟蹤性能。另外，路徑跟蹤控制器對不同的縱向速度和路面摩擦系數(shù)具有良好的魯棒性。
關(guān)鍵詞：四輪轉(zhuǎn)向，自主地面車輛，路徑跟蹤，線性變參數(shù)系統(tǒng)
 
1 引言
近年來，隨著各種交通問題（包括擁堵和事故）的增加，自主地面車輛（AGV）已成為研究的熱點。AGV的研究主要集中在環(huán)境感知、規(guī)劃決策和運動控制方面。運動控制是AGV的基本能力和首要任務(wù)，主要包括縱向運動控制和側(cè)向運動控制。AGV的縱向運動控制可以描述為跟蹤目標縱向速度。AGV的側(cè)向運動控制可以描述為路徑跟蹤控制，其目的是使AGV自動跟蹤目標路徑。
AGV的路徑跟蹤控制問題可定義為最小化側(cè)向偏移和航向誤差。各種控制算法已應(yīng)用于路徑跟蹤控制，包括滑?？刂疲⊿MC）、最優(yōu)控制、模糊控制、模型預(yù)測控制（MPC）、魯棒控制和智能控制。然而，大多數(shù)路徑跟蹤控制算法是為前輪轉(zhuǎn)向（FWS）的AGV設(shè)計的。與前輪轉(zhuǎn)向的AGV相比，四輪轉(zhuǎn)向（4WS）的AGV具有更多的運動控制自由度（DoF）。這表明4WS AGV具有更好的路徑跟蹤性能。
基于逆推方法為4WS AGV設(shè)計了一種路徑跟蹤控制器，該控制器能夠很好地跟蹤具有銳邊的軌跡和圓形軌跡。為了處理系統(tǒng)不確定性，如轉(zhuǎn)彎功率擾動、路徑半徑波動和側(cè)風干擾，基于SMC為4WS車輛設(shè)計了自動的路徑跟蹤控制器，這也表明自動4WS控制器比FWS控制器具有更穩(wěn)定和更精確的路徑跟蹤能力。采用MPC和前饋控制設(shè)計了一種集成路徑跟蹤控制器，可顯著提高車輛穩(wěn)定性和對期望路徑的跟蹤性能。盡管MPC路徑跟蹤控制器表現(xiàn)出良好的性能和魯棒性，但它會帶來大量的計算，并且難以在實際中使用普通硬件實現(xiàn)。為了減少車輛參數(shù)不確定性的影響，采用μ綜合法為4WS AGV設(shè)計了魯棒路徑跟蹤控制器。為了減少計算量并使控制器更實用，線性二次調(diào)節(jié)器（LQR）、比例積分微分（PID）和模糊控制廣泛應(yīng)用于路徑跟蹤控制器的設(shè)計。同時，采用遺傳算法對控制器參數(shù)進行優(yōu)化，使控制器更加具有自適應(yīng)能力。
由以上分析可知，所設(shè)計的控制器應(yīng)具有良好的路徑跟蹤性能和自適應(yīng)能力。此外，控制器還應(yīng)具有很強的魯棒性，以應(yīng)對系統(tǒng)不確定性和外部干擾。事實上，我們已經(jīng)使用H魯棒控制和μ綜合法設(shè)計了一些用于路徑跟蹤的魯棒控制器算法。為了提高對參數(shù)不確定性和干擾的魯棒性，設(shè)計的魯棒控制器的階數(shù)通常非常高。使用普通車輛電子控制單元（ECU）進行測試很困難。為了滿足上述性能要求，使控制器更加實用，本文采用線性變參數(shù)（LPV）系統(tǒng)和LQR算法，并結(jié)合前饋控制設(shè)計了4WS AGV的路徑跟蹤控制器。
文章的其余部分組織如下。在“4WS AGV的結(jié)構(gòu)”一節(jié)中，介紹了4WS AGV的結(jié)構(gòu)。在“4WS AGV控制器設(shè)計的建模”一節(jié)中，基于二自由度簡化動力學模型，建立了4WS AGV的路徑跟蹤模型和LPV系統(tǒng)模型，用于路徑跟蹤控制器設(shè)計。在“路徑跟蹤控制器的設(shè)計”部分，使用線性二次調(diào)節(jié)器（LQR）和前饋控制設(shè)計了路徑跟蹤控制器，并分析了閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在“仿真分析”部分和“實驗驗證”部分，進行了仿真和實驗，以驗證路徑跟蹤控制器的性能。最后，在“結(jié)論”部分總結(jié)了本文的工作。
 
2 4WS AGV的結(jié)構(gòu)
圖1顯示了名為春暉ZX的4WS AGV原型車輛，從中可以看出，4WS AGV主要由四個線控轉(zhuǎn)向（SBW）模塊組成。SBW模塊集成了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)。正是因為SBW模塊，4WS AGV的每個車輪的轉(zhuǎn)向角都可以獨立控制。也就是說，4WS AGV具有更多的動態(tài)控制自由度。因此，4WS AGV的轉(zhuǎn)向和運動模式比普通車輛更加多樣化。這意味著4WS AGV可以在低速時通過前后輪反相轉(zhuǎn)動來減小轉(zhuǎn)彎半徑以提高機動性。在高速行駛時，4WS AGV可通過主動后輪轉(zhuǎn)向（ARS）實現(xiàn)零質(zhì)心側(cè)偏角和期望的橫擺角速度，以提高操縱穩(wěn)定性。為此，4WS AGV可被視為一種理想的AGV平臺。
考慮到蓄電池重量占車輛質(zhì)量的很大一部分，因此蓄電池在電動汽車中的位置對車輛穩(wěn)定性有著重要影響。所有電池均均勻放置在座椅下。
 
圖1 4WS AGV
 
對于路徑跟蹤控制，將全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）相結(jié)合的定位系統(tǒng)應(yīng)用于4WS AGV。個人計算機（PC）用于監(jiān)控和收集來自控制器局域網(wǎng)（CAN）的數(shù)據(jù)。所有的控制算法都下載到ECU并在ECU中運行。傳感器、執(zhí)行器和ECU之間的通信通過CAN總線實現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集通過CAN工具進行。此外，4WS AGV的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。
表1 4WS AGV的結(jié)構(gòu)參數(shù)
 
3 4WS AGV控制器設(shè)計的建模
A.簡化動力學模型
在本節(jié)中，為控制器設(shè)計建立了4WS AGV的簡化動力學模型。為此，忽略了俯仰和側(cè)傾運動，僅考慮水平面上的側(cè)向和橫擺運動。假設(shè)4WS AGV的縱向速度為恒定值。因此，具有2個自由度的簡化平面運動模型如圖2所示。
 
圖2 4WSAGV的平面運動模型
此外，四輪平面運動模型可以簡化為兩輪單軌模型，即圖2中的藍色模型。車身坐標系固定在4WS AGV的重心（CG）處。Fxi和Fyi（i=fl、fr、rl、rr、f、r）分別表示每個輪胎的縱向力和側(cè)向力。vx和vy分別是縱向速度和側(cè)向速度。β和r是質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度。
兩個模型中的轉(zhuǎn)向角關(guān)系應(yīng)滿足Ackerman轉(zhuǎn)向幾何結(jié)構(gòu)，可表示為以下
 
其中δi（i=fl、fr、rl、rr、f、r）表示每個車輪的轉(zhuǎn)向角。
基于牛頓第二定律，4WS AGV的側(cè)向動力學模型可推導(dǎo)如下
式中，ay表示4WS AGV重心處的側(cè)向加速度。
此外，4WS AGV的橫擺動力學模型可以表示為
假設(shè)高速時車輪的轉(zhuǎn)向角非常小，則得出和。因此，等式(2)和(3)可簡化為
 
 
由于假設(shè)車輪的轉(zhuǎn)向角在高速時非常小，因此可以認為輪胎側(cè)偏角非常小。因此，可以得到輪胎側(cè)向力與輪胎側(cè)偏角之間的線性關(guān)系，可以表示為
 
 
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