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極限工況下的無人駕駛路徑跟蹤 | 斯坦福大學(xué)團(tuán)隊最新研究成果

2018-09-26 23:56:49·  來源：集成與控制研究室 同濟(jì)智能汽車研究所  
　
C．轉(zhuǎn)角控制器設(shè)計
本文主要研究極限工況下的不足轉(zhuǎn)向車輛，因此，設(shè)計的轉(zhuǎn)角控制器主要是控制前軸的輪胎力。最大的輪胎力對應(yīng)的輪胎側(cè)偏角可以通過公式(2)計算得到：
前軸的等效縱向滑移率是通過對左右側(cè)車輪的滑移率加權(quán)得到的，在側(cè)向加速度增加到7m/s2時，由于側(cè)向載荷轉(zhuǎn)移的關(guān)系，外側(cè)車輪的權(quán)重接近80%。通過測量的縱向滑移率和實時路面附著系數(shù)估計結(jié)果可以計算得到前軸的最大側(cè)偏角。而這個側(cè)偏角就直接作為底層轉(zhuǎn)角控制器的輸入，方向由目標(biāo)路徑的曲率確定。
 
D．極限工況下的路徑跟蹤控制
 
圖 2中平面三自由度的單軌車輛模型的狀態(tài)方程如下：
其中，m和Izz分別是車輛的質(zhì)量和橫擺轉(zhuǎn)動慣量。a和b分別是質(zhì)心到前軸和后軸的距離。
在穩(wěn)態(tài)條件下，假設(shè)轉(zhuǎn)角和前軸的縱向力都比較小，公式(8)可以簡化為：
如果前后軸同時處于最大的輪胎力，并且每根軸的附著能力都由單一附著系數(shù)來表征，那么橫擺角速度和車速之間的耦合關(guān)系可以用式(11)來表示。
文獻(xiàn)[18]中，Goh和Gerdes針對漂移車輛設(shè)計了一個用橫擺角速度作為輸入的路徑跟蹤控制器。而在本文中，類似的控制器可以作為車輛極限工況下的路徑跟蹤控制器，利用縱向速度來控制預(yù)瞄點的誤差：
其中，xLA是預(yù)瞄距離。通過引入穩(wěn)態(tài)的質(zhì)心側(cè)偏角，當(dāng)車輛模型足夠精確時便可以消除預(yù)瞄點的誤差，從而使車輛準(zhǔn)確跟蹤穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)向。預(yù)瞄點的誤差導(dǎo)數(shù)為：
其中，K是路徑的曲率。假設(shè)預(yù)瞄點的誤差具有穩(wěn)態(tài)的一階動態(tài)，則：
曲率為K的路徑在附著極限下的穩(wěn)態(tài)車速大概為：
將式(12)和(13)代入(14)，可得，
得到橫擺角速度作為虛擬的控制輸入：
當(dāng)誤差為零、航向角誤差等于質(zhì)心側(cè)偏角的時候，車輛的控制橫擺角速度便等于參考路徑的航向角速度。最后，通過式(11)可以將橫擺角速度控制輸入轉(zhuǎn)化為路徑跟蹤控制器的縱向速度控制量：
當(dāng)預(yù)瞄點在彎道的內(nèi)側(cè)時，誤差過大會導(dǎo)致目標(biāo)的橫擺角速度方向和路徑的曲率相反。此時，為了保證車輛加速并跟蹤上參考路徑，目標(biāo)車速將會過大。
圖7 跟蹤的縱向車速（左）和預(yù)瞄點
以及實際的側(cè)向位移誤差（右）
為了簡化控制算法，采用了比例反饋控制來跟蹤參考的縱向車速，并且為了補償路面的阻力和坡度，采用了前饋控制。
目標(biāo)的車速控制可以通過發(fā)動機的MAP圖和電子節(jié)氣門來實現(xiàn)。
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