电动四轮转向地面无人车辆导航控制仿真研究

作     者：黄乐明 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：金立生

授予年度：2014年

学科分类：082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：四轮转向 状态空间模型 预瞄偏差 滑模控制 Matlab 

摘      要：地面无人车辆在国防及国民经济的各个领域有重要应用。加之对良好的速度调控能力、较好的战场隐身能力、优异的操纵稳定性及高机动性等的要求，采用电动四轮转向无疑是无人车发展的重要方向。导航控制是无人车技术中的基础和难点，本文即对电动四轮转向无人车辆导航控制方面进行研究。 首先建立侧倾、侧向、横摆三自由度车辆动力学模型，对侧向加速度，侧偏角、侧倾角等角度进行约束，以保证系统能在稳定状态下运行。使前后轮满足动态补偿控制关系，以保证车辆质心侧偏角为零。通过比较不同速度下的横摆角速度和质心侧偏角的变化，论证了四轮转向车辆操作稳定性要优于前轮转向车辆;进一步通过分析侧倾角速度和侧向加速度对汽车平顺性和稳定性的影响，论证了建立包含侧倾的三自由度动力学模型的必要性。 重点研究基于预瞄偏差的滑模控制器的设计。得到了预瞄点处的侧向偏差和方向偏差公式，保证良好的路径跟踪性能。并结合三自由度车辆动力学模型，建立了状态空间模型，证明所建模型是完全能控、能观、稳定的。将状态微分方程分解为趋近模态和滑动模态，针对滑动模态，基于二次型最优控制确定了切换函数;针对趋近模态，选取指数趋近律作为趋近律函数，并用饱和函数替代趋近律中的符号函数，以进一步减少抖振。 运用SIMULINK进行导航控制仿真实验，在上述所建状态空间模型的基础上，又设计了一个最优控制器。通过对圆弧路径、直线路径、可变曲率路径的跟踪，论证了滑模控制器跟踪速度略低于最优控制器，但在跟踪精度、以及对速度变化的鲁棒性方面明显优于最优控制器。