双电机独立驱动无人驾驶赛车轨迹跟踪控制研究

作     者：张旭斌 

作者单位：辽宁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李刚;刘崇庆

授予年度：2020年

学科分类：082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 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：双电机独立驱动 无人驾驶赛车 线控转向 轨迹跟踪控制 辅助转向 

摘      要：轨迹跟踪控制是无人驾驶赛车的关键技术,论文针对双电机独立驱动无人驾驶赛车在轨迹跟踪控制方面展开研究,同时考虑到双电机独立驱动的优势,又进行了双电机独立驱动辅助转向控制技术的研究,研究的成果对无人驾驶赛车轨迹跟踪控制这一关键技术提供理论基础和技术支持,对无人驾驶汽车研发具有一定的参考价值。论文在国家自然科学基金项目（51675257）、辽宁省高等学校创新人才项目（LR2016056）资助下展开研究,主要内容包括以下几个方面:首先,对无人驾驶赛车线控转向系统的开发。在保证原有转向系统机械结构不变的前提下,又加入了一套参数相同的齿轮齿条转向器,与原有的机械转向系统并联布置,提供了新的转向动力输入端,供线控转向电机转角输入,为防止有人驾驶和无人驾驶在机械结构上的干涉,设计了线控转向离合器,用于适时的通断转向电机与线控转向器的连接,以消除有人驾驶和无人驾驶在机械结构上的干涉。在整车控制器和转向电机通讯方面,自主开发了通讯转换模块电路板,实现整车控制器与转向电机之间的通讯。其次,对无人驾驶赛车轨迹跟踪控制算法的研究。在已知路径点的前提下,用二次曲线估算路径点处斜率的方法拟合出三次路径曲线,用含有时间t的三次分段参数方程分别生成横纵向位置关于时间的函数即轨迹曲线,由此解算出跟踪轨迹点。搭建了车辆横向跟踪空间状态方程,利用双线性变换离散法生成离散时间状态下的状态矩阵,采用线性二次型最优控制原理求解出最优反馈控制量,结合道路曲率前馈控制,实现无人驾驶赛车前馈加反馈的轨迹跟踪控制。再次,对双电机独立驱动差动辅助转向控制的研究。结合电子差速转向原理,对双电机独立驱动赛车转向动力学和运动学进行分析,考虑到电子差速对转向半径以及横向稳定性方面的影响,搭建了驱动电机数学模型,制定了基于阿克曼几何转向的差动转矩控制策略、基于横摆角速度的差动驱动控制策略,针对两种策略分别研究。最后,实验验证。在Car Sim中建立双电机独立驱动无人驾驶赛车整车模型,采用与MATLAB/Simulink联合仿真的方法,在直线工况和曲线工况下进行了仿真实验验证。论文研究的方法应用到2018、2019中国大学生无人驾驶赛车比赛中,实验表明,研究的方法能够保证赛车具有良好的轨迹跟踪控制效果,差动驱动也提高了轨迹跟踪的稳定性,并且在中国大学生无人驾驶赛车比赛中取得了优异的成绩。