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基于频域的车辆轨迹跟踪稳定性控制研究

基于频域的车辆轨迹跟踪稳定性控制研究

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作者：张凯然吉林大学

学位级别：硕士

自动驾驶是备受关注的研究热点,车辆的安全性和高效性是自动驾驶系统的不竭追求。轮胎力的饱和非线性特征,造成车辆稳定控制系统的控制输入受限,引发了车辆在安全性和高效性两方面的矛盾。在高车速、急转弯等驾驶工况下的车辆有发生侧... 详细信息

自动驾驶是备受关注的研究热点,车辆的安全性和高效性是自动驾驶系统的不竭追求。轮胎力的饱和非线性特征,造成车辆稳定控制系统的控制输入受限,引发了车辆在安全性和高效性两方面的矛盾。在高车速、急转弯等驾驶工况下的车辆有发生侧滑的风险,如若叠加冰雪天气、湿滑路面等恶劣路况条件,为保证安全更需要驾驶者谨慎控制车速。此种现象反映了车辆运动状态会受到驱动能力的影响。从频域角度来看,不同的驾驶任务对应于不同频率集的参考信号,对超出车辆驱动能力范围的高频参考信号响应不力是造成车辆轨迹跟踪失稳的主要原因。准确衡量车辆的驱动能力,界定安全合理的行车速度,是自动驾驶过程中非常重要的问题。本文以自动驾驶车辆为研究对象,考虑由轮胎力的饱和非线性特征造成的控制输入受约束情况,从频域角度对自动驾驶车辆路径跟踪系统信号响应能力进行分析与评估,同时定义性能指标对控制器参数展开协同优化,并在全工况全路况条件下规划车辆满足高效性和安全性约束的极限速度。全文主要研究内容如下:(1)车辆动力学模型建立及路径跟踪系统逆模型的建立。针对行车过程中轮胎力受饱和约束情况,解析车辆动力学模型,使其满足后续分析的要求;推导车辆的路径跟踪逆模型,将待跟踪的路径信号映射为车辆运动状态,并验证逆模型的准确性。(2)分析包含非线性轮胎力的路径跟踪闭环系统的频率响应。使用多项式描述具有饱和特征的轮胎力。设计了不依赖侧向速度传感器的四轮转向PI控制器用于实现路径跟踪系统闭环。给出完整的路径跟踪闭环系统的解析动力学表达式。将路径视作相对于车速的频率信号,基于谐波试探法推导该非线性系统的广义频率响应函数。可以观察到不同速度下实际路径相对于参考路径的幅值衰减情况,相较于线性系统提高了38%的有效计算范围。定义了全速域内路径跟踪系统的带宽,基于梯度下降法对控制器参数展开协同优化,经仿真验证,相较于线性系统提高了70%左右的路径跟踪精度。(3)极限速度规划。研判不同路况、工况条件下轮胎的稳定边界。通过构建含有表征车辆动力学特性参数、载荷转移以及驱动方式的解析模型,将轮胎侧向稳定域映射至稳态转向极限速度域。并通过准稳态方法推导了在轮胎联合稳定域约束下全路段动态极限速度。给出了在连续和离散两种路径信息下的极限速度计算方法。(4)仿真实验验证。搭建MATLAB/Simulink-Car Sim联合仿真平台,设计横纵向一体的模型预测控制轨迹跟踪控制器,以规划的极限车速进行轨迹跟踪实验。经过试验验证,所规划的考虑轮胎力输入受限的极限速度能够保证车辆在全工况、全路况下运行的安全性和高效性。

关键词：车辆轨迹跟踪非线性频域分析输入受限极限速度规划模型预测控制

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