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基于carsim/simulink的农业车辆路径跟踪控制仿真与试验

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基于CarSim/Simulink的农业车辆路径跟踪控制仿真与试验

作者：姜文华中农业大学

学位级别：硕士

路径跟踪控制作为自动驾驶技术的重要组成部分,在农业车辆自动驾驶过程中应用路径跟踪技术,可提高作业精度,大幅提升智能农业车辆作业效率,进而取代人工驾驶。当前农业车辆路径控制仍存在跟踪精度较低、车身稳定性较差等核心问题,因此... 详细信息

路径跟踪控制作为自动驾驶技术的重要组成部分,在农业车辆自动驾驶过程中应用路径跟踪技术,可提高作业精度,大幅提升智能农业车辆作业效率,进而取代人工驾驶。当前农业车辆路径控制仍存在跟踪精度较低、车身稳定性较差等核心问题,因此本文对农业车辆路径跟踪过程中的横向误差和纵向速度控制开展研究,主要工作内容如下:（1）建立四轮农业车辆数学模型。分析车辆作业环境及要求后,分别建立车辆的运动学模型和动力学模型,基于魔术公式轮胎模型,在carsim仿真软件中验证不同垂向载荷下的轮胎侧偏角和滑移率变化情况。仿真结果表明,滑移率在±5%以内时,轮胎纵向力与滑移率呈线性关系;侧偏角在±10°以内时,可近似将轮胎侧向力与侧偏角看成线性关系,因此在滑移率和侧偏角较小的情况下,将轮胎看成刚性体,不考虑其在垂向载荷下的轮胎变形。（2）设计农业车辆横向路径跟踪控制器及纵向速度控制器。根据二轮车运动学模型,建立纯跟踪横向路径跟踪控制模型,仿真验证模型及算法在农业车辆低速行驶下的跟踪效果;建立基于误差的农业车辆动力学模型,并在此基础上设计离散线性二次型调节器（Linear Quqdratic Regulator,LQR）路径跟踪控制模型。同时,在纵向速度控制器设计中,采用上下层分层式控制结构,上层控制器基于比例-积分-微分（Proportional Integral Derivative,PID）控制车辆纵向速度和加速度,下层控制器通过制定油门、刹车切换逻辑,以避免车辆行驶状态的频繁切换。横向路径跟踪控制器和纵向速度控制器的搭建为后续仿真和试验提供了基础。（3）搭建基于carsim/simulink的横纵向联合控制器。在carsim仿真环境中,根据东方红LX954拖拉机实车参数,建立拖拉机模型及作业田块仿真场景模型,同时在simulink环境下建立横纵向联合路径跟踪控制模型,通过carsim和simulink的联合仿真,实现拖拉机在带坡度的直线路径和U形转弯路径下的路径跟踪仿真,仿真结果表明,纵向速度控制器能够较快响应并按照预期跟随期望速度,对纵向速度有较好的控制效果;LQR控制器在直线和转弯过程中控制效果比纯跟踪控制器好,但在田间道路不平的情况下纯跟踪控制器的鲁棒性比LQR控制器好。（4）搭建实车试验平台,验证控制器实际控制效果。采用UWB定位模块对试验场地进行定位,选择惯性测量单元获取车辆速度和航向信息,使用嵌入式开发板部署路径跟踪控制算法程序,进行直线路径与U形转弯路径测试,试验结果表明:纯跟踪路径控制器在期望速度为0.25m/s时,直线路段路径平均跟踪误差为0.04m,在转弯处平均误差为0.21m;速度为0.5m/s时,跟踪直线段路径平均误差为0.05m;在转弯处平均误差为0.23m;LQR控制器在速度为0.25m/s时,跟踪直线段路径平均误差为0.026m,在转弯处平均误差为0.11m;速度为0.5m/s时,跟踪直线段路径误差为0.05m;在转弯处平均误差为0.12m。试验较仿真结果相比,直线段最大误差不超过0.04m,转弯处跟踪误差不超过0.07m。由此可知,LQR控制器在跟踪直线路径及转弯过程中效果较纯跟踪控制器好,但纯跟踪控制器鲁棒性更好,且设计的纵向速度控制器能较快跟踪期望路径,同时平稳的控制纵向速度。

关键词：农业车辆 carsim/simulink 路径跟踪仿真试验

基于carsim和simulink联合仿真的汽车操纵稳定性评价

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河北工程大学学报（自然科学版） 2022年第2期39卷 106-112页

作者：毕锟范英候峙朴陈佳峻太原科技大学交通与物流学院山西太原030024

为了更好地评价汽车的操纵稳定性能,将汽车简化为一个包含侧向、横摆和侧倾的三自由度模型。在carsim和simulink上建立联合仿真模型,基于双移线和蛇形试验工况进行仿真试验,依照QC/T 480—1999中的评价准则,对模型仿真结果和实车试验结... 详细信息

为了更好地评价汽车的操纵稳定性能,将汽车简化为一个包含侧向、横摆和侧倾的三自由度模型。在carsim和simulink上建立联合仿真模型,基于双移线和蛇形试验工况进行仿真试验,依照QC/T 480—1999中的评价准则,对模型仿真结果和实车试验结果进行综合评价计分,并对其进行对比分析。结果表明:所搭建的三自由度模型仿真结果评价得分与实车试验结果评价得分十分接近,能够更好地代表实车的操纵稳定性,可为后续汽车操纵稳定性评价提供了一定参考。

关键词：仿真模型蛇形试验 carsim/simulink 操纵稳定性评价

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分布式驱动电动汽车执行器失效容错控制研究

汽车实用技术 2024年第17期49卷 1-7页

作者：智晋宁靳峰闫文志程晓泽李勇锋太原科技大学机械工程学院山西太原030024

为了提高单电机故障状态下分布式驱动电动汽车的稳定性,提出了一种驱动力重构和主动前轮转向(AFS)结合的容错控制方法。首先,设计滑模控制器,控制输入量为横摆角速度和质心侧偏角,进而对所需横摆力矩和前轮附加转角进行控制。其次,建立... 详细信息

为了提高单电机故障状态下分布式驱动电动汽车的稳定性,提出了一种驱动力重构和主动前轮转向(AFS)结合的容错控制方法。首先,设计滑模控制器,控制输入量为横摆角速度和质心侧偏角,进而对所需横摆力矩和前轮附加转角进行控制。其次,建立电机故障状态下的整车驱动力优化分配模型。当车辆电机出现故障时,运用二次规划算法对各电机转矩进行重构分配。同时,当某一电机发生故障且同侧电机出现输出饱和而无法提供足够的横摆力矩时,通过主动前轮转向提供附加横摆力矩。最终搭建carsim/simulink联合仿真模型进行验证,结果显示,所采用的容错控制方法可有效提高车辆稳定性和动力性。

关键词：分布式电动汽车电机故障转矩重构前轮转向稳定性控制 carsim/simulink

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基于模型预测控制的车辆避障路径规划与跟踪

汽车实用技术 2024年第6期49卷 49-54页

作者：李格锋西华大学汽车与交通学院四川成都611730

针对智能车辆避障路径规划问题,提出一种基于改进人工势场法的避障路径规划设计方法,首先在传统斥力势场函数中引入车辆速度信息,并设计了车道中心线、道路边界势场,以及路径避障规划控制器;然后针对智能车辆路径跟踪控制问题,建立了三... 详细信息

针对智能车辆避障路径规划问题,提出一种基于改进人工势场法的避障路径规划设计方法,首先在传统斥力势场函数中引入车辆速度信息,并设计了车道中心线、道路边界势场,以及路径避障规划控制器;然后针对智能车辆路径跟踪控制问题,建立了三自由度车辆动力学模型,分别采用线性时变模型预测控制和反向传播-比例-积分-微分(BP-PID)控制算法设计横、纵向跟踪控制器,对车辆的横向位置和纵向速度进行跟踪;最后基于carsim/simulink联合仿真平台,在双移线工况和直线工况下,验证设计方法的有效性。仿真结果表明,采用改进的人工势场法可获得安全可靠的避障路径,所设计的横纵向跟踪控制器具有良好的跟踪性能。

关键词：模型预测控制人工势场法路径跟踪避障路径规划神经网络 carsim/simulink

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基于MPC分层控制的自适应巡航策略

安徽工业大学学报(自然科学版) 2024年

作者：音建华牛礼民张义奇司铭周天鹏安徽工业大学机械工程学院

为减少车辆追尾等交通事故的发生，同时提升跟车稳定性、经济性和乘坐舒适性，提出1种车辆自适应巡航分层控制 (adaptive cruise control， ACC)策略。上层控制器基于模型预测控制(model predictive control， MPC)计算车辆输出期望加... 详细信息

为减少车辆追尾等交通事故的发生，同时提升跟车稳定性、经济性和乘坐舒适性，提出1种车辆自适应巡航分层控制 (adaptive cruise control， ACC)策略。上层控制器基于模型预测控制(model predictive control， MPC)计算车辆输出期望加速度，并根据行车工况切换进行速度与间距控制；下层控制器基于建立的纯电动汽车逆纵向动力学、驱动电机和制动模型优化驱动/制动切换策略，并通过上层输出的期望加速度计算得到期望电机转矩或期望制动管路压力，控制车辆的加速度和速度，达到速度控制或间距控制的目的。在carsim/simulink中设置4种典型行车工况进行仿真实验，验证提出ACC策略的性能。结果表明：在定速巡航与跟车巡航工况中，车辆能够快速稳定地跟随设定的初始速度进行行驶，且与前车始终保持安全车距；在紧急制动工况下，车辆能够迅速做出减速反应，保证行车安全性；在复杂工况下，车辆平稳跟踪前车且速度、加速度变化相对平稳，可有效实现车辆跟随的动态响应。提出的控制策略在不同行驶工况下均可准确安全地跟踪目标车辆，且在车辆行驶过程中可兼顾经济性和舒适性的要求。

关键词：自适应巡航分层控制模型预测控制(MPC) 智能驾驶 carsim/simulink

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一种改进Stanley的车辆路径跟踪算法

机械工程与自动化 2024年第5期 86-88,91页

作者：陶珑太原科技大学电子信息工程学院山西太原030024

针对车速增大导致跟踪偏差变大的问题,研究了一种基于改进Stanley控制器的路径跟踪算法。首先基于二自由度车辆运动学模型,以输入量为横向偏差和航向偏差的模糊控制器对Stanley控制的增益参数进行调整,从而提高路径跟踪精度。其次,通过M... 详细信息

针对车速增大导致跟踪偏差变大的问题,研究了一种基于改进Stanley控制器的路径跟踪算法。首先基于二自由度车辆运动学模型,以输入量为横向偏差和航向偏差的模糊控制器对Stanley控制的增益参数进行调整,从而提高路径跟踪精度。其次,通过MATLAB/simulink与carsim的联合仿真来验证改进Stanley控制器的跟踪效果。仿真结果表明:该算法能够根据车辆运行状态调整Stanley控制器的参数,有效地减小横向误差;直线路径跟踪的最大横向误差可以减小到0.11 m,双移线路径跟踪的最大横向误差可以减小到0.12 m。

关键词： Stanley控制模糊算法路径跟踪 carsim/simulink

基于滑转率的四轮轮边驱动客车电子差速控制策略

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重庆理工大学学报（自然科学） 2019年第3期33卷 51-58页

作者：陈晓菲刘平杨明亮孙磊罗立全西南交通大学机械工程学院成都610031 西南交通大学先进驱动节能技术教育部工程研究中心成都610031

针对四轮驱动电动客车电子差速控制问题,考虑车辆转向过程中垂直载荷转移以及转向过程的横向稳定性,提出了以车轮滑转率为控制目标的电子差速控制策略,通过对4个驱动电机进行转矩调节以达到控制目标。在carsim/simulink联合仿真平台下... 详细信息

针对四轮驱动电动客车电子差速控制问题,考虑车辆转向过程中垂直载荷转移以及转向过程的横向稳定性,提出了以车轮滑转率为控制目标的电子差速控制策略,通过对4个驱动电机进行转矩调节以达到控制目标。在carsim/simulink联合仿真平台下进行离线仿真,经验证该策略可以根据不同转向工况对各个驱动电机转矩实时分配,将仿真结果与无电子差速策略的车辆仿真结果进行对比,相同转向工况下采用电子差速策略的车辆比无电子差速策略的车辆具有更好的差速效果和横向稳定性。在基于dSPACE/Infineon-TriCore搭建的硬件在环实验平台上进行半实物仿真,验证该电子差速控制策略的可靠性。

关键词：电子差速轮边驱动滑转率 carsim/simulink 硬件在环

基于磁流变悬架的智能汽车车身姿态优化控制研究

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基于磁流变悬架的智能汽车车身姿态优化控制研究

作者：熊辉武汉理工大学

学位级别：硕士

在汽车全面向智能化方向发展的趋势下,智能汽车在行驶过程中保证车身姿态稳定从而为车内乘客提供良好的乘坐舒适性必不可少。因此,本文结合磁流变智能悬架及智能汽车,将智能悬架应用于智能汽车路径跟踪过程中的姿态控制。根据智能汽车... 详细信息

在汽车全面向智能化方向发展的趋势下,智能汽车在行驶过程中保证车身姿态稳定从而为车内乘客提供良好的乘坐舒适性必不可少。因此,本文结合磁流变智能悬架及智能汽车,将智能悬架应用于智能汽车路径跟踪过程中的姿态控制。根据智能汽车行驶工况的不同,提出分模式姿态优化控制方法,优化智能汽车在路径跟踪过程中的姿态变化。具体研究内容如下:首先,建立磁流变减振器模型。分析了磁流变液的基础理论,包括其组成成分、磁流变效应、流变机理以及力学特性。在此基础上,对磁流变减振器的工作模式进行了详细的分析,并对磁流变减振器各动力学模型进行了概述。基于改进Bouc-Wen模型,在simulink中建立了磁流变减振器仿真模型,仿真结果表明该模型能够较准确地描述磁流变减振器的非线性滞回特性。其次,对磁流变悬架系统及其控制策略进行了研究。在simulink中建立1/4车辆被动悬架及磁流变悬架的仿真模型。利用滤波白噪声生产法建立了单轮随机路面模型。将包括开关型天棚阻尼控制、LQR最优控制及模糊控制在内的多种控制策略运用于磁流变悬架的控制当中,并搭建了1/4磁流变悬架系统的控制仿真平台。仿真结果表明LQR最优控制与模糊控制的控制效果更佳。最后,针对智能汽车路径跟踪过程中行驶工况的不同,提出了分模式姿态优化控制方法,并建立联合仿真平台对该方法进行仿真验证。将姿态优化控制分为匀速直线行驶状态下的稳定姿态优化控制模式与加减速或转向行驶状态下的突变姿态优化控制模式。结合预瞄-跟随理论与改进型纯追踪控制策略,设计了智能汽车可靠的路径跟踪控制器。针对稳定姿态优化控制模式,基于LQR最优控制及改进IAHP法设计特定有效的控制策略。针对突变姿态优化控制模式,基于智能汽车状态信息及路径跟踪控制器提供的转向信息,分别设计俯仰与侧倾姿态优化模糊控制策略。搭建了基于carsim/simulink的联合仿真平台,仿真试验表明分模式姿态优化控制方法对不同工况下智能汽车路径跟踪过程中的车身姿态均有一定的优化效果,为基于半主动悬架的智能汽车车身姿态优化控制提供了一定的参考。

关键词：磁流变悬架控制策略智能汽车姿态优化 carsim/simulink

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电动汽车驱动防滑控制策略的研究

电动汽车驱动防滑控制策略的研究

作者：张俊娜东北大学

学位级别：硕士

汽车驱动防滑控制系统(ASR)是一种新型主动安全控制系统,也是汽车制动防抱死系统应用上的拓展。汽车驱动防滑控制系统(ASR)是通过控制汽车驱动轮的滑移率,使汽车获得较大的驱动力和良好的稳定性,提高汽车的安全性能。因此深入研究驱动... 详细信息

汽车驱动防滑控制系统(ASR)是一种新型主动安全控制系统,也是汽车制动防抱死系统应用上的拓展。汽车驱动防滑控制系统(ASR)是通过控制汽车驱动轮的滑移率,使汽车获得较大的驱动力和良好的稳定性,提高汽车的安全性能。因此深入研究驱动防滑控制策略对解决汽车的稳定性与安全性具有十分重要的意义。本文主要研究电动汽车驱动防滑控制策略。本文采用轮毂电机布置方案,通过调节电机的电压来改变电机输出转矩,使车轮的滑移率保持在期望值,此时路面纵向和侧向附着系数都比较理想。本文主要研究下面几部分的内容:(1)选型与建模研究电动汽车轮毂电机布置方案的一般结构,建立电动汽车的数学模型,确定主要参数。接着,在simulink中对电动汽车的各个子系统进行建模。(2)PID与模糊控制的研究设计PID与模糊控制器,对电动汽车驱动防滑控制系统(ASR)进行仿真,分别置于三种不同路面条件下对PID和模糊控制的自适应能力进行对比分析。通过对比可知:PID控制具有过渡平稳,波动小,自适应性强,而模糊控制可以快速达到稳定状态,在高附着系数路面上效果更佳。(3)PID+模糊控制的研究因PID控制与模糊控制各有优势,设想着把两者结合起来,做成互补控制的形式。通过仿真发现PID+模糊控制无论在响应速度,稳态误差,还是在自适应能力上都有不错的表现,表明互补控制的思路是可行的。(4)carsim/simulink 联合仿真研究carsim软件的理论知识,建立整车动力学仿真模型,并定义模型的输入输出接口,实现与simulink的联合仿真,这样较simulink简单仿真更加直观,可以采用三维动画形式观察仿真结果,联合仿真用carsim提供的模拟汽车更贴近现实车辆,仿真结果更准确。

关键词：电动汽车 ASR PID控制模糊控制 carsim/simulink