关键词：智能车辆;;路径跟踪;;避撞;;底盘控制
摘 要：近年来,全球汽车保有量日渐增长,环境污染、能源短缺等问题日益严峻,人们对环境保护、能源消耗、乘员安全提出了更高的要求。得益于传感技术、计算机技术、控制技术的快速发展,汽车目前正在逐步由2级自动驾驶朝着3级自动驾驶发展,最终达到全面自动驾驶的目标。自动驾驶汽车能够减少因驾驶员失误造成的交通事故、减少驾驶负荷、提高道路通行效率、降低车辆排放,成为汽车的未来发展方向。论文以四轮独立驱动电动汽车为平台,研究智能电动汽车的自主循迹及主动避撞控制方法,为智能电动汽车的精确、稳定运动控制奠定理论和技术基础。论文的主要研究内容如下:(1)针对车辆动力学非线性、耦合的特点,为精确描述车辆动力学特性,基于达朗贝尔原理和牛顿第二定律,建立了包含车身运动、车轮运动及非线性轮胎模型的车辆15自由度非线性动力学模型,分析了车辆各向运动及轮胎力之间的耦合制约关系。结合自主循迹的控制要求,对模型进行了一定程度的简化,建立了车辆平面运动8自由度动力学模型。该模型在保证模型精度的前提下,提高了计算效率,为自主循迹与主动避撞控制方法的研究奠定了基础。(2)针对车辆纵向避撞控制问题,采用人工势场理论,建立了风险态势评估预测模型,考虑驾驶员期望、碰撞风险和乘员舒适性冲突,建立了优化模型,对车辆需求纵向力进行了求解。基于车辆纵向力需求,以最优附着力利用率为目标,对车轮驱动/制动力矩进行了最优分配,有效地实现了车辆在不同路面情况下安全、平滑的跟驰和紧急制动功能,提高了车辆纵向行驶稳定性。(3)针对车辆自主循迹过程中环境复杂,路面参数多变的特点,为提高车辆的自主循迹精度和稳定性,提出了一种基于分层控制的底盘一体化循迹控制算法。采用非线性模型预测理论,建立了基于车辆横向位置偏差和纵向速度约束的上层路径跟踪优化模型,对前轮转角与期望纵向力进行了求解。通过最优转矩分配策略,平衡不同工况下车辆稳定性与机动性的需求,设计了车辆下层稳定控制器,实现了车辆在不同路面条件下的稳健、精确自主循迹。(4)针对车辆在循迹过程中,模型不确定性、执行器失效及外界扰动带来的控制系统不确定性问题,提出了一种基于H_?的鲁棒容错循迹控制策略。建立了考虑车速摄动和执行器失效的时变参数线性模型,采用多面体模型方法处理时变车速,解决了设计变量耦合问题。基于线性不等式理论,设计了考虑系统稳定性、输入约束及系统极点分布的输出反馈鲁棒容错控制器。有效地保证了在参数摄动和执行器失效时的系统稳定性。(5)针对车辆在循迹过程中遇到前方障碍物,无法继续沿期望路径行驶的情况,提出了一种基于“规划-跟踪”的车辆主动避撞控制策略。基于刚体平面运动模型,采用模型预测理论设计了基于二次线性规划框架的局部避撞路径优化模型。研究结果表明,该算法通过实时优化避撞路径,能够有效地实现主动避撞功能。
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