关键词：轮毂电机驱动自动驾驶汽车;;轨迹跟踪控制;;预瞄时间自适应控制;;协调控制;;实车实验
摘 要：电动、智能汽车是融入未来交通网络的重要组成部分,要实现汽车的全自动驾驶,路径或者轨迹跟踪控制是核心技术之一。电动汽车是自动驾驶技术最好的架构,其中轮毂电机驱动电动汽车由于能够实现多种动力学灵活控制且更加高效、节能而成为电动汽车重要的研究方向。本文结合轮毂电机驱动差动控制与主动转向优势,进行自动驾驶汽车的轨迹跟踪与协调控制研究。首先,研究自动驾驶电动汽车动力学模型与主动转向轨迹跟踪控制方法。基于车辆动力学和轮胎模型进行了模型预测控制器的设计,并结合约束条件和优化目标,研究了标准二次规划最优求解的问题。通过搭建CarSim与Simulink联合仿真模型,进行了双移线工况下轨迹跟踪算法的仿真验证;仿真结果表明,模型预测控制器能够实现轨迹跟踪任务并保证了行驶稳定性。当车辆运动在速度较高且轨迹复杂条件下时,固定预瞄时间驾驶员模型往往难以完成驾驶任务,因此对预瞄时间自适应控制进行了研究,设计了基于轨迹偏差和道路曲率的模糊控制器,控制模型预测控制器的预瞄步长自适应变化,通过仿真分析发现预瞄时间自适应控制提高了车辆轨迹跟踪精度并保证了行驶稳定性。其次,考虑轮毂电机驱动差动控制条件下,研究自动驾驶汽车轨迹跟踪的协调控制。针对轮毂电机驱动电动汽车能够实现车轮转矩独立控制,并能通过差动控制产生滑动转向的特点,提出了差动控制轨迹跟踪策略;利用变参数PID控制算法对左右轮转矩进行控制,使车辆产生滑动转向实现对参考轨迹的跟踪。由于车辆主动转向和差动控制都能够实现对参考轨迹的跟踪,因此提出了主动转向和差动控制协调的轨迹跟踪策略,研究了权重系数对轨迹跟踪的影响,并确定了权重系数的取值范围;通过仿真试验发现,协调控制策略能够提高车辆的转向响应速率并对轨迹跟踪进行补偿,在车速30km/h、45km/h以及60km/h时轨迹偏差均方根值的改善率分别为14.2%、15.9%和18.0%,说明协调控制能够提高对参考轨迹跟踪的准确性。最后,为了验证协调控制轨迹跟踪的可行性,进行了轮毂电机驱动自动驾驶汽车的实车道路实验。搭建了轮毂电机驱动自动驾驶汽车,对车辆的驱动系统、转向系统以及制动系统进行改装,安装了GPS/INS、转速、电流以及转向角等传感器,基于D2P快速原型开发了整车控制系统实现车辆的自主行驶以及轨迹跟踪。进行了变道和双移线工况下主动转向轨迹跟踪和协调控制轨迹跟踪的道路实验,所设计的主动转向轨迹跟踪控制器能够实现对参考轨迹的跟踪任务。通过实验结果发现,协调控制轨迹跟踪策略具有较好的可行性和适应性,能够有效提高车辆的转向响应并改善了自动驾驶汽车的轨迹跟踪精度。
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