关键词：电动汽车;;四轮独立驱动;;差动转向;;路径跟踪;;模型预测控制
摘 要：无人驾驶汽车的开发要求平台具有可靠的安全性、高效性以及灵活性,因此新兴的四轮独立驱动电动汽车是一种理想的汽车结构。四轮独立驱动可以提供灵活可靠的驱动形式,并能得到快速准确的转矩和转速响应。四轮独立驱动无人驾驶汽车可以结合独立驱动和无人驾驶汽车的优势,是一种实现更大道路安全性的理想解决方案。差动转向机制可以作为一种容错机制以应对线控转向系统失效这一问题。若转向电机无法正常工作,车辆将不能实现期望的转向操作,此时差动转向机制介入以保证车辆能够安全行驶。本文将这种差动转向机制应用于无人驾驶电动汽车,并设计控制策略,进一步研究无人驾驶汽车的路径跟踪问题。论文的主要研究工作如下:(1)阐述了差动转向机制的原理,并对差动转向系统动力学进行建模分析;结合非线性刷子轮胎模型,分别针对基于差动转向和基于前轮主动转向的车辆建立车辆动力学模型;建立了以侧向误差和航向角误差为状态量的路径跟踪模型,路径跟踪的目标为设计控制器使侧向误差和航向角误差全局渐近稳定并收敛到零。(2)基于路径跟踪误差重新定义横摆角速度的期望值,将路径跟踪问题转化为车辆稳定性问题。通过对期望横摆角速度和侧向速度的跟踪,可以在完成路径跟踪任务的同时保持车辆的稳定性。本文基于线性时变模型预测控制设计上层路径跟踪控制器,并建立下层控制器将上层控制器得到的差动力矩分配到各驱动车轮,驱动车轮转向。仅通过低成本的传感器难以精确地测量车辆的纵向和侧向车速以及质心侧偏角,本文设计了基于车辆运动学模型的状态观测器,并通过仿真验证了观测器在高速高附着和低速低附着工况的估计精度。紧接着,对于路径跟踪控制器的有效性及差动转向的可行性,通过CarSim-Simulink联合仿真平台进行了验证。(3)基于四轮独立驱动电动试验车进行了开闭环实车试验。在开环试验中进行了两类实车试验,分别为试验车性能测试试验和开环差动转向机制的验证试验。前者分析了试验车的加减速和转向特性,为之后的差动转向机制可行性验证奠定基础;后者验证四轮独立驱动电动汽车能够实现差动转向功能。最后进行了实车的闭环试验,通过PID实现对期望横摆角速度的闭环控制,验证基于差动转向的试验车可以跟踪给定的恒定或变化的横摆角速度。实车的开环试验和闭环试验结果都较为理想,从而证明了差动转向机制的可行性。
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