CN109292018B - 基于同轴式轮腿结构的四轮转向轨迹跟踪控制方法 - Google Patents

基于同轴式轮腿结构的四轮转向轨迹跟踪控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明基于同轴式轮腿结构的四轮转向轨迹跟踪控制方法,全地形搭载平台具有四个车轮，均采用同轴式轮腿结构，各车轮均设置有轮毂电机控制器；陀螺仪，GPS终端，轮毂电机编码器，控制单元；GPS终端持续将车辆当前位置传入控制单元，控制单元根据当前位置与预设轨迹，经三自由度运动学模型计算，得出横向误差与航向角偏差；若为低速，则利用反步法计算后轮转角与前轮转角；若为高速，则侧偏角估计器推断后轮侧偏角与前轮侧偏角，而后计算后轮转角与前轮转角；轮毂电机控制器，控制电机转动相应角度，车辆运动到达下一时刻位置，将此信号返回控制单元，继续比较与预设轨迹的横向误差与航向角偏差，如此反复。可解决复杂路面的轨迹跟踪精度问题。

Description

基于同轴式轮腿结构的四轮转向轨迹跟踪控制方法
技术领域
本发明涉及车辆的自动控制领域，具体为基于同轴式轮腿结构的四轮转向轨迹跟踪控制方法。
背景技术
随着我国工业水平、科技水平和人民生活水平的不断提高，多功能智能移动平台，尤其是全地形移动搭载平台，逐渐应用于众多行业之中。在勘探、搜救与侦查活动中，普通车辆越野能力不足，而特种车辆对环境破坏严重，难以在复杂地形及复杂天候条件下开展工作。因而本发明着眼于解决轮腿结构全地形搭载平台在复杂路面环境下的轨迹跟踪控制问题。
传统越野车辆及特种车辆在行进过程中，主要依赖驾驶员的驾驶技术。现如今智能汽车产业方兴未艾，对于特种车辆作业，实现无人化与智能化作业是必然趋势。现有研究多关注于特种机器人的运动学控制，对于车辆特性了解不足，因此在前期机器人运动控制在全地形移动平台上的适应性较差。车辆领域对于轨迹跟踪控制的研究较多，具体方法可分为经典控制、现代控制及智能控制。经典控制可解决的问题有限，现代控制依赖于状态空间及控制量的选择，而智能控制对VCU的实时计算能力要求相对较高。而在湿滑路面等野外复杂环境下的轨迹跟踪问题，现有研究较少，智能车辆的轨迹跟踪算法在复杂路面上常出现跟踪精度差等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的全地形搭载平台存在的越野车辆无法实现智能驾驶、智能车辆较少考虑不同路面环境对轨迹跟踪精度的影响等问题，提供了一种适用于复杂路面的基于同轴式轮腿结构全地形搭载平台的四轮转向轨迹跟踪控制方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
基于同轴式轮腿结构的四轮转向轨迹跟踪控制方法，包括：全地形搭载平台具有四个车轮，均采用同轴式轮腿结构，各车轮均设置有轮毂电机控制器；车身设置有测量车状态参数的陀螺仪，车载GPS终端，轮毂电机编码器；还设置有控制单元；
在全地形搭载平台运动的过程中，车载GPS终端持续将车辆当前位置传入控制单元，控制单元根据当前位置与预设轨迹，经三自由度运动学模型计算，得出横向误差y与航向角偏差θ；
判断当前车速是否为高速，大于5m/s为高速；
若为低速，则利用反步法计算后轮转角δR与前轮转角δF；
若为高速，则侧偏角对转向的影响无法忽略，须经侧偏角估计器推断后轮侧偏角βR与前轮侧偏角βF，而后计算后轮转角δR与前轮转角δF；
计算得到的后轮转角δR与前轮转角δF分别输入各自轮毂电机控制器，控制电机转动相应角度，车辆运动到达下一时刻位置，将此信号返回控制单元，继续比较与预设轨迹的横向误差与航向角偏差，如此反复。
所述的三自由度运动学模型计算式如下：
Figure GDA0002668140480000031
Figure GDA0002668140480000032
Figure GDA0002668140480000033
其中，δR为后轮转角，βR为后轮侧偏角，Vr为参考点速度，c(s)为曲率，
Figure GDA0002668140480000034
为航向角差值；s为车辆当前位置与理想轨迹Г距离最近的点，
Figure GDA0002668140480000035
即为该处沿着曲线切线方向的速度，y为车辆后轮与s点的横向位移偏差，
Figure GDA0002668140480000036
为横向运动速度，θ为航向角偏差，
Figure GDA0002668140480000037
为横摆角速度，L为车辆轴距，为简化
Figure GDA0002668140480000038
公式，将其中设置两个中间变量，分别为λ1与λ2。
所述反步法计算后轮转角δR与前轮转角δF的计算式如下：
Figure GDA0002668140480000039
Figure GDA00026681404800000310
其中，δF为前轮转角，δR为后轮转角；L为轴距，
Figure GDA00026681404800000311
为航向角差值，
Figure GDA00026681404800000312
为上一迭代航向角差值，
Figure GDA00026681404800000313
为参考航向角差值，A为加权系数，Kd为调节参数。
c(s)是曲率，Kd2为调节参数；βF就是前轮侧偏角，βR就是后轮侧偏角；α＝1-c(s)y,α是中间变量。
由于采用了以上的技术方案，与现有技术相比本发明的有益效果是：传统轿车均为前轮转向，极少数配备后轮转向功能。本发明采用的四轮转向技术可适用在智能车上，通过使用四轮转向技术，可以减小转弯半径、提高车辆的灵活性与轨迹跟踪控制精度。
本发明应用反步法推导四轮转向的转角控制律，相比其他智能算法，运算量小，求解速度快，易于在全地形搭载平台上实现；通过不同路面条件下的侧偏角估计，可解决复杂路面的轨迹跟踪精度问题。
本发明采用侧偏角预测方法，同一车辆在不同附着系数的路面下行驶时(不同附着系数即为铺装路面与山地、丛林等路面的区别)，车轮的侧偏角各不相同，正是侧偏角导致车轮实际运动方向的差异，导致了跟踪精度的高低。通过行驶于不同路面时，对相应的侧偏角进行预测，可以使车辆主动适应不同路面，从而可以在山地、丛林行驶的更加稳定。
根据阿克曼转向定律，四轮转向具有更小的转弯半径，在极限情况下可横向行驶，因此灵活性增强。
低速时，根据反步法推导出的控制率可以解决该场景下的轨迹跟踪问题高速时，由于采用了高速侧偏角估计，因此可以保证较高的跟踪精度。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1本发明同轴式轮腿结构的四轮转向轨迹跟踪控制方法的流程图。
图2本发明同轴式轮腿结构的四轮转向轨迹跟踪控制方法的三自由度运动学模型示意图。
具体实施方式
参见附图1和图2，对本发明进行进一步的详细描述。
本发明的基于同轴式轮腿结构的四轮转向轨迹跟踪控制方法，包括：全地形搭载平台具有四个车轮，均采用同轴式轮腿结构，各车轮均设置有轮毂电机控制器；车身设置有测量车状态参数的陀螺仪，车载GPS终端，轮毂电机编码器；还设置有控制单元；
在全地形搭载平台运动的过程中，车载GPS终端持续将车辆当前位置传入控制单元，控制单元根据当前位置与预设轨迹，经三自由度运动学模型计算，得出横向误差y与航向角偏差θ；
判断当前车速是否为高速，大于5m/s为高速；
若为低速，则利用反步法计算后轮转角δR与前轮转角δF；
若为高速，则侧偏角对转向的影响无法忽略，须经侧偏角估计器推断后轮侧偏角βR与前轮侧偏角βF，而后计算后轮转角δR与前轮转角δF；
计算得到的后轮转角δR与前轮转角δF分别输入各自轮毂电机控制器，控制电机转动相应角度，车辆运动到达下一时刻位置，将此信号返回控制单元，继续比较与预设轨迹的横向误差y与航向角偏差θ，如此反复。
所述控制流程，如图1所示。
上文所述三自由度运动学模型示意图，如图2所示。图中，Γ为理想轨迹，F为汽车前轮中心点，R为汽车后轮中心点，s为车辆当前位置与理想轨迹Г距离最近的点。
所述的三自由度运动学模型计算式如下：
Figure GDA0002668140480000061
Figure GDA0002668140480000062
Figure GDA0002668140480000063
其中，δR为后轮转角，βR为后轮侧偏角，Vr为参考点速度，c(s)为曲率，
Figure GDA0002668140480000064
为航向角差值；
s为车辆当前位置与理想轨迹Г距离最近的点，
Figure GDA0002668140480000065
即为该处沿着曲线切线方向的速度，y为车辆后轮与s点的横向位移偏差，
Figure GDA0002668140480000066
即为横向运动速度，θ为航向角偏差，
Figure GDA0002668140480000067
为横摆角速度，L为车辆轴距，为简化
Figure GDA0002668140480000068
公式，将其中设置两个中间变量，分别为λ1与λ2。
上文所述的反步法计算后轮转角δR与前轮转角δF的计算式如下：
Figure GDA0002668140480000069
Figure GDA00026681404800000610
其中，δF为前轮转角，δR为后轮转角；L为轴距，
Figure GDA00026681404800000611
为航向角差值，
Figure GDA00026681404800000612
为上一迭代航向角差值，
Figure GDA00026681404800000613
为参考航向角差值，A为加权系数，Kd为调节参数。
c(s)是曲率，Kd2为调节参数，这里可取值为0.1；β就是侧偏角下标F是front的缩写βF就是前轮侧偏角；下标R是rear的缩写，βR就是后轮侧偏角。
α＝1-c(s)y,α是中间变量，为简化公式带入的，无实际意义。
上文所述反步法是一种递归设计方法。主要思想是通过递归地构造闭环系统的Lyapunov函数获得反馈控制器，选取控制律使得Lyapunov函数沿闭环系统轨迹的导数具有某种性能，保证闭环系统轨迹的有界性和收敛到平衡点。为了得到后轮转角δR与前轮转角δF的表达式，反步法的推导过程可用下式表示：
令
Figure GDA0002668140480000071
则：
Figure GDA0002668140480000072
Figure GDA0002668140480000073
该公式要将s，y，m之间建立联系，所有上标，都是对原参数进行求导，对位移求导可以得到速度，对速度求导可以得到加速度，这属于行业通识。y是横向位移误差，y带上标就是横向速度。a1是纵向跟随点，a1带上标是纵向速度，a2是横向位移误差，a2带上标是横向速度，a3是推导出的中间变量，没有实际物理意义。

Claims (3)

1.一种基于同轴式轮腿结构的四轮转向轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括：全地形搭载平台具有四个车轮，均采用同轴式轮腿结构，各车轮均设置有轮毂电机控制器；车身设置有测量车状态参数的陀螺仪，车载GPS终端，轮毂电机编码器，还设置有控制单元；
在全地形搭载平台运动的过程中，车载GPS终端持续将车辆当前位置传入控制单元，控制单元根据当前位置与预设轨迹，经三自由度运动学模型计算，得出横向误差y与航向角偏差θ；
判断当前车速是否为高速，大于5m/s为高速；
若为低速，则利用反步法计算后轮转角δR与前轮转角δF；
若为高速，则侧偏角对转向的影响无法忽略，须经侧偏角估计器推断后轮侧偏角βR与前轮侧偏角βF，而后计算后轮转角δR与前轮转角δF；
计算得到的后轮转角δR与前轮转角δF分别输入各自轮毂电机控制器，控制电机转动相应角度，车辆运动到达下一时刻位置，将此信号返回控制单元，继续比较与预设轨迹的横向误差与航向角偏差，如此反复。
2.根据权利要求1所述的基于同轴式轮腿结构的四轮转向轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述的三自由度运动学模型计算式如下：
Figure FDA0002668140470000011
Figure FDA0002668140470000012
Figure FDA0002668140470000013
其中，δR为后轮转角，βR为后轮侧偏角，Vr为参考点速度，c(s)为曲率，
Figure FDA0002668140470000014
为航向角差值；s为车辆当前位置与理想轨迹Г距离最近的点，
Figure FDA0002668140470000015
即为该处沿着曲线切线方向的速度，y为车辆后轮与s点的横向位移偏差，
Figure FDA0002668140470000021
为横向运动速度，θ为航向角偏差，
Figure FDA0002668140470000022
为横摆角速度，L为车辆轴距，为简化
Figure FDA0002668140470000023
公式，将其中设置两个中间变量，分别为λ1与λ2。
3.根据权利要求2所述的基于同轴式轮腿结构的四轮转向轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述反步法计算后轮转角δR与前轮转角δF的计算式如下：
Figure FDA0002668140470000024
Figure FDA0002668140470000025
其中，δF为前轮转角，δR为后轮转角；L为轴距，
Figure FDA0002668140470000026
为航向角差值，
Figure FDA0002668140470000027
为上一迭代航向角差值，
Figure FDA0002668140470000028
为参考航向角差值，A为加权系数，Kd为调节参数；
c(s)是曲率，Kd2为调节参数，可取值为0.1；βF就是前轮侧偏角，βR就是后轮侧偏角；α＝1-c(s)y,α是中间变量。
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