CN112506183B - 一种分布式驱动无人车辆路径跟踪控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分布式驱动无人车辆路径跟踪控制方法及系统，采用直接由偏差控制映射到复合转向控制量的横向控制方案，简单直观；采用的组合反馈控制算法既能确保控制响应的稳定性、控制精度以及闭环回路响应带宽，同时也便于工程实现与参数调节；同时在纵向上充分通过多轮独立力矩分配、复合制动等充分发挥分布式独立可控的动力学特点。该路径跟踪控制包括：横向控制量的计算、纵向控制量的计算、横/纵向控制量映射到底层执行机构中的转矩分配以及横/纵向控制量映射到底层执行机构中的复合制动力矩分配；其中横向控制量指转向角，纵向控制量为驱动控制量或制动控制量。

Description

一种分布式驱动无人车辆路径跟踪控制方法及系统

技术领域

本发明属于自动驾驶或无人驾驶车辆控制技术领域，具体涉及一种分布式驱动无人车辆路径跟踪控制方法及系统。

背景技术

路径跟踪控制是无人车辆自主行驶的基础关键技术之一，尤其是针对分布式电驱动车辆，如何利用其独立可控的动力学潜力提高路径跟踪控制的稳定性和控制精度是一个研究重点。

闭环控制一般要分解为两个问题，即闭环控制回路的结构和控制算法。闭环控制系统的结构要利用其对象动力学的可观性与可控性以及物理直观性，制定一个合理的回路结构，然后依据系统输出信息设计反馈控制律以实现参考输入的跟踪和抗干扰控制等目的。目前大多数的研究集中在控制算法上，而对物理系统的控制回路结构缺乏深入的研究和清晰的认识。路径跟踪的横向控制里常用如下结构形式“横向偏差控制->曲率->转向角控制”，即通过目标路径的偏差下发目标曲率，再通过底层的转向控制完成目标曲率的跟踪以达到目标路径的跟踪，此类控制结构涉及的两层控制回路具有如下问题：

(1)双层级联式控制回路，降低了路径跟踪闭环控制的响应带宽；

(2)曲率不是一个可以直接测量的物理量，通过间接状态计算必然会带来误差；另外底层也无法确保曲率的理想跟踪，层层误差累积会导致路径跟踪控制整体的控制精度大大降低。

同时，关于车辆当前位置与目标路径之间的偏差如何建模也是个容易忽视的问题，偏差建模直接影响了闭环控制关于横向位置偏差、航向角偏差的敏感度以及整体的驾驶行为。

此外，基于分布式驱动的特点，扭矩矢量控制的复合转向、复合制动以及转矩的合理分配等，这些底层执行控制子模块也是无人车辆路径跟踪控制务必要充分利用的有力条件。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种分布式驱动无人车辆路径跟踪控制方法，采用直接由偏差控制映射到复合转向控制量的横向控制方案，简单直观；采用的组合反馈控制算法既能确保控制响应的稳定性、控制精度以及闭环回路响应带宽，同时也便于工程实现与参数调节；同时在纵向上充分通过多轮独立力矩分配、复合制动等充分发挥分布式独立可控的动力学特点。

所述的分布式驱动无人车辆路径跟踪控制方法，包括：

步骤一：横向控制量和纵向控制量的计算；

所述横向控制量为转向角δ，所述纵向控制量u包括驱动控制量f_Acc或制动控制量f_Brake；

所述横向控制量转向角δ的计算式为：

其中：组合比例系数λ∈[0，1]，L为车辆等效轴距，dx为第二横向位置偏差，即期望路径中前向预瞄点P2到车辆当前路径切线方向的投影；l_d为前向预瞄距离；状态反馈增益矢量K＝[k₁，k₂，k₃，k₄，k₅]，k₁，k₂，k₃，k₄，k₅均为增益矢量的增益常数；反馈状态

其中e为第一横向位置偏差，即车辆当前质心到期望路径中当前跟踪点P1切线方向的投影，状态x₁为第一横向位置偏差e的累积积分量；Δψ为航向角偏差；

然后依据所述横向控制量转向角δ计算车辆左右侧差动的矢量扭矩：

ΔT＝K_sT_adδ

其中：ΔT为车辆左右侧驱动电机的差动转矩，K_s∈[0，1]为复合转向增益系数，T_ad为可用于矢量转矩控制的容许转矩常数；

所述纵向控制量u的计算为：

u＝K_pv(v_d-v_x)+K_iv∫(v_d-v_x)

ifu≥0f_Acc＝u，elsef_Brake＝u

其中：K_pv和K_iv分别为纵向速度闭环控制的比例系数和积分系数；f_Acc为驱动控制量，f_Brake为制动控制量；v_x为车辆实际纵向速度，v_d为期望纵向速度；

步骤二：横/纵向控制量映射到底层执行机构中的转矩分配和复合制动力矩分配；

进行所述横/纵向控制量映射到底层执行机构中的转矩分配时，首先按照轮胎垂向载荷的比例分配每个驱动电机的转矩，然后分配车辆左右侧驱动电机的差动转矩，由此得到所述分布式驱动无人车辆中每个轮胎的驱动电机的转矩；

所述横/纵向控制量映射到底层执行机构中的复合制动力矩分配为制动控制力矩T_Brake到液压机械制动力矩和驱动电机电制动力矩的分配，其分配策略为：

式中

其中：T_ebi为第i个轮胎的液压机械制动力矩，T_hbi为第i个轮胎的驱动电机电制动力矩，F_zi为第i个轮胎的垂向载荷；R₀为轮胎有效滚动半径，g表示重力加速度，J为电动轮的转动惯量，

为轮胎的摩擦系数，

为摩擦系数

关于滑移率函数的极值点对应的滑移率。

作为本发明的一种优选方式：所述前向预瞄距离l_d与车辆实际纵向速度v_x之间的关系为：

作为本发明的一种优选方式：所述航向角偏差Δψ＝ψ_ref-ψ，其中ψ为车辆的行驶速度方位角，ψ_ref为期望路径切线方位角。

作为本发明的一种优选方式：所述期望纵向速度v_d为：

其中：t为当前周期，t+1为下一周期；a_x为最大安全纵向加速度，a_y最大安全横向加速度，k为车辆行驶曲率，

T为速度控制周期，β为车辆的侧滑角。

作为本发明的一种优选方式：令所述分布式驱动无人车辆的轮胎个数为2n，n大于等于1；则第i个轮胎的转矩T_i为：

其中i＝1，2…2n。

此外，本发明提供一种分布式驱动无人车辆路径跟踪控制系统，用于实现上述分布式驱动无人车辆路径跟踪控制方法：

该路径跟踪控制系统包括：路径跟踪偏差建模模块、路径跟踪控制模块、组合反馈控制模块和复合转向匹配模块；

所述路径跟踪偏差建模模块用于根据期望路径中当前跟踪点、前向预瞄点与车辆当前的质心位置计算第一横向位置偏差、第二横向位置偏差和航向角偏差；

所述路径跟踪控制模块依据车辆反馈的状态信息进行路径跟踪控制，所述车辆反馈的状态信息包括车辆的实际纵向速度，所述路径跟踪控制包括进行路径跟踪纵向速度规划，即计算期望速度v_d；计算路径跟踪纵向控制量：驱动控制量f_Acc和制动控制量f_Brake；

所述组合反馈控制模块基于纯跟踪模型和状态反馈相结合的组合反馈控制进行横向控制量转向角δ的计算；

所述复合转向匹配模块依据横向稳定控制要求定义复合转向增益系数K_s，实现转向机构与矢量扭矩的复合转向控制，即依据所述组合反馈控制模块计算的转向角计算车辆左右侧差动的矢量扭矩，并将横/纵向控制量映射到底层执行机构中进行转矩分配和复合制动力矩分配。

有益效果：

(1)本发明的控制方法采用由偏差模型直接映射到复合转向控制量的横向控制方案，充分利用了扭矩矢量以增强横向开环增益，闭环响应带宽高、稳定性强；

(2)本发明的控制方法中采用的组合反馈控制算法既利用了前向预瞄点的偏差模型计算转向控制量，又利用当前位置处的偏差参与状态反馈计算，算法易于工程实现且具备较大的灵活性，通过组合反馈能够弥补单一算法呈现出的位置和角度偏差无法兼顾、远近距离无法兼顾的算法局限性；

(3)本发明充分利用了分布式驱动车辆的特点，有效集成了基于扭矩矢量的复合转向、机电复合制动以及力矩分配等模块，能够充分发挥分布式独立可控的动力学潜力，可广泛适用于分布式驱动车辆的路径跟踪控制。

附图说明

图1为本发明的分布式驱动无人车辆路径跟踪控制方法流程图；

图2为本发明的分布式驱动无人车辆路径跟踪控制方法对应的系统构图；

图3为路径跟踪偏差建模计算几何示意；

图4为某试验场地期望路点与无人车辆路径跟踪实际路点数据对比图；

图5为控制过程中横向控制量(转向角)随时间的变化图；

图6为控制过程中期望速度和实际的速度控制响应数据随时间的变化图。

具体实施方式

下面结合附图和较佳实施例对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更容易被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本实施例以分布式驱动(即各轮独立驱动)的4×4轮式车辆路径跟踪控制为例，介绍该分布式驱动无人车辆路径跟踪控制方法的具体步骤。

如图1和图2，该路径跟踪控制包括：横向控制量的计算、纵向控制量的计算、横/纵向控制量映射到底层执行机构中的转矩分配以及横/纵向控制量映射到底层执行机构中的复合制动力矩分配；其中横向控制量指转向角δ，纵向控制量u包括驱动控制量f_Acc或制动控制量f_Brake。

其中横向控制量的计算过程为：

如图3所示，首先根据期望路径跟踪点与车辆当前的质心位置计算横向位置偏差和航向角偏差；其中横向位置偏差包括车辆当前的质心位置与期望路径中当前跟踪点P₁(P₁为当前期望位置)处的横向位置偏差(记为第一横向位置偏差e)以及车辆当前的质心位置与期望路径中前向预瞄点P₂处的横向位置偏差(记为第二横向位置偏差dx)；计算过程为：

(11)依据车载组合导航系统给出的车辆当前质心位置坐标与期望路径中当前跟踪点P₁的坐标，计算车辆当前质心到当前跟踪点P₁切线方向的投影，记为第一横向位置偏差e；

(12)依据车载组合导航系统给出的行驶速度方位角ψ，期望路径切线方位角ψ_ref，计算航向角偏差Δψ＝ψ_ref-ψ；

(13)第二横向位置偏差dx为前向预瞄点P₂到车辆当前路径切线方向的投影，设车辆按照转向半径R由当前位置行驶到前向预瞄点P₂处，由几何关系得到：

R＝l_d/2sinα，sinα＝dx/l_d，

其中：l_d为前向预瞄距离(即车辆当前质心位置与前向预瞄点P2之间的距离)，α为车辆当前路径切线方向与前向预瞄线之间的夹角(前向预瞄线指车辆当前质心和前向预瞄点P₂连线)。

由于行驶曲率k与转向半径R之间存在关系k＝1/R，则行驶曲率

其中前向预瞄距离l_d与车辆实际纵向速度v_x之间有如下关系：

其次是进行横向控制量(转向角δ)的计算：横向控制量(转向角δ)的计算依据组合反馈控制算法进行，即采用包含纯跟踪模型和状态反馈相结合的组合反馈控制算法，则转向角δ的控制律计算式为：

其中：组合比例系数λ∈[0，1]，L为车辆等效轴距，状态反馈增益矢量K＝[k₁，k₂，k₃，k₄，k₅]，k₁，k₂，k₃，k₄，k₅均为增益矢量的增益常数；反馈状态

其中e为第一横向位置偏差，状态x₁为第一横向位置偏差e的累积积分量。

然后依据转向角进行差动转矩的计算，即依据横向位置控制计算的转向角δ来计算车辆左右侧差动的矢量扭矩，具体计算如下：

ΔT＝K_sT_adδ

其中：ΔT为车辆左右侧轮毂电机的差动转矩，K_s∈[0，1]为复合转向增益系数，T_ad为可用于矢量转矩控制的容许转矩常数。

在上述计算的基础上，还能够进行整车矢量转矩的计算，整车矢量转矩M_zx的计算公式为：

其中：m为车辆的轴个数(4x4车辆轴个数为2，6x6车辆轴个数为3，8x8车辆轴个数为4)，T_dlj和T_drj分别为左、右侧第j个轮毂电机的驱动力矩(每侧轮毂电机的编号为由车头到车尾的方向顺序排序)，R₀为轮胎有效滚动半径，w为车辆轮距。

纵向控制量的计算过程为：

在纵向控制上，首先是纵向速度规划，即计算期望纵向速度v_d，计算式如下：

其中：t为当前周期，t+1为下一周期；a_x为最大安全纵向加速度，a_y最大安全横向加速度，k为车辆行驶曲率，T为速度控制周期，β为车辆的侧滑角；

然后基于上述纵向速度规划进行纵向控制量u的计算：

u＝K_pv(v_d-v_x)+K_iv∫(v_d-v_x)

ifu≥0f_Acc＝u，elsef_Brake＝u

其中：K_pv和K_iv分别为纵向速度闭环控制的比例系数和积分系数；f_Acc为驱动控制量，f_Brake为制动控制量。

横/纵向控制量映射到底层执行机构中的转矩分配：

以4x4分布式驱动车辆为例，横/纵向控制量映射到底层执行机构中的转矩分配包括如下两个步骤：

(21)按照轮胎垂向载荷的比例分配四个轮毂电机(采用轮毂电机)的转矩，为方便起见，记左前、右前、左后、右后轮毂电机的转矩分别为T₁，T₂，T₃，T₄，转矩分配计算如下式：

其中F_z1为左前轮胎的垂向载荷，F_z2为右前轮胎的垂向载荷，F_z3为左后轮胎的垂向载荷，F_z4右后轮胎的垂向载荷；各轮胎垂向载荷为关于横纵向加速度的函数，可通过力矩平衡方程得出解算结果；

(22)通过分配左右侧矢量扭矩的附加项(即上述计算的车辆左右侧差动的矢量扭矩)，得到最终的四轮转矩分配结果如下：

其中ΔT为车辆左右侧轮毂电机的差动转矩。

横/纵向控制量映射到底层执行机构中的复合制动分配：

横/纵向控制量映射到底层执行机构中的复合制动分配是指制动控制力矩T_Brake(制动控制力矩T_Brake与制动控制量f_Brake为线性对应关系)到液压机械制动力矩T_hb和轮毂电机电制动力矩T_eb的分配；复合制动的分配策略是液压机械制动负责生成一个相对稳定的制动压力(即液压机械制动力矩)，再附加以电制动负责生成快速变化的调节力矩(即轮毂电机电制动力矩)，具体分配策略如下式：

式中

其中：T_ebi为第i个轮胎的液压机械制动力矩，T_hbi为第i个轮胎的轮毂电机电制动力矩，F_zi为第i个轮胎的垂向载荷，i＝1，2，3，4时分别对应左前、右前、左后、右后轮胎；R₀为轮胎有效滚动半径，g表示重力加速度，J为电动轮(包括轮胎和电机)的转动惯量，

为轮胎的摩擦系数，

为摩擦系数

关于滑移率函数的极值点对应的滑移率，一般地

上述复合制动力矩的分配能够确保在较大制动强度下采用较为稳定的液压机械制动再辅助以快速调节的电制动力矩，充分利用了液压机械的宽幅力矩和电制动的高带宽响应特性，且机械制动量在力学上确保了轮胎具备最优的附着力；在制动强度较低时采用纯电制动。

图4为在某试验场地选取一条期望路点，采集其路径点，然后实施上述路径跟踪控制方法后记录下的实际路点，试验表明采用该方法进行路径跟踪控制，控制精度高稳定性强。

图5为横向控制量(转向角)随时间的变化，其中上图为组合反馈算法计算出的状态反馈控制量和纯跟踪控制量，下图为转向角总控制量以及实际转向角响应数据。

图6为纵向控制的速度规划给出的期望速度和实际的速度控制响应数据。

实施例2：

在上述实施例1的基础上，为实现上述控制，设计了包括路径跟踪偏差建模模块、路径跟踪控制模块、组合反馈控制模块以及复合转向匹配模块的控制系统。

其中路径跟踪偏差建模模块用于根据期望路径跟踪点与车辆当前的质心位置计算横向位置偏差和航向角偏差，用于实现横向位置控制；

路径跟踪控制模块依据车辆反馈的状态信息进行路径跟踪控制，包括接收车辆反馈的状态信息(包括车辆的实际纵向速度)、进行路径跟踪纵向速度规划(即计算期望速度v_d)、计算路径跟踪纵向控制量(驱动控制量f_Acc或制动控制量f_Brake)；

组合反馈控制模块用于基于纯跟踪模型和状态反馈相结合的组合反馈控制进行横向控制量转向角δ控制律的计算；

复合转向匹配模块用于依据横向稳定控制要求定义复合转向增益系数K_s，实现转向机构与矢量扭矩的复合转向控制，即依据横向位置控制计算的转向角计算车辆左右侧差动的矢量扭矩，并将横/纵向控制量映射到底层执行机构进行转矩分配和复合制动的分配。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种分布式驱动无人车辆路径跟踪控制方法，其特征在于，包括：

步骤一：横向控制量和纵向控制量的计算；

所述横向控制量为转向角δ，所述纵向控制量u包括驱动控制量f_Acc或制动控制量f_Brake；

所述横向控制量转向角δ的计算式为：

其中：组合比例系数λ∈[0，1]，L为车辆等效轴距，dx为第二横向位置偏差，即期望路径中前向预瞄点P2到车辆当前路径切线方向的投影；l_d为前向预瞄距离；状态反馈增益矢量K＝[k₁，k₂，k₃，k₄，k₅]，k₁，k₂，k₃，k₄，k₅均为增益矢量的增益常数；反馈状态

其中e为第一横向位置偏差，即车辆当前质心到期望路径中当前跟踪点P₁切线方向的投影，状态x₁为第一横向位置偏差e的累积积分量；Δψ为航向角偏差；

然后依据所述横向控制量转向角δ计算车辆左右侧差动的矢量扭矩：

ΔT＝K_sT_adδ

其中：ΔT为车辆左右侧驱动电机的差动转矩，K_s∈[0，1]为复合转向增益系数，T_ad为可用于矢量转矩控制的容许转矩常数；

所述纵向控制量u的计算为：

u＝K_pv(v_d-v_x)+K_iv∫(v_d-v_x)

if u≥0 f_Acc＝u，else f_Brake＝u

其中：K_pv和K_iv分别为纵向速度闭环控制的比例系数和积分系数；f_Acc为驱动控制量，f_Brake为制动控制量；v_x为车辆实际纵向速度，v_d为期望纵向速度；

步骤二：横/纵向控制量映射到底层执行机构中的转矩分配和复合制动力矩分配；

进行所述横/纵向控制量映射到底层执行机构中的转矩分配时，首先按照轮胎垂向载荷的比例分配每个驱动电机的转矩，然后分配车辆左右侧驱动电机的差动转矩，由此得到所述分布式驱动无人车辆中每个轮胎的驱动电机的转矩；

所述横/纵向控制量映射到底层执行机构中的复合制动力矩分配为制动控制力矩T_Brake到液压机械制动力矩和驱动电机电制动力矩的分配，其分配策略为：

式中

其中：T_ebi为第i个轮胎的液压机械制动力矩，T_hbi为第i个轮胎的驱动电机电制动力矩，F_zi为第i个轮胎的垂向载荷；R₀为轮胎有效滚动半径，g表示重力加速度，J为电动轮的转动惯量，

为轮胎的摩擦系数，

为摩擦系数

关于滑移率函数的极值点对应的滑移率。

2.如权利要求1所述的分布式驱动无人车辆路径跟踪控制方法，其特征在于：所述前向预瞄距离l_d与车辆实际纵向速度v_x之间的关系为：

3.如权利要求1所述的分布式驱动无人车辆路径跟踪控制方法，其特征在于：所述航向角偏差Δψ＝ψ_ref-ψ，其中ψ为车辆的行驶速度方位角，ψ_ref为期望路径切线方位角。

4.如权利要求1所述的分布式驱动无人车辆路径跟踪控制方法，其特征在于，所述期望纵向速度v_d为：

其中：t为当前周期，t+1为下一周期；a_x为最大安全纵向加速度，a_y最大安全横向加速度，k为车辆行驶曲率，

T为速度控制周期，β为车辆的侧滑角。

5.如权利要求1所述的分布式驱动无人车辆路径跟踪控制方法，其特征在于，令所述分布式驱动无人车辆的轮胎个数为2n，n大于等于1；则第i个轮胎的转矩T_i为：

其中i＝1，2…2n。

6.一种分布式驱动无人车辆路径跟踪控制系统，用于实现上述权利要求1-5任一项所述的分布式驱动无人车辆路径跟踪控制方法，其特征在于：

该路径跟踪控制系统包括：路径跟踪偏差建模模块、路径跟踪控制模块、组合反馈控制模块和复合转向匹配模块；

所述路径跟踪偏差建模模块用于根据期望路径中当前跟踪点、前向预瞄点与车辆当前的质心位置计算第一横向位置偏差、第二横向位置偏差和航向角偏差；

所述路径跟踪控制模块依据车辆反馈的状态信息进行路径跟踪控制，所述车辆反馈的状态信息包括车辆的实际纵向速度，所述路径跟踪控制包括进行路径跟踪纵向速度规划，即计算期望纵向 速度v_d；计算路径跟踪纵向控制量：驱动控制量f_Acc和制动控制量f_Brake；

所述组合反馈控制模块基于纯跟踪模型和状态反馈相结合的组合反馈控制进行横向控制量转向角δ的计算；

所述复合转向匹配模块依据横向稳定控制要求定义复合转向增益系数K_s，实现转向机构与矢量扭矩的复合转向控制，即依据所述组合反馈控制模块计算的转向角计算车辆左右侧差动的矢量扭矩，并将横/纵向控制量映射到底层执行机构中进行转矩分配和复合制动力矩分配。

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