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考虑系统约束的预瞄Stanley车辆路径跟踪控制.pdf
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1、 车辆工程制造技术现代制造工程()年第 期考虑系统约束的预瞄 车辆路径跟踪控制张俊娜白国星(山西机电职业技术学院汽车工程系长治 北京科技大学机械工程学院北京)摘要:近年来研究者们发现前轮转角速度约束等系统约束对路径跟踪控制的性能存在较大的影响而常用于解决系统约束影响的模型预测控制存在实时性较差的问题 为此基于计算成本较低的 控制考虑前轮转角速度约束等系统约束的影响提出了一种考虑系统约束的预瞄 车辆(无人驾驶)路径跟踪控制算法并通过 与 联合仿真对该算法进行了仿真测试 在被控对象有系统约束的情况下提出的控制方法仍具有较高的精确性和实时性其中横向误差绝对值不超过.航向误差绝对值不超过.每个控制周期
2、内的计算时间不超过 仿真结果还表明该控制方法在精确性方面优于经典 控制、已有的未考虑系统约束的预瞄 控制在实时性方面优于模型预测控制关键词:无人驾驶车辆路径跟踪 控制预瞄控制系统约束中图分类号:.文献标志码:文章编号:():./.():.:国家重点研发计划资助项目()中国博士后科学基金资助项目()中央高校基本科研业务费专项资金资助项目()年第 期现代制造工程()引言路径跟踪控制()是无人驾驶车辆、移动机器人等领域中的一项关键技术其作用是控制被控对象沿着给定的参考路径行驶并尽可能地减少被控对象行驶轨迹与参考路径之间的误差 近年来随着路径跟踪控制技术的发展前轮转角速度约束等系统约束对路径跟踪控制效
3、果的影响受到了较多研究者的关注目前研究者们通常采用模型预测控制()处理系统约束文献在提出的鲁棒 路径跟踪控制器中考虑了前轮转角约束等系统约束文献在提出的农用拖挂式车辆避障路径跟踪控制器中考虑了前轮转角约束等系统约束文献、文献及文献先后在基于 的自动泊车路径跟踪控制算法中引入了前轮转角约束和前轮转角速度约束文献在提出的基于 种不同置信度的动力学模型的路径跟踪控制器中考虑了前轮转角约束等系统约束文献的研究工作也采用了考虑前轮转角约束、前轮转角速度约束等系统约束的路径跟踪控制器文献提出的基于 的变速路径跟踪控制器能够处理前轮转角约束、前轮转角速度文献在其作者提出的 路径跟踪控制器中考虑了前轮转角约束
4、文献提出了一种利用神经网络代替预测模型的控制方法也考虑了前轮转角约束等系统约束文献在研究结合 与模糊控制的路径跟踪控制算法时将前轮转角约束和前轮转角速度约束纳入了考虑文献、文献在提出的纵横向一体式路径跟踪控制器中考虑了前轮转角约束和前轮转角速度约束文献在四轮轮毂电机驱动车辆的轨迹跟踪和操纵稳定性一体式控制器中引入了前轮转角约束等系统约束文献将前轮转角约束等系统约束引入了以防侧滑为目标的变速路径跟踪控制器文献在露天矿的矿用卡车路径跟踪控制器中引入了前轮转角约束和前轮转角速度约束文献在研究四轮转向路径跟踪控制时考虑了前后轮的转角约束文献在研究用于换道避障的路径跟踪控制时考虑了前轮转角约束和前轮转角
5、速度约束文献在提出的基于时变局部模型的路径跟踪控制器中也加入了前轮转角约束和前轮转角速度约束这些研究工作均具有重要意义但是 的计算成本较高无法在低成本硬件上实时运行严重限制了这些研究工作的产业化应用因此有必要提出一种能够处理系统约束影响的低计算成本路径跟踪控制算法 控制是一种众所周知的低计算成本路径跟踪控制算法但是经典的 控制器很难在前轮转角约束和前轮转角速度约束等系统约束的影响下正常运行通过引入预瞄信息使控制器提前响应可以减小这些系统约束的影响然而目前在 控制中引入预瞄信息的研究工作尚未考虑系统约束的影响因此本文拟提出一种考虑系统约束的预瞄 车辆路径跟踪控制方法 为此在经典 控制的基础上设计
6、了考虑前轮转角约束和前轮转角速度约束的预瞄距离选取规则并通过 与 联合仿真对提出的路径跟踪控制方法进行了验证 路径跟踪控制器考虑系统约束的预瞄 车辆路径跟踪控制算法以经典 控制为基础 经典 控制是一种几何控制算法其控制律包含两部分:第一部分是航向控制律第二部分是横向控制律图 所示为经典 控制算法的原理示意图 经典 控制算法的原理示意张俊娜等:考虑系统约束的预瞄 车辆路径跟踪控制 年第 期图 中为横向误差即车辆前桥中点与关键参考点之间的距离为航向误差即车辆前桥中点与关键参考点之间的航向偏差 为车辆的等效前轮转角 关键参考点即参考路径上距离车辆前桥中点最近的点当参考路径以离散点列的形式给出时关键参
7、考点可以通过基于预测的选取方法实时获取经典 控制的控制律可以表达为:()(/)()()()式中:为横向误差对应的控制律分量 为控制增益系数 为车速为航向误差对应的控制律分量为关键参考点在车身坐标系中的纵坐标 为车辆在全局坐标系中的航向为关键参考点处参考路径在全局坐标系中的航向、为关键参考点在全局坐标系中的横坐标、纵坐标、为车辆前桥中点在全局坐标系中的横坐标、纵坐标根据车辆的运动学特性可知前轮转角约束和前轮转角速度约束会使得车辆转向时的行驶轨迹呈现螺旋线的形状因此引入预瞄信息可以使控制器提前响应使得车辆转向时的行驶轨迹更加接近参考路径 引入预瞄信息的方法可以参考现有的未考虑系统约束的预瞄 控制的
8、引入方法图 所示为现有预瞄 控制算法的原理示意该算法的核心思想是在获取关键参考点之后在前方的参考路径上再取一个点作为预瞄点关键参考点与预瞄点之间的参考路径弧长即预瞄距离然后以预瞄点的坐标信息和航向信息代入式()和式()即可形成预瞄 控制律然而如图 所示的系统约束影响下未来车辆位姿示意在系统约束条件的影响下未来车辆接近预瞄点时的航向一般与预瞄点的航向较为接近即图 所示的航向误差较为接近车辆抵达预瞄点处所需消除的航向误差但是车辆接近预瞄点时需要消除的与预瞄点之间的横向误差与图 中所示的横向误差差异较大 此外在车辆位于参考路径两侧时上述差异的特点还存在较大的不确定性这也不利于设置较优的预瞄距离和增益
9、系数等参数图 现有预瞄 控制算法的原理示意图 系统约束影响下未来车辆位姿示意基于上述考量提出了一种改进的考虑系统约束的预瞄 车辆路径跟踪控制算法改进预瞄 车辆路径跟踪控制算法的原理如图 所示图 改进预瞄 车辆路径跟踪控制算法的原理在该控制算法中横向误差则仍然取关键参考点处的横向误差航向误差通过预瞄点的航向与车辆航向进行计算:()式中:为预瞄点航向 年第 期现代制造工程()将式()代入 控制律即可计算最终的预瞄 控制律 联合仿真及其结果采用 与 联合仿真对提出的考虑系统约束的预瞄 车辆路径跟踪控制算法进行了测试 在仿真系统中基于 中的 模块搭建了控制器基于 中的“”模板搭建了被控车辆模型车辆型号
10、为 ()无人驾驶车辆模型参数如表 所示轮胎型号为/表 无人驾驶车辆模型参数参数参数值质心到前桥距离/.质心到后桥距离/.质量/转动惯量/().前轮转角约束/.前轮转角速度约束/().地面附着系数.搭载仿真系统的硬件平台为 型笔记本计算机其处理器型号为英特尔 内存容量为 硬盘型号为西部数据 仿真系统中控制周期设置为 仿真共分为 组第一组旨在证实系统约束对经典 控制的影响第二组旨在测试系统约束影响下提出的预瞄 控制与经典 控制、已有的预瞄 控制及模型预测控制()之间的性能差异第三组旨在测试提出的预瞄 控制在不同速度等更多工况下的有效性.第一组仿真为证实系统约束对经典 控制的影响在被控对象无约束的理
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