CN115447603B - 一种应用于自动驾驶车辆的有限时间路径跟踪控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明应用于自动驾驶车辆的有限时间路径跟踪控制方法，其包括步骤1)根据受控车辆的动力学模型，建立该受控车辆的路径跟踪模型；2)引入如下速率函数ρ；3)误差转换，定义误差函数h1和h2；4)设计控制器，5)用设计的控制器u去控制车辆实现路径跟踪。本发明应用于自动驾驶车辆的有限时间路径跟踪控制方法，其解决了在***强非线性、外部扰动、模型参数存在误差的情况下快速有效实现自动驾驶车辆车辆路径跟踪的技术问题，能保证被控车辆在给定的时间内响应期望航向角变化，实现高精度路径跟踪效果。
Description
技术领域
本发明涉及自动驾驶技术领域，特别涉及一种自动驾驶车辆汽车的路径跟踪控制方法。
背景技术
路径跟踪控制器对自动驾驶技术的实现起着至关重要的作用，其控制性能的优劣直接关系到自动驾驶的安全性和稳定性。然而，由于车辆参数不确定性和外部干扰，很难快速准确地跟踪期望路径，最终导致偏差位移较大。虽然现有一些路径跟踪控制方法通过辨识技术实现对非线性控制律的补偿，但其控制性能依赖于辨识算法的精度指标，且控制结构复杂，不利于实际应用。此外，现存方法很少对***的暂态性能如响应时间、超调量等作要求，缺乏对***模型参数摄动进行研究，不能很好地保证受控车辆自动驾驶的可靠运行。
因此，需要新的路径跟踪方法来实现受控车辆的路径跟踪控制，实现在实际工况下提前设定时间和控制精度要求，使得侧向位移误差在给定时间之内达到预设跟踪精度范围，提高自动驾驶汽车的行驶可靠性，消除模型参数误差对控制***的影响。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种应用于自动驾驶车辆的有限时间路径跟踪控制方法，以解决车辆在设定时间内的路径跟踪问题，实现消除模型参数误差的影响，实现在实际工况下提前设定时间和控制精度要求，使得侧向位移误差在给定时间之内达到预设跟踪精度范围，确保自动驾驶车辆路径跟踪的可靠性。
本发明应用于自动驾驶车辆的有限时间路径跟踪控制方法，其包括以下步骤：
1)根据受控车辆的动力学模型，建立该受控车辆的路径跟踪模型为：
式(1)中，是在环境坐标系中的车辆航向角，vy是在车辆坐标系中受控车辆质心的横向速度，vx是在车辆坐标系中受控车辆质心的纵向速度；环境坐标系是由卫星导航***设立的基于环境某点为原点的坐标系，车辆坐标系由车辆配备的惯性导航设备设立的由车辆质心为原点的坐标系；
ωr是受控车辆的横摆角速度；
ω(t)是扰动变量；δf为受控车辆的前轮转角；b＝LfCf/Iz，Lf是受控车辆前轴到质心的距离，Cf是受控车辆前轮的等效侧偏刚度，Iz为受控车辆的横摆转动惯量；
Lr为受控车辆后轴到质心的距离，Cr是受控车辆后轮的等效侧偏刚度，β＝arctan(vy/vx)是受控车辆质心侧偏角；
并定义在环境坐标系中受控车辆的期望航向角:
式(2)中，Ye为受控车辆与期望路径的侧向位移偏差，Ye＝Y-Yref，Yref是期望路径的纵轴坐标，是期望路径的切线角度；c0和c1为设计参数，同时满足π＞c0＞0，c1＞0；整理得到如下控制***：
式中，y是***输出量；u为***输入量，u＝δf表示以受控车辆的前轮转角作为***输入量；/>以f函数为***的总扰动；
2)引入如下速率函数:
其中0＜ε＜＜1是设计误差参数；0＜T＜∞是用户指定的一个给定时间；ρ0为设计者给定的该函数的初始值，0＜ρ0；
3)误差转换，定义误差函数:
式(5)中下标i＝1,2，v＝1/ρ，/>由虚拟控制器/>通过可变时间常数的一阶滤波器进行设计，/>l是时间常数；
4)设计控制器，虚拟控制器表达式为
式(6)中k1为设定常数，其他变量表达式如下：
式中，是速率函数ρ的导数；
控制器u表达式为：
式中k2为设定常数，s＝|x1|+|x2|，其他变量表达式如下：
5)用设计的控制器u去控制车辆实现路径跟踪。
本发明的有益效果：
1、本发明应用于自动驾驶车辆的有限时间路径跟踪控制方法，其解决了在***强非线性、外部扰动、模型参数存在误差的情况下快速有效实现自动驾驶车辆车辆路径跟踪的技术问题，能保证被控车辆在给定的时间内响应期望航向角变化，实现高精度路径跟踪效果。
2、本发明应用于自动驾驶车辆的有限时间路径跟踪控制方法，其通过引入有限时间误差转换函数，设计了一种抗干扰性强的路径跟踪控制器，使得车辆期望航向角追踪误差始终在给定的边界范围内。另外，该控制器可以有效地处理建模不确定性和外部干扰，不需要进行精确的车辆参数辨识过程，即可实现控制目标。
附图说明
图1为受控自动驾驶车辆汽车的动力学模型图，图中X是受控车辆在环境坐标系中的横向位移量，Y是受控车辆在环境坐标系中的纵向位移量，图中平面直角坐标系XOY为环境坐标系，平面直角坐标系xoy为车辆坐标系。
图2为不同预设误差条件下控制效果图，其中图a是车辆航向角跟踪误差，图b是车辆侧向位移误差，图c是车辆前轮转角，图d是车辆航向角。以下图 3-图4中a、b、c、d图都表示一样的参数项。
图3为不同预设界限条件下控制效果图。
图4为不同预设时间条件下控制效果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
本实施例应用于自动驾驶车辆的有限时间路径跟踪控制方法，其包括以下步骤：
1)根据受控车辆的动力学模型，建立该受控车辆的路径跟踪模型为：
式(1)中，是在环境坐标系中的车辆航向角，vy是在车辆坐标系中受控车辆质心的横向速度，vx是在车辆坐标系中受控车辆质心的纵向速度。环境坐标系是由卫星导航***设立的基于环境某点为原点的坐标系，具体实施中卫星导航***可以采用北斗卫星导航***或GPS卫星导向***，车辆坐标系由车辆配备的惯性导航设备设立的由车辆质心为原点的坐标系。
ωr是受控车辆的横摆角速度。
ω(t)是扰动变量；δf为受控车辆的前轮转角；b＝LfCf/Iz，Lf是受控车辆前轴到质心的距离，Cf是受控车辆前轮的等效侧偏刚度，Iz为受控车辆的横摆转动惯量。
Lr为受控车辆后轴到质心的距离，Cr是受控车辆后轮的等效侧偏刚度，β＝arctan(vy/vx)是受控车辆质心侧偏角。
给出参考路径数据并定义在环境坐标系中受控车辆的期望航向角:
式(2)中，Ye为受控车辆与期望路径的侧向位移偏差，Ye＝Y-Yref，Yref是期望路径的纵轴坐标，是期望路径的切线角度；c0和c1为设计参数，同时满足π＞c0＞0，c1＞0；整理得到如下控制***：
式中，y是***输出量；u为***输入量，u＝δf表示以受控车辆的前轮转角作为***输入量；/>以f函数为***的总扰动。通过上述处理就把复杂的欠驱动车辆路径跟踪控制问题转化为较为容易的偏航角跟踪控制问题。
2)引入如下速率函数:
其中0＜ε＜＜1是设计误差参数；0＜T＜∞是用户指定的一个给定时间；ρ0为设计者给定的该函数的初始值，0＜ρ0。
3)误差转换，定义误差函数:
式(5)中下标i＝1,2，v＝1/ρ，/>由虚拟控制器/>通过可变时间常数的一阶滤波器进行设计，/>l是时间常数。
4)设计控制器，虚拟控制器表达式为
式(6)中k1为设定常数，其他变量表达式如下：
式中，是速率函数ρ的导数。
控制器u表达式为：
式中k2为设定常数，s＝/x1/+/x2/，其他变量表达式如下：
5)用设计的控制器u去控制车辆实现路径跟踪。
下面采用设计的控制器u对受控车辆路径跟踪进行仿真控制。
按照车道偏离报警***试验弯道跟踪标准，选取弯道曲率半径100m，车辆与道路无初始偏差，测试车速50km/h，选取参数c0＝1/2π，c1＝0.1。仿真测试使用的车辆参数：Lf＝1.015，Lr＝1.1，m＝1200kg，车辆起始坐标(0，0)， Iz＝1536.7，Cf＝36000，Cr＝55000。实际车辆侧偏刚度Cf＝36000，Cr＝38000。
图2表示预设误差参数对控制效果的影响，选取预设误差ε＝0.02，0.05， 0.1，预设时间T＝1，误差上界ρ＝0.2。从图2中的(a)图看出三个参数取值都能达到预设期望航向角跟踪误差范围内。结合图2中(b)图、(c)图和(d) 图的控制误差效果分析，预设误差越小其对应的车辆航向角跟踪误差，车辆侧向位移误差也相对减小，车辆前轮转角和车辆航向角控制效果更加稳定，在选取预设误差ε＝0.02时，期望航向角跟踪误差小于2×10-4rad，车辆侧向位移误差小于0.2cm。
图3表示误差界限参数对控制效果的影响，选取误差界限ρ＝0.1，0.2，0.5，预设时间T＝1，误差上界ε＝0.02。从图3中的(a)图看出三个参数取值都能达到预设期望航向角跟踪误差范围内。结合图3中(b)图、(c)图和(d)图的控制误差效果分析，误差界限越小其对应的车辆航向角跟踪误差，车辆侧向位移误差也相对减小，车辆前轮转角和车辆航向角控制效果更加稳定，在选取预设误差ρ＝0.1时，期望航向角跟踪误差小于1×10-4rad，车辆侧向位移误差小于 0.2cm。
图4表示预设时间参数对控制效果的影响，选取预设时间T＝1，3，8，预设误差ε＝0.02，误差上界ρ＝0.1。从图4中(a)图看出三个参数取值都能达到预设期望航向角跟踪误差范围内。结合图4中(b)图、(c)图和(d)图的控制误差效果分析，预设时间越小其对应的车辆航向角跟踪误差，车辆侧向位移误差收敛速度也越快，车辆前轮转角和车辆航向角控制效果稳定。
以上仿真结果证明了本实施例中控制方法面对车辆侧偏刚度参数不确定的情况下，能够实现在设定时间内达到控制精度要求，保证车辆期望航向角跟踪误差和车辆侧向位移误差接近于0的状态，同时保证车辆前轮转角和航向角转向稳定。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.一种应用于自动驾驶车辆的有限时间路径跟踪控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)根据受控车辆的动力学模型，建立该受控车辆的路径跟踪模型为：
式(1)中，Y是受控车辆在环境坐标系中的纵向位移量，是在环境坐标系中的车辆航向角，vy是在车辆坐标系中受控车辆质心的横向速度，vx是在车辆坐标系中受控车辆质心的纵向速度；环境坐标系是由卫星导航***设立的基于环境某点为原点的坐标系，车辆坐标系由车辆配备的惯性导航设备设立的由车辆质心为原点的坐标系；
ωr是受控车辆的横摆角速度；
ω(t)是扰动变量；δf为受控车辆的前轮转角；b＝LfCf/Iz，Lf是受控车辆前轴到质心的距离，Cf是受控车辆前轮的等效侧偏刚度，Iz为受控车辆的横摆转动惯量；
Lr为受控车辆后轴到质心的距离，Cr是受控车辆后轮的等效侧偏刚度，β＝arctan(vy/vx)是受控车辆质心侧偏角；
并定义在环境坐标系中受控车辆的期望航向角:
式(2)中，Ye为受控车辆与期望路径的侧向位移偏差，Ye＝Y-Yref，Yref是期望路径的纵轴坐标，是期望路径的切线角度；c0和c1为设计参数，同时满足π＞c0＞0，c1＞0；整理得到如下控制***：
式中，x2＝ωr，y是***输出量；u为***输入量，u＝δf表示以受控车辆的前轮转角作为***输入量；/>以f函数为***的总扰动；
2)引入如下速率函数:
其中：ρ为预设跟踪误差界限，0＜ε＜＜1是设计误差参数；0＜T＜∞是用户指定的一个给定时间；ρ0为设计者给定的该函数的初始值，0＜ρ0；
3)误差转换，定义误差函数:
式(5)中下标i＝1,2，v＝1/ρ，/> 由虚拟控制器/>通过可变时间常数的一阶滤波器进行设计，/>l是时间常数；
4)设计控制器，虚拟控制器表达式为
式(6)中k1为设定常数，其他变量表达式如下：
式中，是速率函数ρ的导数；
控制器u表达式为：
式中k2为设定常数，s＝|x1|+|x2|，其他变量表达式如下：
5)用设计的控制器u去控制车辆实现路径跟踪。
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