[发明专利]自动驾驶汽车的自适应分层递阶路径跟踪控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及自动驾驶汽车技术领域，具体一种自动驾驶汽车的自适应分层递阶路径跟踪控制方法。

背景技术

随着智能交通系统的发展，自动驾驶汽车的路径跟踪控制问题已备受关注，并已在移动机器人、自动泊车系统中有广泛的应用，同时，也出现了许多新型的车辆路径跟踪控制系统，这些控制系统都集成了大量的控制算法，如PID控制、线性二次型控制、滑动模态控制等。但是，以往的研究方法通常没有考虑瞬时的车轮滑移率和路面摩擦条件的时变特性，而且大量的模型简化往往忽略了模型本身固有的非线性耦合特性，鉴于此，我们将在分层递阶控制框架下，综合车辆动力学模型的非线性、过驱动和路面条件的时变特性，以及车体动态和车轮动态的多尺度特性，实现自动驾驶汽车动态的实时控制。

分层递阶控制在集成处理中应用较多，它把复杂系统分成几个子系统，而且每个子系统具有不同的控制目标，如稳定、优化或者时间尺度等，并应用于船舶的动态定位、飞行器的力矩分配等。将分层递阶控制思想应用到车辆动力学控制中，可以实现车辆各子系统控制器的独立设计(如车体、车轮和悬架系统等)，将复杂的多变量耦合控制问题转化为多个相对简单的单目标控制问题，从而使子系统发挥其最大效能，因而，分层递阶控制结构具有较大的灵活性，便于各子控制系统之间的优化协调，达到系统整体性能的优化。

实时的轮胎路面摩擦参数估计对汽车主动安全系统：防抱死制动系统(ABS)，牵引控制系统(TCS)，电子稳定性控制系统(ESC)和自适应导航系统(ACC)等都具有重要作用，它可以确保汽车在各种路面条件下的稳定性。如：路面摩擦参数信息可以提高电子稳定性控制系统在湿滑路面的性能，避免出现较大的轮胎侧偏角和侧向加速度，从而有效地避免车轮侧滑。在四轮转向驱动汽车中，单个车轮的摩擦参数估计信息可以用来决策哪个车轮可以提供更大的驱动力矩，从而有效提高汽车的路径跟踪控制性能。

因此，当路面摩擦信息未知、非对称时，如何结合车辆动力学模型的非线性、过驱动和路面条件的时变特性，动态优化车轮联合滑移率并实时估计轮胎路面摩擦参数是实现自动驾驶汽车理想的路径跟踪控制的关键问题。

发明内容

本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种自动驾驶汽车的自适应分层递阶路径跟踪控制方法，通过动态优化车轮滑移率并实时估计轮胎路面摩擦参数，提高车辆在未知、非对称路面摩擦条件下的路径跟踪性能。

本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：

一种自动驾驶汽车的自适应分层递阶路径跟踪控制方法，包括如下步骤：

a)建立车体坐标系，以车辆质心为原点，以车辆的纵向、横向分别为X轴、Y轴建立直角坐标系；

b)建立路径跟踪控制系统模型，所述系统模型包括车体动态子系统、车轮动态子系统及理想路径跟踪动态子系统；

b-1)建立如公式(1)的车体动态子系统：

其中v＝||V||为车辆质心处的速度，β为质心侧偏角，γ为横摆角速度，m为车体质量，J_z为绕z轴的转动惯量，σ_aero为空气动力学系数，l_f为车辆质心到前轴的距离，l_r为车辆质心到后轴的距离，l_d为车辆的轮距，F_xj、F_yj，j＝1,2,3,4，分别为轮胎与路面之间相互摩擦力沿X轴、Y轴的分量，M_zj为车轮的力矩；

b-2)建立如公式(2)所示的车轮动态子系统：

其中w_j为车轮角速度，I_wj和r_ej表示车轮的转动惯量和有效半径，T_j和δ_j为车轮力矩和转向角输入；

b-3)建立如公式(3)所示的理想路径跟踪动态子系统：

其中，ρ_ref为路径曲率，y_c为车辆质心到曲线中心的法向偏离，φ为车辆速度与路径切线方向的夹角；

c)建立如公式(4)所示的轮胎与路面间的摩擦力模型：

其中，k_s为轮胎踏面形变的衰减因子，μ_Res(·)为数量饱和函数，||S_j||为车轮滑移率幅值，χ为路面条件；