[发明专利]一种自动驾驶电动车在崎岖路面的横向控制方法

权利要求书

1.一种自动驾驶电动车在崎岖路面的横向控制方法，包括以下步骤：

步骤1：根据牛顿第二定律，对自动驾驶电动车进行动力学建模，建立自动驾驶电动车的动力学方程为：

其中，v_x(t)和v_y(t)分别为自动驾驶电动车在机体坐标系下的纵向速度和横向速度；y(t)为惯性坐标系下自动驾驶电动车的横向偏移；ψ(t)为自动驾驶电动车航向角；r(t)为自动驾驶电动车航向角速度；F_yf(t)和F_yr(t)分别为前后车轮横向受到的地面摩擦力；m为自动驾驶电动车质量；I_z为自动驾驶电动车在航向转动轴的转动惯量；l_f和l_r分别是自动驾驶电动车前后轮中心距离自动驾驶电动车重心的距离；定义轮胎横向受力公式：

其中α(t)为轮胎侧滑角，F_z(t)为轮胎受到的垂直于地面的作用力，C_α为轮胎侧偏刚度系数，μ为轮胎静摩擦力系数，为轮胎模型中的高阶次项，考虑轮胎受外力扰动，定义轮胎受路面变化或者路面颠簸而产生的额外力为F_{yf_pm}(t)和F_{yr_pm}(t)，那么前后车轮横向力F_yf(t)和F_yr(t)表示为：

F_yf(t)＝f_coupled(α_f(t)，F_zf(t))+F_{yf_pm}(t) (3)

F_yr(t)＝f_coupled(α_r(t)，F_zr(t))+F_{yr_pm}(t) (4)

将前后轮胎由相应侧滑角产生的高阶相力Ω(t)分别定义为F_Hot(α_f(t))和F_Hot(α_r(t))，整理轮胎侧向力方程为：

F_yf(t)＝-C_αfα_f(t)+F_Hot(α_f(t))+F_{yf_pm}(t，C_αf，μ)＝-C_αfα_f(t)+F_{yf_um}(t) (5)

F_yr(t)＝-C_αrα_r(t)+F_Hot(α_r(t))+F_{yr_pm}(t，C_αr，μ)＝-C_αrα_r(t)+F_{yr_um}(t) (6)

其中C_αf和C_αr分别为前后轮胎的侧偏刚度系数，α_f(t)和α_r(t)分别是前后轮胎的侧滑角，F_{yf_um}(t)和F_{yr_um}(t)分别为前后轮胎模型中未建模动态总和；α_f(t)和α_r(t)可以表示为：

其中δ(t)为自动驾驶电动车前轮转角；将方程(5)-(8)带入自动驾驶电动车动力学方程(1)，将自动驾驶电动车动力学方程(1)改写成：

令x₁(t)＝y(t)，x₂(t)＝v_y(t)，x₃(t)＝ψ(t)，x₄(t)＝r(t)，u(t)＝δ(t)，则自动驾驶电动车横线系统(9)表示为：

其中α₁＝v_x，

步骤2：基于步骤1建立的自动驾驶电动车横向系统，定义x_o1(t)＝x₄(t)，x_o2(t)＝f_un2(t)；针对航向角速度x₄(t)设计有限时间收敛扩张状态观测器，以实现对自动驾驶电动车横向系统中未建模动态的实时估计与补偿：

其中z₁(t)和z₂(t)分别是对系统状态量x_o1(t)及被扩张的状态x_o2(t)的观测值，e_s1(t)＝z₁(t)-x_o1(t)，e_s2(t)＝z₂(t)-x_o2(t)，β，β_o1，β_o2是扩张状态观测器可调增益，作用是在有限时间内实现对轮胎未建模动态的观测与补偿；

步骤3：设计非线性状态误差反馈控制器：

定义系统的状态误差：e_c1(t)＝x₁(t)-y_d(t)，e_c3(t)＝x₃(t)-ψ_d(t)，其中y_d(t)和ψ_d(t)分别为期望自动驾驶电动车横向位置与期望自动驾驶电动车航向角度，和分别是y_d(t)和ψ_d(t)关于时间的导数；

非线性误差反馈律u₀(t)为：u₀(t)＝k_p1e_c1(t)+k_d1e_c2(t)+k_p2e_c3(t)+k_d2e_c4(t)+k_n|e_c3(t)|^0.5sign(e_c3(t))，其中k_p1、k_p2、k_d1、k_d2和k_n为控制器增益；

非线性状态误差反馈控制器u为：

其中参数β₂决定了补偿的强弱，作为可调参数来处理；

在控制器中对系统的轮胎未建模动态进行补偿，将具有非线性特性的自动驾驶电动车横向系统转化成线性的积分串联型控制系统。