[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

说明书

本发明提供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：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横向系统；针对航向角速度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；设计非线性状态误差反馈控制器：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。

技术领域：

本发明属于自动驾驶电动车控制领域，具体涉及一种自动驾驶电动车在崎岖路面的横向控制方法。

背景技术：

近年来电动汽车因能源清洁、安全可靠、驾驶品质好等优势，广泛应用于许多行业，如公共交通、矿业勘探和智能城市等。为了实现电动汽车优越的性能，除了感知和规划方向外，运动控制是自动驾驶研究方向中最重要的考虑因素之一。由于轮胎模型中存在许多非线性和参数不确定性，并且车辆轮胎模型中的最大轮胎-路面摩擦系数和转弯刚度不能适用于所有道路情况，电动车的数学模型很难被精确建立。此外，由于技术和经济的限制，车辆控制系统很难使用传感器直接获得轮胎路面之间的作用力。因此，设计一个电动车横向控制算法时，对这些电动车模型中无法确定的动态的处理显得尤为重要。

对于存在未建模轮胎动态的电动车横向系统，使用扩展状态观测器(ESO)和非线性控制器去可以实现对该系统的精确轨迹跟踪控制。ESO可有效地估计电动车横向系统中未建模的轮胎动态，并将这部分观测出的轮胎动态在非线性控制器中进行补偿。通过ESO与非线性控制器的结合，可以有效减小控制器对于模型的依赖，从而提高电动车横向系统的控制精度与鲁棒性。本发明采用有限时间收敛ESO与非线性控制器算法，不仅控制器与观测器结构简单，而且参数容易整定，能够实现对自动驾驶电动车横向系统的高精度轨迹跟踪控制。

发明内容：

本发明的目的是针对自动驾驶电动车横向系统中轮胎未建模动态，提出一种基于有限时间收敛扩张状态观测器与非线性控制的算法，从而实现对自动驾驶电动车横向系统的高精度轨迹跟踪控制。技术方案如下：

本发明是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)为惯性坐标系下电动车的横向偏移；ψ(t)为电动车航向角；r(t)为电动车航向角速度；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为电动车质量；I_z为电动车在航向转动轴的转动惯量；l_f和l_r分别是电动车前后轮中心距离电动车重心的距离。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)可表示为：

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