[发明专利]一种弯路换道轨迹的跟踪控制方法

摘要

本发明属于安全辅助驾驶与智能控制领域，公开了一种弯路换道轨迹的跟踪控制方法，首先进行换道轨迹规划，其次将换道轨迹规划中期望的车辆位姿作为运动学控制器的参考状态，然后将上述运动学控制器的控制输入作为动力学控制器的参考状态，最后分析由运动学控制器和动力学控制器组成的双闭环结构控制系统的稳定性。本发明避免了只利用车辆运动学控制器实现轨迹跟踪的局限性，设计了动力学控制器，提高实际研究价值；从车辆纵向速度变化对换道轨迹的影响和内外侧车道曲率的差别等角度出发，提高弯路换道轨迹规划的准确性，采用基于双闭环结构的控制器，能够保证跟踪误差全局一致有界收敛，提高跟踪误差的收敛速度和对时变参数不确定性的强鲁棒性。

主权项

1.一种弯路换道轨迹的跟踪控制方法，其特征在于，制定换道控制规律对已规划的安全换道轨迹进行实时跟踪控制，包括以下步骤：步骤1：换道轨迹规划，即参考直线道路上的车辆换道，设计弯路上的期望换道轨迹，包括以下子步骤：步骤1.1：采用基于正反梯形横向加速度的运动轨迹规划方法，该方法从换道车辆的横向加速度出发，认为加速度的形状由两个大小相等的正反梯形组成，用公式表示为： 其中，J_max为期望横向加速度率的最大值，u(t)为单位阶跃函数，t₀为换道开始时刻，t₅为换道结束时刻；步骤1.2：假设t₀为换道开始时刻，t₅为换道结束时刻，换道过程为t₀~t₂车辆从外车道换向内车道，t2~t3车辆沿内车道匀速行驶，t3~t5车辆从内车道换向外车道；步骤1.3：在t时刻，计算世界坐标系Oxy下车辆质心的期望运动状态，得到期望的车辆位姿，包括：步骤1.3.1：沿x轴期望的位移、速度和加速度的计算公式分别为： ；步骤1.3.2：沿y轴期望的位移、速度和加速度的计算公式分别为：；步骤1.3.3：期望的横摆角和横摆角速度的计算公式分别为：其中：R为外车道中心线曲率半径为常数；为车辆纵向加速度；y_d(t)为车辆驶向目的车道的横向位移；为期望的横向速度；α为车辆质心绕道路瞬心转过的角度；此步骤的作用是基于直线道路上的轨迹规划结果，对圆弧形弯路上的换道轨迹进行规划，包括两种情况，从外车道换向内车道和从内车道换向外车道；步骤2：将换道轨迹规划中期望的车辆位姿作为运动学控制器的参考状态，根据运动学控制器，即外环控制器，确定有界控制输入，即车辆运行速度，包括：线速度和横摆角速度，实现对车辆参考位姿的有效跟踪，包括以下子步骤：步骤2.1：在以车辆为参考的局部坐标系Mij下，设定系统任意初始误差p_e=[x_ey_eθ_e]^T；步骤2.2：根据运动学控制律其中，k₁，k₂，k₃，k₄均为正实数；δ>0；v_r为参考线速度；v_c为期望线速度；w_r为参考角速度； w_c为期望角速度；p_e=[x_ey_eθ_e]^T为局部坐标系下车辆运动的位姿误差；确定有界控制输入，跟踪局部坐标系下的车辆参考位姿p_r=[x_r y_rθ_r]^T，从而实现时；其中，p为车辆当前位姿；p_r为局部坐标系下车辆参考位姿；步骤2.3：系统控制信号期望线速度和角速度输入车载微处理器，操纵系统自动控制模块的运动学控制器作用，使得车辆当前位姿p趋近于车辆期望位姿p_r；此步骤的作用是为动力学控制器提供参考的线速度和横摆角速度；步骤3：将步骤2中运动学控制器的控制输入作为动力学控制器的参考状态，根据动力学控制器，即内环控制器，确定有界控制输入，即车辆运行速度，包括：线速度和横摆角速度，实现对车辆参考位姿的有效跟踪，包括以下子步骤： 步骤3.1：车辆当前车速v由车载传感器测得，与车辆期望运行速度v_c同时输入车载微处理器；步骤3.2：根据动力学控制律其中，ρ₁，ρ₂是大于0的常数；κ>0与步长时间有关；s为滑模曲面函数；c为正定矩阵；为与系统状态变量有关的矩阵；为阻力和侧偏力矩阵；u为车辆实际运行速度；u_c为参考车速；τ为有界控制输入；确定有界控制输入，跟踪车辆期望运行速度，从而实现时；其中，v为车辆实际运行速度；v_c为车辆期望运行速度；步骤3.3：系统控制信号驱动/制动力和前轮转向角输入车载微处理器，操纵系统自动控制模块的动力学控制器作用，使得当前车速v趋近于车辆期望运行速度v_c；此步骤的作用是通过车辆的控制输入，包括驱动/制动力和前轮转向角，控制车辆当前的运行速度以实现对车辆运行参考速度的跟踪；步骤4：分析由运动学控制器和动力学控制器组成的双闭环结构控制系统的稳定性； 步骤4.1：选择Lyapunov方程V_s=V₁+V₂，求导得；步骤4.2：将运动学控制规律和动力学控制规律分别代入和，即：其中，k₁，k₂，k₃，k₄为大于零的常数，且与系统控制性能直接相关；δ>0；κ>0与步长时间有关；ρ₁，ρ₂是大于0的常数；s为滑模曲面函数；v_c为期望线速度；w_c为期望角速度；为虚拟误差变量；y_e为横向位移偏差；θ_e为横摆角偏差；F_x，δ_f分别为车辆的驱动/制动力和前轮转向角；对于有，根据Lyapunov判据可知系统稳定，实现弯路换道轨迹的跟踪控制。