作者 | 郭旭東、楊世春

來源 | 智能汽車開發(fā)者平臺

1 引言

車輛智能化是汽車行業(yè)新的發(fā)展方向，其中自動(dòng)駕駛是為了實(shí)現(xiàn)高度智能化的交通系統(tǒng)。對于自動(dòng)駕駛車輛，為了增加其主動(dòng)安全性，越來越多的車輛采用四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，所以在轉(zhuǎn)向時(shí)對規(guī)劃路徑進(jìn)行精確跟蹤與四輪的協(xié)同控制是自動(dòng)駕駛領(lǐng)域亟待解決的新的問題。

對于有四輪轉(zhuǎn)向(4WS)功能的自動(dòng)駕駛特種車輛和高級乘用車，傳統(tǒng)的控制方法如預(yù)瞄-跟蹤模型、前饋反饋控制等只是基于系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，很少建立精確的車輛動(dòng)力學(xué)模型，也沒有考慮車輛在高速工況下的動(dòng)力學(xué)非線性約束條件。即使有些控制方法考慮了車輛模型，但大多是基于輪胎小角度假設(shè)建立的，當(dāng)高速工況下輪胎側(cè)偏角較大輪胎進(jìn)入非線性區(qū)域時(shí)這種控制方法就會喪失穩(wěn)定性，難以實(shí)現(xiàn)精確的路徑跟蹤效果。

基于以上自動(dòng)駕駛4WS車輛的控制難題，本文將基于車輛動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)線性時(shí)變模型預(yù)測算法,利用其滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正的特性，來減小路徑跟蹤過程中的誤差。另外，基于實(shí)際的輪胎側(cè)偏特性，構(gòu)造了權(quán)系數(shù)線性最優(yōu)二次型算法對后輪轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制，從而滿足4WS自動(dòng)駕駛車輛 的高速下路徑跟蹤過程中的平順性和操縱穩(wěn)定性需求，對模型預(yù)測算法和最優(yōu)控制理論應(yīng)用在自動(dòng)駕駛運(yùn)動(dòng)規(guī)劃領(lǐng)域 提供重要的使用價(jià)值和理論研究意義。

2 車輛側(cè)向動(dòng)力學(xué)建模

汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的穩(wěn)定性主要取決于側(cè)傾和橫擺兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。本文研究目標(biāo)是車輛快速穩(wěn)定地進(jìn)行路徑跟蹤，屬于車輛操縱穩(wěn)定性問題，因此在建模時(shí)不考慮車輛的側(cè)傾運(yùn)動(dòng)，建立車輛模型如圖1所示。

圖1 車輛單軌模型

在圖1中，坐標(biāo)系。秒Z為車輛坐標(biāo)系，坐標(biāo)系OXY為大地坐標(biāo)系。假設(shè)車輛模型為單軌模型，即只考慮車輛橫向、縱向和橫擺運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過受力分析，四輪轉(zhuǎn)向模型如下：