四轮独立驱动电动汽车路径跟踪鲁棒控制

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.02.010

摘要/Abstract

摘要：

针对四轮独立驱动电动汽车具有结构参数、外部干扰不确定性与非线性和过驱动等特征，提出了一种分层控制框架，以实现前轮转向与直接横摆力矩控制系统协同的车辆路径跟踪控制。首先，基于路径跟踪运动学模型，将车辆的路径跟踪问题转化为约束跟随问题；其次，设计了基于约束跟随的自适应鲁棒上层控制算法，该方法可以有效处理由模型不确定性和外部干扰引起的失配问题，并保证闭环系统的一致有界性和一致最终有界性；最后，设计了一种基于二次规划的下层分配算法满足所需的直接横摆力矩，并在Simulink-Carsim平台进行联合仿真。通过不同工况的仿真结果表明，所设计的自适应鲁棒控制算法具有良好的路径跟踪精度和鲁棒性。

关键词: 自动驾驶车辆, 车辆横向动力学, 路径跟踪控制, 直接横摆力矩控制, 鲁棒控制

Abstract:

For the characteristics of four-wheel independent drive electric vehicles， such as structural parameters， external disturbance uncertainty， nonlinearity， and over-drive， a hierarchical control framework is proposed to realize the vehicle path tracking control with the coordination of front wheel steering and direct yaw torque control system. Firstly， based on the path tracking kinematics model， the vehicle path tracking problem is transformed into a constrained following problem. Secondly， an adaptive robust upper-layer control algorithm based on constrained following is designed， which can effectively deal with the mismatch problem caused by model uncertainty and external disturbances， and guarantee the consistent boundedness and consistent ultimate boundedness of the closed-loop system. Finally， a quadratic programming-based lower-level allocation algorithm is designed to satisfy the required direct yaw moment. Co-simulation is conducted on the Simulink-Carsim platform. The simulation results of different working conditions show that the designed adaptive robust control algorithm has good path tracking accuracy and robustness.

Key words: autonomous vehicle, vehicle lateral dynamics, path following control, direct yaw moment control, robust control

张新荣,谭宇航,贾一帆,黄晋,许权宁. 四轮独立驱动电动汽车路径跟踪鲁棒控制[J]. 汽车工程, 2023, 45(2): 253-262.

Xinrong Zhang,Yuhang Tan,Yifan Jia,Jin Huang,Quanning Xu. Robust Control of Path Tracking for Four-Wheel Independent Drive Electric Vehicles[J]. Automotive Engineering, 2023, 45(2): 253-262.

图/表 10

图1

图2

图3

表1

车辆模型部分参数"

变量	数值	变量	数值
m	1 410 kg	t	1.675 m
L	2.91 m	h	0.54 m
$l f$	1.015 m	$C f$	110 000 N/rad
$l r$	1.895 m	$C r$	110 000 N/rad
I_z	1 536.7 kg·m²	$r w$	0.325 m

表1

图4

表2

图5

图6

图7

表3

参考文献 20

1	GUO J， LUO Y， LI K. An adaptive hierarchical trajectory following control approach of autonomous four-wheel independent drive electric vehicles［J］. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems， 2017， 19（8）： 2482-2492.
2	CHU Z， SUN Y， WU C， et al. Active disturbance rejection control applied to automated steering for lane keeping in autonomous vehicles［J］. Control Engineering Practice， 2018， 74： 13-21.
3	NAM H， CHOI W， AHN C. Model predictive control for evasive steering of an autonomous vehicle［J］. International Journal of Automotive Technology， 2019， 20（5）： 1033-1042.
4	HANG P， CHEN X， LUO F. LPV/ H ∞ controller design for path tracking of autonomous ground vehicles through four-wheel steering and direct yaw-moment control［J］. International Journal of Automotive Technology， 2019， 20（4）： 679-691.
5	GUO J， HU P， LI L， et al. Design of automatic steering controller for trajectory tracking of unmanned vehicles using genetic algorithms［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2012， 61（7）： 2913-2924.
6	WANG R， HU C， YAN F， et al. Composite nonlinear feedback control for path following of four-wheel independently actuated autonomous ground vehicles［J］. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems， 2016， 17（7）： 2063-2074.
7	XU S， PENG H. Design， analysis， and experiments of preview path tracking control for autonomous vehicles［J］. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems， 2019， 21（1）： 48-58.
8	邹渊，郭宁远，张旭东，等.分布式电驱动车辆力矩分配控制研究现状综述［J］.中国公路学报，2021，34（9）：1-25.
	ZOU Y， GUO N Y， ZHANG X D， et al. Review of torque allocation control for distributed-drive electric vehicles［J］. China J. Highw. Transp，2021，34（9）：1-25.
9	DING S， LIU L， ZHENG W X. Sliding mode direct yaw-moment control design for in-wheel electric vehicles［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2017， 64（8）： 6752-6762.
10	YUE S， FAN Y. Hierarchical direct yaw-moment control system design for in-wheel motor driven electric vehicle［J］. International Journal of Automotive Technology， 2018， 19（4）： 695-703.
11	李刚，宗长富，陈国迎，等.线控转向四轮独立驱动电动车的AFS/DYC集成控制［J］.华南理工大学学报（自然科学版），2012，40（3）：150-155.
	LI G， ZONG C F， CHEN G Y， et al. AFS/DYC integrated control for steer-by-wire 4WD electric vehicles［J］. Journal of South China University of Technology （ Natural Science Edition），2012，40（3）：150-155.
12	GUO J， LUO Y， LI K， et al. Coordinated path-following and direct yaw-moment control of autonomous electric vehicles with sideslip angle estimation［J］. Mechanical Systems and Signal Processing， 2018， 105： 183-199.
13	杭鹏，陈辛波，张榜，等.四轮独立转向-独立驱动电动车主动避障路径规划与跟踪控制［J］.汽车工程，2019，41（2）：170-176.
	HANG P， CHEN X B， ZHANG B， et al. Path planning and tracking control for collision avoidance of a 4WIS-4WID electric vehicle［J］. Automotive Engineering，2019，41（2）：170-176.
14	张雷，赵宪华，王震坡. 四轮轮毂电机独立驱动电动汽车轨迹跟踪与横摆稳定性协调控制研究［J］. 汽车工程， 2021， 42（11）： 1513-1521.
	ZHANG L， ZHANG X H， WANG Z P. Study on coordinated control of trajectory tracking and yaw stability for autonomous four-wheel-independent-driving electric vehicles［J］. Automotive Engineering， 2021， 42（11）： 1513-1521.
15	王姝，张海川，赵轩，等.融合稳定性的分布式驱动电动汽车路径跟踪控制策略研究［J/OL］.中国机械工程：1-13［2022-08-26］.
	WANG S， ZHANG H C， ZHAO X， et al. Research on path tracking control method of the distributed drive electric vehicle with integrated stability［J/OL］. China Mechanical Engineering：1-13［2022-08-26］.
16	UDWADIA F E. A new perspective on the tracking control of nonlinear structural and mechanical systems［J］. Proceedings of the Royal Society of London. Series A： Mathematical， Physical and Engineering Sciences， 2003， 459（2035）： 1783-1800.
17	CHEN Y H， ZHANG X. Adaptive robust approximate constraint-following control for mechanical systems［J］. Journal of the Franklin Institute， 2010， 347（1）： 69-86.
18	UDWADIA F E， KALABA R E. Analytical dynamics［M］. 1996.
19	YU R， CHEN Y H， ZHAO H， et al. Self-adjusting leakage type adaptive robust control design for uncertain systems with unknown bound［J］. Mechanical Systems and Signal Processing， 2019， 116： 173-193.
20	梁艺潇，李以农，郑玲. 基于转向与主动横摆力矩协调的四轮驱动智能电动汽车路径跟踪控制［J］. 机械工程学报， 2021， 57（6）： 142-155.
	LIANG Y X， LI Y N， ZHENG L. Path following control for four-wheel drive electric intelligent vehicle based on coordination between steering and direct yaw moment system［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2021， 57（6）： 142-155.

指标	控制器1	控制器2
横向误差均方根	0.023 4	0.043 3
横向误差最大值	0.079 9	0.141 4
横摆角误差均方根	0.004 4	0.016 3
横摆角误差最大值	0.019 0	0.062 4

指标	控制器1	控制器2
横向误差均方根	0.031 1	0.037 7
横向误差最大值	0.056 4	0.085 0
横摆角误差均方根	0.008 7	0.012 3
横摆角误差最大值	0.017 2	0.023 5

[1]	边有钢,张田田,谢和平,秦洪懋,杨泽宇. 车辆队列抗扰抗内切协同路径跟踪控制[J]. 汽车工程, 2023, 45(8): 1320-1332.
[2]	吴其林,林育明,崔峥嵘,赵晓敏. 基于层级约束的多无人车编队包含控制[J]. 汽车工程, 2023, 45(8): 1333-1342.
[3]	李军, 周伟, 唐爽. 基于自适应拟合的智能车换道避障轨迹规划[J]. 汽车工程, 2023, 45(7): 1174-1183.
[4]	吕颖,祁旭,刘秋铮,王鑫煜,陈国迎. 考虑转向延迟特性的自动驾驶车辆路径跟踪控制方法[J]. 汽车工程, 2023, 45(12): 2234-2241.
[5]	兰凤崇,刘迎节,陈吉清,刘照麟. 基于动态博弈算法的切入场景下自动驾驶车辆运动规划研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(1): 9-19.
[6]	胡满江,卜令坤,秦洪懋,周岩,边有钢,孙宁,郑讯佳. 多类时延下混合车辆队列建模与协同控制[J]. 汽车工程, 2022, 44(9): 1359-1371.
[7]	赵越,胡纪滨,吴维,魏超. 无人车全轮蟹行转向稳定性鲁棒控制与试验验证[J]. 汽车工程, 2022, 44(8): 1126-1135.
[8]	蒋渊德,朱冰,赵祥模,赵健,郑兵兵. 面向自动驾驶汽车测试的交通车辆交互过程建模[J]. 汽车工程, 2022, 44(12): 1825-1833.
[9]	陈路明,廖自力,张征. 多轮分布式电驱动车辆双重转向分层控制系统设计[J]. 汽车工程, 2021, 43(9): 1383-1393.
[10]	张家旭,王晨,赵健. 基于改进人工势场法的汽车弯道超车路径规划与跟踪控制[J]. 汽车工程, 2021, 43(4): 546-552.
[11]	王荣,孙亚夫,宋娟. 自动驾驶车辆道路测试场景评价方法与试验验证[J]. 汽车工程, 2021, 43(4): 620-628.
[12]	唐晓峰, 杨林, 袁静妮. 基于高斯伪谱法的自动驾驶车辆状态研究^*[J]. 汽车工程, 2020, 42(5): 567-573.
[13]	赵治国, 范佳琦, 蒋蓝星, 唐旭辉, 付靖. 复合功率分流系统发动机起动H_∞鲁棒优化控制^*[J]. 汽车工程, 2020, 42(4): 417-424.
[14]	杨泽宇, 黄晋, 胡展溢, 谢国涛, 钟志华. 严格避撞的车辆队列分布式鲁棒控制^*[J]. 汽车工程, 2020, 42(10): 1312-1319.
[15]	李茹, 马育林, 田欢, 孙川. 基于熵值和G1法的自动驾驶车辆综合智能定量评价^*[J]. 汽车工程, 2020, 42(10): 1327-1334.