基于参考向量场的车辆队列二维跟踪控制算法

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.07.002

摘要/Abstract

摘要：

当车辆队列的应用场景从一维拓展至二维时，纵向间距保持与横向跟踪控制之间将出现显著的耦合效应。在高速工况下，忽视纵横向跟踪功能的耦合效应将导致跟踪误差变大，甚至造成车辆失稳。为解决上述问题，本文中提出了一种车辆队列纵横向耦合跟踪控制算法，通过构建基于纵向间距和横向参考轨迹的参考向量场获得期望速度矢量，采用哈密尔顿函数获得车辆上层运动控制需求的期望总力和总力矩；同时，提出一种基于伪逆矩阵的控制分配算法，将期望总力和总力矩在有约束的物理环境下分配至各个车轮，在保证分配精度的前提下提高了实时性。仿真和实验结果表明，本文提出的纵横向耦合跟踪控制算法能有效完成二维场景下的车辆队列运动控制，实现队列的安全、高效的协同驾驶。

关键词: 车辆队列, 二维场景, 参考向量场, 哈密尔顿函数, 跟踪控制算法

Abstract:

When the operation scene of the vehicle platoon extends from 1D to 2D， a significant coupling effect will appear between the longitudinal spacing maintenance and lateral tracking control. In high speed conditions， the ignorance of the coupling effect will lead to large tracking error and even instability. To solve this problem， a longitudinal and lateral coupling tracking control algorithm for vehicle platoon is proposed in this paper. By constructing a reference vector field based on the longitudinal spacing and lateral reference trajectory， the desired velocity vector can be obtained， and the Hamiltonian function is used to calculate the desired total forces and total moment the upper?layer motion controller of vehicle required； Meanwhile， a pseudo?inverse matrix?based control allocation algorithm is put forward to distribute the desired total forces and total moment to each wheel under constrained physical environment， enhancing the real time performance while ensuring allocation accuracy. The results of simulation and experiment show that the longitudinal and lateral coupling tracking control algorithm proposed can effectively fulfill the movement control of vehicle platoon under 2D scenes， achieving the safe， high efficient cooperated driving of vehicle platoon.

Key words: vehicle platoon, two?dimensional scene, reference vector field, Hamilton function, tracking control algorithm

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图/表 16

图 1

图 2

图 3

图 4

表 1

控制器关键参数"

参数	含义	数值
N_p	MPC预测步长	50
N_c	MPC控制步长	4
T	仿真步长	0.01 s
$Q$	HRVF状态权重矩阵（对角）	10 000，10 000，30
$R$	HRVF控制权重矩阵（对角）	1，1，1
T_pre	HRVF预瞄时间	0.05 s

表 1

图 5

图 6

表 2

图 7

图 8

图 9

图 10

表 3

图 11

图 12

图 13

参考文献 28

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控制分配算法	时间复杂性	轮胎利用率/%
控制分配算法	事后法	平均	最大
线性二次规划	1.720 56 sec/sim. sec	27.192 2	99.57
直接伪逆	1.052 62 sec/sim. sec	28.892 3	100

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