考虑转向延迟特性的自动驾驶车辆路径跟踪控制方法

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.12.005

摘要/Abstract

摘要：

自动驾驶路径跟踪系统是实现L2级以上自动驾驶的重要支撑技术。线控转向系统存在的延迟响应特性会降低路径跟踪控制器的鲁棒性和控制精度，甚至在高车速下存在失稳现象。针对以上问题本文设计了前馈加有限时域全状态反馈的误差跟踪控制架构，在此基础上将转向系统延时作为1阶惯性环节进行模型化表达，并作为状态变量增广融合到误差跟踪控制架构中。本文利用联合仿真试验对提出的跟踪控制器进行了对比验证，验证结果证明本文提出的控制器在直角弯道和高速换道场景下，最大横向误差小于0.3 m，转向盘的转角均方差分别降低1.93%和64.22%。最后的实车试验结果表明，本文提出的控制器在高速换道场景下能够有效提升横向控制精度，最大横向误差小于0.11 m。

关键词: 自动驾驶车辆, 路径跟踪, 转向延迟, 全状态反馈, 惯性环节

Abstract:

The automatic driving path tracking system is an important supporting technology for realizing automatic driving above L2 level. The delayed response characteristic of the linear steering system reduces the robustness and control accuracy of the path-tracking controller， with even instability at high speed. For the above problems， an error tracking control architecture with feedforward plus finite time domain full state feedback is designed in this paper， on the basis of which the steering system delay is modeled as a first-order inertial link and integrated into the error tracking control architecture as a state variable augmentation. In this paper， the proposed tracking controllers are compared and validated using joint simulation tests， and the validation results show that the maximum lateral error of the proposed controllers is less than 0.3 m in the right-angle corner and high-speed lane change scenarios， and the steering wheel's rotational angle rms variance is reduced by 1.93% and 64.22%， respectively. The final results of the real-vehicle tests show that the controller proposed in this paper can effectively improve the lateral control accuracy in the high-speed lane-changing scenario， with the maximum lateral error less than 0.11 m.

Key words: autonomous vehicles, path tracking, steering lag, full state feedback, inertial element

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图/表 17

图1

图2

图3

表1

仿真平台主要车辆参数"

参数	数值
整车质量 $m / k g$	2 115
前轴到质心距离 $l f / m$	1.406
后轴到质心距离 $l r / m$	1.334
绕 $z$ 轴转动惯量 $I z / (k g ? m 2)$	3 996.7
前轮侧偏刚度 $c f / (N ? r a d - 1)$	160 000
后轮侧偏刚度 $c r / (N ? r a d - 1)$	160 000
转向传动比 $? i$	16.2
延迟时间 $τ$ /ms	250

表1

图4

图5

图6

图7

图8

图9

表2

图10

表3

实车平台主要车辆参数"

参数	数值
整车质量 $m / k g$	2 634
前轴到质心距离 $l f / m$	1.660
后轴到质心距离 $? l r / m$	1.449
绕 $z$ 轴转动惯量 $? I z / (k g ? m 2)$	4 114.2
前轮侧偏刚度 $c f / (N ? r a d - 1)$	216 000
后轮侧偏刚度 $c r / (N ? r a d - 1)$	216 000
转向传动比 $? i$	16.26

表3

图11

图12

图13

图14

参考文献 17

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试验工况	行驶车速	是否考虑转向延迟特性	最大横向偏差	转向盘转角均方差	均方差改变量
直角弯	4.2 m/s	否	0.33 m	52.341 7	1.93%
直角弯	4.2 m/s	是	0.27 m	51.333 0	1.93%
高速换道	13.9 m/s	否	0.09 m	6.662 8	62.22%
高速换道	13.9 m/s	是	0.035 m	2.384 0	62.22%

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