非结构化道路下离轴式拖挂车辆主动避障控制研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.12.014

摘要/Abstract

摘要：

为实现离轴式拖挂车辆在非结构化道路下的主动避障，提出一种基于拖挂车辆模型预测控制的主动避障控制器，且无须全局路径与路径跟踪器支持。首先，基于刚体运动学和非完整约束建立挂接全挂车的拖挂系统运动学模型，并对其运动特性分析与验证。其次，根据拖挂系统运动学模型建立离轴式拖挂车辆的预测模型。最后，提出一种无须全局路径支持，且满足拖挂车辆转弯避碰的惩罚函数，并针对拖挂系统的安全性与稳定性设计目标函数，采用非线性求解器对目标函数优化，将优化输出离散控制序列作用于拖挂系统。仿真与实车实验表明，离轴式拖挂系统主动避障控制器能使拖挂车辆在满足剪切碰撞约束的前提下安全避障，且全挂车避障路径与非避障最短路径的横向误差及航向误差均能收敛。

关键词: 离轴式拖挂车辆, 非结构化道路, 模型预测控制, 主动避障, 全挂车

Abstract:

To achieve active obstacle avoidance of off axis-towed vehicles on unstructured road， an active obstacle avoidance controller based on model predictive control （MPC） without the support of global path and path tracker is proposed. Firstly， a kinematic model of the towing system for coupling fuller trailer based on rigid-body kinematics and incomplete restraints is established， and its motion characteristics are analyzed and verified. Secondly， according to the kinematic model of the trailer system， the prediction model of the off-axle trailer vehicle is established. Finally， a penalty function for turning collision avoidance without global path support is proposed， and an objective function is designed for the safety and stability of the trailer system， which is optimized by a nonlinear solver， with the optimal output discrete control sequence applied to the trailer system. Simulation and real vehicle experiments show that the active obstacle avoidance controller of the off-axis towing system can make the towing vehicle avoid obstacles safely on the premise of meeting the shear collision constraint. Besides， lateral error and heading error of obstacle avoidance path and shortest non-obstacle avoidance path of full trailer can be reduced.

Key words: off-axle type trailer, unstructured road, MPC, active obstacle avoidance, full trailer

胡丹丹,尹鹏飞,牛国臣,赵金聚. 非结构化道路下离轴式拖挂车辆主动避障控制研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(12): 2318-2329.

Dandan Hu,Pengfei Yin,Guochen Niu,Jinju Zhao. Research on Active Obstacle Avoidance Control of Off-axis Trailing Vehicle on Unstructured Road[J]. Automotive Engineering, 2023, 45(12): 2318-2329.

图/表 30

图1

图2

图3

图4

表1

离轴式拖挂车辆参数"

参数

数值

牵引车轴距 $L 1 / m$

全挂车轴距 $L 3 / m$

牵引车后轴中点到铰接点距离 $M 1 / m$

全挂车前轴中点到铰接点距离 $L 2 / m$

牵引车宽 $d / m$

牵引车长 $l / m$

全挂车宽 $d r / m$

全挂车长 $l r / m$

最大前轮转角 $δ m a x / r a d$

最大剪切角 $Δ θ m a x / r a d$

最大加速度 $a m a x / (m · s - 2)$

2.49

1.90

0.60

1.30

1.66

3.63

2.20

3.20

0.39

2.198

1.00

表1

图5

图6

图7

图8

图9

图10

表2

拖挂系统及乘用车避障控制器参数"

参数

数值

预测时域 $N p$

控制时域 $N c$

控制器采样间隔T/s

正数 $ε$

障碍物碰撞膨胀距离r_s/m

障碍物半径r_o/m

$ω o$ 、 $ω p$ 、 $ω u$ 、 $ω d$

0.2

10^-6

0.3

0.7

10⁵、350、100、0.7

表2

图11

图12

图13

图14

图15

图16

图17

图18

图19

图20

表3

拖挂系统与主动避障控制器参数"

参数

数值