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

四轮独立转向-独立驱动电动车(4WIS-4WID EV)具有低速机动性强、高速稳定性好的特点,是一种理想的智能车构型。本文中针对4WIS-4WID EV进行了主动避障系统的设计,主要包括避障路径规划和跟踪控制。首先基于车辆运动学模型,提出了采用七次多项式的避障路径规划算法;然后基于简化2自由度车辆动力学模型,设计了模型预测路径跟踪控制器;为提高车辆主动避障过程中的操纵稳定性,路径跟踪控制算法采用四轮转向与直接横摆力矩控制技术。通过不同附着系数路面工况与侧风扰动工况仿真,验证了所设计的主动避障系统具有良好的避障能力和鲁棒性。     

基于模型预测的横摆和侧向稳定性控制

针对无人驾驶车辆路径跟踪过程中横摆和侧向稳定性控制,提出一种转向和制动的模型预测控制方案。控制方法基于3自由度车辆模型,控制目标是通过制动和转向的联合来跟踪期望路径。该控制方案依赖于非线性预测控制方法的预测功能,搭建基于MPC(Model Predictive Control,模型预测控制)的车辆主动转向和制动控制系统。通过Car Sim和Simulink联合仿真试验进行验证,证明所提出方法的有效性。     

分布式驱动电动汽车的近似最优转矩矢量控制

针对分布式驱动车辆系统非线性的特性,提出一种基于最优转矩矢量控制的车辆侧向稳定性控制系统。首先使用魔术公式轮胎模型实时估计轮胎力,搭建轮胎侧偏刚度变化的非线性车辆模型。接着借鉴近似线性二次型规划的最优控制思想,设计基于质心侧向加速度的增益可调的横摆转矩控制方法,并根据驱动电机峰值转矩和轮胎摩擦圆的约束条件进行转矩矢量分配。最后进行Car Sim和Lab VIEW联合仿真和硬件在环实验。结果表明,控制系统能对车辆进行有效的实时控制,在显著改善车辆稳定性的同时不严重影响车辆的纵向性能。     

分布式驱动电动汽车的近似最优转矩矢量控制EI北大核心CSCD

针对分布式驱动车辆系统非线性的特性,提出一种基于最优转矩矢量控制的车辆侧向稳定性控制系统。首先使用魔术公式轮胎模型实时估计轮胎力,搭建轮胎侧偏刚度变化的非线性车辆模型。接着借鉴近似线性二次型规划的最优控制思想,设计基于质心侧向加速度的增益可调的横摆转矩控制方法,并根据驱动电机峰值转矩和轮胎摩擦圆的约束条件进行转矩矢量分配。最后进行Car Sim和Lab VIEW联合仿真和硬件在环实验。结果表明,控制系统能对车辆进行有效的实时控制,在显著改善车辆稳定性的同时不严重影响车辆的纵向性能。     

基于Radau伪谱法的汽车高速紧急换道避障最优控制策略设计

针对汽车高速紧急换道避障轨迹规划与跟踪控制问题,提出一种基于Radau伪谱法的汽车高速紧急换道避障最优控制策略。首先,采用汽车运动学与动力学模型相结合的方式将汽车高速紧急换道避障轨迹规划和跟踪控制问题转换成汽车高速紧急换道避障最优控制问题,再通过Radau伪谱法将其转化为非线性规划问题,从而直接得到汽车高速紧急换道避障轨迹规划和跟踪控制问题的最优解,即:目标轮胎纵向滑移率和目标前轮转向角速度。随后,采用离散滑模变结构控制理论设计了对参数摄动和外界干扰具有强鲁棒性的车轮滑移率自适应滑模跟踪控制律,实现目标轮胎纵向滑移率的跟踪控制。最后,基于高精度的车辆动力学软件构建模型在环仿真系统,验证所提控制策略的可行性和有效性。     

基于MPC的分布式驱动越野车辆原地转向控制研究

针对轮毂电机分布式驱动越野车辆在狭小空间快速机动的需求,设计了一种分层结构的原地转向控制策略。基于动力学原理分析了各轮载荷、附着条件对原地转向横摆速度的影响机理,并搭建原地转向运动学模型,上层采用模型预测控制算法设计原地转向理想轨迹以及期望的横摆角速度,开发基于PI滑模控制的横摆运动跟踪算法,通过补偿转向横摆力矩以提高方向角控制的鲁棒性和稳定性,下层以最优轮胎利用率为目标,设计二次规划算法优化分配各轮附加横摆力矩。dSPACE硬件在环测试结果表明,所提出的控制算法可在保证稳定性的前提下实现原地转向,大幅提高了车辆的转向机动性,在方向盘动态输入仿真中,车辆最大转弯半径为0.157 m,转向中心的最大偏移量为3.610 m;同时,驾驶员能对转向过程进行闭环控制,实现了原地转向过程中横摆速度的实时调节。     

基于轮胎合力计算与分配的车辆横向稳定性控制研究

鉴于轮胎合力计算与分配算法只适用于四轮独立制动/驱动和四轮独立转向车辆,以及路面附着系数对轮胎纵向合力和横摆力矩可实现范围的限制,提出一种对轮胎纵向合力和横摆力矩进行实时计算调整和动态分配的车辆横向稳定性控制策略。针对线性反馈计算的误差,采用离线数值优化和非线性规划方法实时确定轮胎纵向合力和横摆力矩的可实现范围,将计算的合力和力矩调整至可实现范围内并进行动态分配。设计滑移率和前轮侧偏角控制器使轮胎摩擦力跟踪各分力,在保证精度的同时避免对车辆后轮侧向力的估计。最后进行了仿真分析与基于LabVIEW PXI和veDYNA的驾驶员在环试验验证。结果表明,基于合力计算与分配的车辆横向稳定性控制可有效地提高车辆轨迹保持能力,改善低附着路面上车辆的稳定性,控制效果优于滑模变结构控制。     

全轮独立电驱动车辆双重转向控制策略的研究

为全轮独立电驱动车辆提出一种双重转向的控制策略,设计了双重转向的总体控制结构.它是包括三自由度参考车辆模型、横摆力矩确定层和转矩分配层的分层控制体系.在横摆力矩确定层中,设计了基于PID的横摆力矩控制策略;在转矩分配层中,设计了基于纵向驱动力总和不变的转矩分配策略.在此基础上,开发了双重转向控制策略仿真平台,进行了仿真分析和实车试验,试验结果与仿真结果吻合度较高,表明所提出的双重转向控制策略对减小车辆转向半径有明显效果.     

紧急避障工况下的分布式驱动电动汽车稳定性控制

为了提高紧急避障工况下分布式驱动电动汽车的稳定性,提出了一种基于纵向力优化的转矩分配策略。控制器采用分层控制:在上层控制器中,根据纵向力的需求,基于线性二次型控制算法计算出控制横摆角速度与质心侧偏角所需的附加横摆力矩;在下层控制器中,考虑各约束条件,将计算出的附加横摆力矩合理地分配给各轮。分别利用CarSim和MATLAB/Simulink搭建整车模型和控制策略模型,进行联合仿真。仿真结果表明,所提出的转矩分配策略可以有效地保证车辆的稳定性,同时通过减少制动力在主动安全控制中的参与范围,起到减少能量损耗的作用。     

分布式驱动电动汽车转向工况转矩分配控制研究

针对分布式驱动车辆转向工况在低速下期望提高转向机动性能,高速下期望保证行驶稳定性的需求,充分考虑转向行驶内外侧车轮的转向关系以及车辆动力学,制定了适应车速变化的四轮转矩分配策略,建立了四轮轮毂电机驱动模型以及二自由度参考模型。为了改善分布式驱动转向机动性能,建立自抗扰控制器调整内外侧车轮转矩,形成合理的转速差,减小转向半径,以提高转向机动性;对于高速转向行驶稳定性的需求,通过二次规划方法优化分配各车轮驱动力矩,分析轮胎纵横向附着裕度建立目标函数,并加入附加横摆力矩和路面附着力的限制,进行车轮驱动转矩的在线优化分配,提高车辆转向行驶的稳定性;另外为避免2种控制模式转换时驱动转矩突变,根据车速和稳定性参数制定模糊规则决策2种模式的协调系数,保证2种控制模式的平滑过渡。基于CarSim和MATLAB/Simulink进行联合仿真,并搭建硬件在环平台进行试验,对所提出的方法进行验证。结果表明：在低速转向工况下,提出的分配策略能够调节内外侧车轮产生差速效果,与转矩平均分配的策略相比,转向半径有所减小,提高车辆机动性;高速转向工况下,分配策略能够保证车辆稳定转向,与未考虑稳定性控制的分配策略相比,能更好地跟踪目标轨迹,且横摆角速度控制在参考横摆角速度附近,证明了所提控制策略的有效性。     

基于遗传算法优化的双向垂直泊车路径规划

为了解决1段弧式垂直泊车对于泊车空间要求高的问题,本文中基于Ackerman转向原理建立了车辆前轮转向运动学模型。分析了泊车过程可能发生的碰撞问题并划分了垂直泊车起始区域,在此基础上规划了一种双向的3段弧泊车路径,并用遗传算法对规划的路径进行优化,在Matlab/Simulink中搭建仿真模型,对优化前后的路径进行仿真分析。结果表明所规划的3段弧路径能使车辆准确无误地停到目标车位,通过实车试验进一步验证了所提出的泊车路径规划方法的有效性和安全性。     

基于广义Sigmoid函数的车辆紧急转向避障策略研究

为提高无人车在紧急转向避障时的高效性和安全性,提出了一种基于广义Sigmoid函数的车辆紧急转向避障策略。首先,在Sigmoid函数基础上,引入米塔-列夫勒(Mittag-Leffler)函数,提出了一种广义Sigmoid函数。然后,研究了广义Sigmoid函数参数变化对避障路径的影响,并提出新的代价函数作为车辆紧急避障时选取路径的指标。接着,为了验证广义Sigmoid函数的效果,提出改进的Stanley轨迹跟踪器跟踪生成的紧急避障路径。最后,搭建三自由度车辆模型进行仿真。结果表明,相比于传统的Sigmoid函数,提出的广义Sigmoid函数能够提供更优的避障路径,且在改进Stanley算法下,车辆的动态响应效果更好。     

基于模型预测控制的智能车辆主动避撞控制研究

针对自主驾驶车辆的转向避撞问题,提出了一种分层避撞控制方法。上层路径规划控制器基于车辆运动学模型,引入人工势场函数,采用障碍物与车辆的相对状态描述车辆碰撞风险。基于模型预测控制理论,构建优化目标函数,规划最优避撞路线,并采用五次多项式拟合局部避撞路径。对于下层路径跟踪控制器,则建立车辆非线性动力学模型,构建基于最优转向盘转角输入的路径跟踪优化函数,实现局部避撞路径跟踪。最后搭建了Carsim/Matlab联合仿真平台,对被控车辆在不同路面、不同车速情况下的避障路径规划和跟踪效果进行了仿真。结果表明:上层控制器能根据障碍物信息实时规划局部避撞路径,下层控制器能控制车辆平滑、稳定地跟踪参考路径,从而实现车辆的主动避撞功能。     

人-车-路闭环的汽车稳定性控制模拟仿真试验研究

操纵稳定性控制是提高汽车安全性的重要措施。通过对理想二自由度模型的改进,建立了以横摆角速度和质心侧偏角为控制变量,离散PID控制的稳定性控制方法,并制定了轮胎制动力分配策略。基于CarSim和LabVIEW搭建了人在环路的仿真试验系统,进行紧急双移线试验、蛇行试验等"人-车-路"仿真试验,验证了稳定性控制策略的有效性。所搭建的仿真系统可扩展性强,有助于快速开发车辆稳定性控制系统。     

基于强跟踪容积卡尔曼滤波的车辆行驶状态估计

针对车辆行驶过程中的状态估计问题,提出了基于强跟踪容积卡尔曼滤波的车辆行驶状态估计算法。建立了采用Dugoff轮胎模型非线性3自由度车辆估算模型,通过对纵向加速度、侧向加速度、横摆角速度、转向盘转角和车轮轮速低成本传感器信号的信息融合以实现对车辆行驶状态的准确估计。应用驾驶员模拟器进行在环试验结果表明,基于强跟踪容积卡尔曼滤波的估计算法能够较准确地对车辆行驶状态进行估计。     

分布式驱动无人车路径跟踪与稳定性协调控制

针对无人车路径跟踪过程中跟踪效果与车辆稳定性这一多目标控制问题,基于分层控制理论提出了一种分布式驱动无人车辆路径跟踪与稳定性协调控制策略。建立了车辆动力学模型和路径跟踪模型,利用滑模控制方法设计了上层控制器,旨在减小路径跟踪过程中的航向偏差和横向偏差的同时确保车辆自身的稳定性。在下层控制器中,设计了一种四轮轮胎力优化分配方法,根据上层控制器需求,结合车辆横摆与侧倾稳定性情况,实现四轮轮胎力的定向控制分配。基于CarSim和Simulink搭建了联合仿真模型并进行仿真实验,结果表明,提出的协调控制策略能够有效地控制车辆路径跟踪中的航向偏差和横向偏差,同时确保车辆的侧倾与横向稳定性。     

动力模块车组的驾驶真实感研究

为了使驾驶人在驾驶大型动力模块车组时获得力反馈真实感,提出基于伺服电机扭矩控制的转向盘力觉真实感系统.基于普通车辆的转向系特性,建立转弯时单个转向轮的转向力修正模型,据此利用动力模块车组同一轴线上2个悬挂转角与转向盘转角的数学关系,建立动力模块车组转向盘转向力模型,在此基础上构建伺服电机驱动的转向盘转向力模拟试验平台和虚拟车辆行驶环境.结果表明:数字转向盘的转向力矩曲线与普通车辆转向力矩特性相近,符合中国标准的规定,验证了所提方法的有效性.     

变路面车辆稳定性控制策略研究

建立了某四轮汽车9自由度车辆模型和轮胎动力模型,并提出了一种基于侧向力利用系数的差动制动、主动转向切换控制策略。模拟了汽车以车速24.5m/s行驶时的一个紧急避让情况,研究了无控制模式、差动制动控制模式、联合控制模式下的车辆横摆角速度、质心侧偏角、质心侧向位移的变化。结果表明,所提出的差动制动联合主动转向技术的控制策略可以满足变路面下车辆稳定性控制要求。     

基于MATLAB的主动后轮转向控制策略建模、仿真及实测分析

基于二自由度车辆动力学模型,利用MATLAB建立了车辆主动后轮转向系统的控制策略模型。采用某后轮转向样车参数,对控制模型进行了仿真分析,以研究主动后轮转向对车辆横摆角速度、侧向加速度等动态指标的影响。之后通过实车测试分析,验证了控制模型的有效性。仿真及实车测试结果一致表明,主动后轮转向能够在低速时提升车辆的灵活性,高速时提升车辆的稳定性,很好地改善车辆的动态转向特性。     

行人过街场景下车辆避障路径规划与控制方法

为解决行人横穿过街场景下自动驾驶车辆安全避障问题,设计了一种基于行车风险场的车辆避障控制模型。考虑了行人加速运动中的潜在风险,采用了基于行人斥力场重心的新型避障函数,以优化横向避障距离。采用行车风险场理论,来构建全局路径规划层。基于模型预测控制(MPC),构建局部路径规划和跟踪控制器。在PreScan-Carsim平台上进行了仿真试验。结果表明：与跟踪传统静态全局路径相比,动态行车风险场下的避障行驶稳定性提高了7.21%,横向安全性提高了4.63%。因此,设计的控制器能够达到安全避障的目标。