Path-following in model predictive rollover prevention using front steering and braking

In this paper vehicle path-following in the presence of rollover risk is investigated. Vehicles with high centre of mass are prone to roll instability. Untripped rollover risk is increased in high centre of gravity vehicles and high-friction road condition. Researches introduce strategies to handle the short-duration rollover condition. In these researches, however, trajectory tracking is affected and not thoroughly investigated. This paper puts stress on tracking error from rollover prevention. A lower level model predictive front steering controller is adopted to deal with rollover and tracking error as a priority sequence. A brake control is included in lower level controller which directly obeys an upper level controller (ULC) command. The ULC manages vehicle speed regarding primarily tracking error. Simulation results show that the proposed control framework maintains roll stability while tracking error is confined to predefined error limit.     

Path Tracking for Autonomous Race Car Based on G-G Diagram

Currently, the autonomous driving technique is attracting increasing research focus from all over the world. Generally, the control systems of an autonomous vehicle include environment perception, path planning and path tracking control systems. In this paper, the path tracking control issue of the autonomous vehicle will be focused on. Few of the previous proposed path tracking controllers consider the vehicle driving and handling limit, which degenerates the potential of the autonomous vehicle to finish the desired path as quick as possible. To this end, this paper proposes a path tracking controller for autonomous vehicle, which aims at pushing it to the driving and handling limit. The limit dynamic performance of the autonomous vehicle is represented by the G-G diagram, which indicates the acceleration capability of the autonomous vehicle. The G-G diagram is obtained by phase portrait method and it is validated by a modified FSAE racing car. Finally, a path tracking controller based on the G-G diagram is proposed. The simulation validation results demonstrate the effectiveness of the proposed controller.     

矿用无人运输车辆轨迹跟踪控制算法研究

矿用无人运输车辆作业环境恶劣,存在大曲率弯道、坡道等非结构化道路明显特征,对无人化运输控制要求高。为改善PID等传统控制算法适应性问题,提高无人驾驶轨迹跟踪的车辆横纵向控制精度,提出一种纯跟踪与PID结合的多点预瞄横向控制、考虑模糊控制表参数拟合的纵向控制方法,减少控制参数的同时提高算法效果。根据传统控制算法设计基础控制器,结合基础算法优势进行横向与纵向控制算法设计,通过硬件在环仿真和实车测试验证算法的性能。试验结果表明,横向控制算法与斯坦利算法相比,车辆路径跟踪精度有明显改善,纵向控制方面,速度跟随误差<1 km/h,保证了车辆驾驶时的平稳性与舒适性。     

基于变权重系数的分布式驱动无人车轨迹跟踪

为了提高分布式无人车轨迹跟踪的精度，提出了基于自主与差动协调转向控制的轨迹跟踪方法。首先，在车辆三自由度模型基础上，基于模型预测控制（MPC）实时计算前轮转角以控制车辆进行自主转向轨迹跟踪。在此过程中，为了提高自主转向下车辆的轨迹跟踪精度与行驶的稳定性，考虑多种因素，利用经验公式及神经网络控制对MPC的预瞄步数和预瞄步长进行多参数调整，实现预瞄时间的自适应控制。其次，在恒转矩需求的情况下，以轨迹偏差为PID控制器的输入及左右轮毂电机转矩为输出进行差动转向控制，实现了差动转向下的轨迹跟踪控制。然后，通过设置权重系数的方法将自主与差动转向相结合。考虑到车辆横纵向动力学因素，采用模糊控制及经验公式对权重系数进行了调整，从而在提高车辆转向灵活性与轨迹跟踪效果的同时保证车辆行驶的稳定性。CarSim与Simulink联合仿真以及实车试验结果表明：与自主转向轨迹跟踪相比，采用变权重系数的协调控制可以在不同的工况下提高车辆的转向灵活性与轨迹跟踪的精度，轨迹跟踪偏差的均方根值改善率达到了11%。所提出的协调转向控制方法可为分布式驱动车辆转向灵活性的提高及轨迹跟踪精度的改善提供一种新的思路。     

Coordinated control strategies for active steering,differential braking and active suspension for vehicle stability,handling and safety improvement

ABSTRACT

In this paper, a coordinated control strategy is proposed to provide an effective improvement in handling stability of the vehicle, safety, and comfortable ride for passengers. This control strategy is based on the coordination among active steering, differential braking, and active suspension systems. Two families of controllers are used for this purpose, which are the high order sliding mode and the backstepping controllers. The control strategy was tested on a full nonlinear vehicle model in the environment of MATLAB/Simulink. Rollover avoidance and yaw stability control constraints have been considered. The control system mainly focuses on yaw stability control. When rollover risk is detected, the proposed strategy controls the roll dynamics to decrease rollover propensity. Simulation results for two different critical driving scenarios, the first one is a double lane change and the other one is a J-turn manoeuvre, show the effectiveness of the coordination strategy in stabilising the vehicle, enhancing handling and reducing rollover propensity.     

基于变论域模糊多参数自整定PID控制的智能挖掘机轨迹跟踪

智能液压挖掘机多用于特殊环境下的无人操纵施工。在执行诸如直线刮平、斜坡整平和定点挖掘等特定挖掘任务时,对智能挖掘机工作装置铲斗齿尖的轨迹规划和轨迹跟踪提出了较高要求。为此,针对智能挖掘机运动的控制问题,提出一种基于变论域模糊多参数自整定PID （Variable Universe Fuzzy Multi-parameter Self-tuning PID,VUFMS-PID）的轨迹跟踪控制策略。首先,在关节空间中通过三次非均匀有理B样条（Non-uniform Rational B-Splines,NURBS）曲线插补法完成直线刮平和定点挖掘轨迹规划,并得到工作装置挖掘作业时各关节角、角速度、角加速度位置序列。然后,综合考虑挖掘机非线性、时变性等特点,基于变论域思想,提出一种基于VUFMS-PID的轨迹跟踪控制方法。最后,基于AMESim与MATLAB/Simulink联合仿真和硬件在环（Hardware-in-the-Loop,HiL）试验平台,对VUFMS-PID控制方法的有效性和先进性进行验证。研究结果表明：在铲斗齿尖运动过程中,规划轨迹平滑连续且变化幅值较小,规划轨迹与期望轨迹之间的误差较小;VUFMS-PID控制的响应速度和跟踪精度相较于传统PID控制与模糊PID控制有明显提升;在硬件在环试验分析中,提出的控制方法在跟踪直线刮平轨迹和定点挖掘轨迹时,能够将跟踪误差控制在20 mm以内,实现对规划轨迹的精确跟踪。     

智能汽车对无信号交叉口行人的避撞控制

针对智能汽车在无信号交叉口对横穿行人的避撞问题,研究了主动转向避撞控制策略.基于多层模型预测控制方法,采用分层控制策略设计局部规划层控制器与全局跟踪层控制器,在此基础上根据交叉口处汽车与行人的轨迹特征计算人车碰撞剩余时间,改进传统人工势场法构造避撞函数,规划出既能规避交叉口内存在碰撞风险的行人又能使偏差最小的局部避撞路...     

面向车道变换的路径规划及模型预测轨迹跟踪

为解决智能车辆在车道变换过程中的路径规划和路径跟踪问题,首先,利用梯形加速度法设计了车道变换虚拟理想轨迹,该路径规划方法的适应性取决于车道变换时间、横向加速度及变化率等关键变量的约束条件,因而对各关键变量之间的数学关系进行了定量计算,并绘制了不同工况下的车道变换虚拟理想轨迹,用于分析各关键变量对路径规划的影响;其次,建立了线性离散的车辆动力学预测模型,综合分析了车辆模型的控制输入、状态变量以及道路结构参数等约束条件,构建了多约束模型预测控制（MMPC）系统用于车道变换路径跟踪,并基于Hildreth二次规划算法对其目标函数进行了求解,获得前轮转向角控制量,从而保证智能车辆在车道变换过程中的路径跟踪性能及操纵稳定性能;最后,利用MATLAB和Carsim软件对提出的多约束模型预测控制系统进行联合仿真,并构建单约束模型预测控制（SMPC）系统与其进行性能比较,分别对车道变换时间为3 s和6 s时的车道变换性能进行比较分析。结果表明：当车道变换时间为6 s时,2种控制系统都能较好地实现车道变换功能;当车道变换时间为3 s时,与SMPC控制系统相比较,MMPC控制系统能够在有效跟踪期望行驶路径的同时改善车辆的操纵稳定性,从而提高车辆在路径跟踪过程中的主动安全性能。     

基于高精地图的物流配送车路径规划与跟踪控制

为了解决园区等场景下无人车多途经点配送问题,提出了一种基于矢量化高精地图的车道级全局路径规划、生成和跟踪控制方法。考虑配送车往返途经点顺序对行驶路径总长度的影响,基于高精地图采用A*算法计算各配送点间的最优路径,在此基础上,利用动态规划算法求解经过多个配送点的全局最优路径。应用贝塞尔曲线对规划的路径进行平滑,并根据道路曲率设定不同路径处的参考行驶速度,进而生成车道级的可用于跟踪的目标轨迹。利用车辆二自由度模型设计模型预测控制器进行轨迹跟踪,实现低速物流配送车的自主控制。在 CarSim/Prescan/Simulink联合仿真平台和实车平台上对提出的规划控制方法进行了试验。结果表明,相比传统的依据最近配送点策略确定的路径,所提出的方法搜索出的路径长度平均缩短了 6.15%。所设计的轨迹跟踪控制器能确保配送试验车与目标轨迹的横向偏差在 0.25 m 以内,航向角偏差在5°以内。     

Implications of path tolerance and path characteristics on critical vehicle manoeuvres

Path planning and path following are core components in safe autonomous driving. Typically, a path planner provides a path with some tolerance on how tightly the path should be followed. Based on that, and other path characteristics, for example, sharpness of curves, a speed profile needs to be assigned so that the vehicle can stay within the given tolerance without going unnecessarily slow. Here, such trajectory planning is based on optimal control formulations where critical cases arise as on-the-limit solutions. The study focuses on heavy commercial vehicles, causing rollover to be of a major concern, due to the relatively high centre of gravity. Several results are obtained on required model complexity depending on path characteristics, for example, quantification of required path tolerance for a simple model to be sufficient, quantification of when yaw inertia needs to be considered in more detail, and how the curvature rate of change interplays with available friction. Overall, in situations where the vehicle is subject to a wide range of driving conditions, from good transport roads to more tricky avoidance manoeuvres, the requirements on the path following will vary. For this, the provided results form a basis for real-time path following.     

基于自适应模型预测的智能汽车横向轨迹跟踪控制

当路面附着情况和车辆行驶状态不断变化时,基于恒定侧偏刚度的模型预测控制(MPC)不能考虑轮胎非线性特性的影响,难以保证车辆轨迹跟踪的适应性。为此,提出一种考虑轮胎侧向力计算误差的自适应模型预测控制(AMPC),以提高智能汽车在不确定工况下的轨迹跟踪性能。分析了路面附着系数和垂向载荷对轮胎侧向力的影响,基于平方根容积卡尔曼滤波(SCKF)算法,设计了利用侧向加速度和横摆角速度作为测量变量的前后轮胎侧向力估计器。利用轮胎侧向力线性计算值与估计值的差值计算得到侧偏刚度修正因子,设计了前后轮胎侧偏刚度的自适应修正准则,进而提出了一种基于时变修正刚度的AMPC控制方法。基于CarSim与MATLAB/Simulink联合仿真和硬件在环测试平台,对AMPC控制的有效性和实时性进行了验证。研究结果表明：在不同的路面附着情况和车辆行驶状态下,AMPC控制都能够降低横向位置偏差和航向角偏差,有效提高车辆的轨迹跟踪精度,其控制效果明显优于基于恒定侧偏刚度的标准MPC控制。尤其在低附着工况下,标准MPC控制会因为线性轮胎力的计算误差过大而导致车辆在轨迹跟踪时严重失稳,而AMPC控制通过估计轮胎力修正侧偏刚度依然能够保证车辆稳定有效的跟踪参考轨迹。所提出的AMPC控制在保证控制精度的同时具有良好的实时性,对智能汽车控制系统的设计与优化具有重要参考价值。     

基于三自由度的智能汽车模糊滑模横向运动控制研究

针对智能汽车运动过程中存在的车身姿态变化问题以及运动控制精度问题，设计了一种基于非线性3自由度动力学模型的模糊滑模横向运动控制器。建立了包括侧倾运动的3自由度动力学模型，进行了模型线性化；对基于线性化处理后的动力学模型进行了滑模控制器设计，通过控制前轮转角实现了路径跟踪横向控制，并引入了模糊控制提高控制效果，本控制系统能够在跟踪过程中对车身姿态变化进行观察。仿真结果表明，搭建的基于3自由度动力学模型的模糊滑模控制器能够在考虑侧倾运动的基础上，实现路径跟踪，且构建的模糊滑模控制系统相较于传统滑模控制其横向偏差与方向偏差分别降低了7.28%和1.50%，同时模糊控制也减弱了滑模控制固有的抖振影响。     

基于hp自适应伪谱法的智能汽车紧急变道轨迹规划与优化

为了提高智能汽车紧急变道轨迹规划的实时性和适应性,将紧急变道过程分为初始阶段和跟踪阶段,初始阶段的轨迹由优秀驾驶人紧急变道模型产生,跟踪阶段的轨迹采用Sigmoid函数规划出紧急避让路径。首先通过聚类分析处理优秀驾驶人转向操作的实车试验数据,拟合得出紧急变道过程中的方向盘转角随时间的关系（即驾驶人紧急变道模型）,作为智能汽车在紧急变道初始阶段不同速度下车辆控制的输入量。然后通过建立与求解约束方程,满足避撞约束、侧向位移约束以及最大侧向加速度约束,得出Sigmoid函数表达式,作为智能汽车在紧急变道过程跟踪阶段的参考路径。最后利用hp自适应伪谱法加入切换点的物理量约束,逼近全局正交多项式的状态量和控制量,自动调整和处理2个阶段的切换点位置和衔接问题,以最小变道距离为目标对跟踪阶段的变道轨迹进行优化。运用PreScan与MATLAB对4种不同工况下的紧急变道轨迹规划进行联合仿真。结果表明：提出的轨迹规划与优化方法在满足各项约束的情况下成功避开障碍物,同时缩短了需要优化的轨迹,优化时间都小于0.9 s,并且与基于多项式函数轨迹规划方法相比,该方法能够以距障碍物较远的距离避开障碍物,在不同的车辆速度、道路曲率和障碍物宽度的复杂工况下具有更好的适应性。     

智能汽车轨迹跟踪与横摆稳定性协同控制

为了提高四轮独立驱动智能电动汽车在变曲率弯道下的轨迹跟踪精度和横摆稳定性,提出了一种模型预测控制与直接横摆力矩控制协同的综合控制方法。建立了横纵向耦合的车辆动力学模型,采用2阶龙格库塔离散法保证了离散模型的精度,并基于简化的2自由度动力学模型推导了车辆横摆稳定性约束,设计了非线性模型预测控制器;利用直接横摆力矩控制能够改变车辆横摆角速度和航向角的特点,考虑模型预测控制器的预测状态、控制量以及跟踪误差,设计了协同控制规则。仿真结果表明,协同控制方法解决了考虑横摆稳定性约束的模型预测控制器中存在的稳定性约束与控制精度相矛盾的问题,并补偿了模型预测控制器没有可行解时对横摆稳定性的约束,同时提高了智能汽车的轨迹跟踪精度和横摆稳定性。     

车-车协同下无人驾驶车辆的换道汇入控制方法

多车协同驾驶是智能车路系统领域的研究热点之一,可有效降低道路交通控制管理的复杂程度,减少环境污染的同时保障道路交通安全。基于多车协同驾驶控制结构,提出了一种无人驾驶车辆换道汇入的驾驶模型及策略,系统分析了多车协同运行状态的稳定条件。在综合分析无人驾驶车辆换道汇入的协作准则、安全性评估后,基于高阶多项式方法,结合车辆运行特性,通过引入乘坐舒适性的指标函数,设计得到无人驾驶车辆换道汇入的有效运动轨迹。通过研究汇入车辆与车队中汇入点前、后各车辆的运动关系,详细分析车辆发生碰撞的类型和影响因素,给出避免碰撞的条件准则,从而确保无人驾驶车辆汇入过程中多车行驶的安全性和稳定性。基于车辆运动学建立车辆位置误差模型,结合系统大范围渐进稳定的条件,选取线速度和角速度作为输入,应用李雅普诺夫稳定性理论和Backstepping非线性控制算法,设计了无人驾驶车辆换道汇入后的路径跟踪控制器。仿真试验和实车试验结果表明：所设计的换道汇入路径是可行、安全的,控制器具有良好的跟踪效果,纵向和横向的距离误差在15 cm以内,方向偏差的相对误差在10%以内。研究结果为智能车路系统中的多车状态变迁与协同驾驶研究提供了参考,可服务于未来道路交通安全设计和评价。     

考虑驾驶人风格的换道轨迹规划与控制（双语出版）

基于自动换道控制技术中融合个性化驾驶人风格的研究,建立考虑驾驶人风格的车辆换道轨迹规划及控制模型以提高换道规划控制模型对不同风格驾驶人的适用性,在保证安全性的基础上进一步满足驾驶人的个性化需求。首先通过问卷调查的方式采集得到了212份驾驶人风格量表数据,采用主成分分析法和K均值（K-means）聚类分析法将驾驶人按驾驶风格分为激进型、普通型和谨慎型,并通过驾驶模拟器试验采集不同风格驾驶人分别在自车道前车、目标车道前车和目标车道后车影响下的换道行为数据。然后对椭圆车辆模型进行改进,以描述不同风格驾驶人的行车安全区域,并据此构建3种典型工况下不同风格驾驶人的换道最小安全距离模型,结合驾驶舒适性约束、车辆几何位置约束以及不同风格驾驶人的换道行为数据,以换道纵向位移最短为目标,实现适应驾驶人风格的换道轨迹规划。最后以基于预瞄的路径跟踪模型作为前馈量,设计基于动力学的线性二次型最优（LQR）反馈控制器,通过调节控制权重矩阵实现3种工况下不同驾驶人风格的换道轨迹跟踪。PreScan和MATLAB/Simulink联合仿真结果表明：所设计的考虑驾驶人风格的换道轨迹规划及跟踪控制模型能够实现不同驾驶风格的自动换道轨迹规划及跟踪控制,可满足驾驶人个性化换道需求。     

考虑参数不确定性的无人车预设性能路径跟踪控制

为保证无人车在参数不确定性影响下的路径跟踪具有预设控制精度,提出一种具有预设跟踪误差性能的路径跟踪输出反馈控制方法。根据横向预瞄偏差建立了路径跟踪二阶误差积分系统,在考虑轮胎侧偏刚度参数摄动及车辆横向速度未知的情况下,利用扩张状态方法建立了含有复合未知项的控制模型,再通过设计线性扩张状态观测器对系统未知状态和模型不确定项进行估计,并进一步证明了观测误差的一致有界收敛性。针对无人车路径跟踪瞬态和稳态性能无法满足预设精度的问题,结合观测器估计值提出了一种具有预设性能的路径跟踪输出反馈控制器,并根据Lyapunov理论对闭环系统稳定性进行了严格证明。Matlab/Simulink仿真结果表明,所设计的控制策略能保证车辆以预设控制性能跟踪上期望路径,进一步在硬件在环仿真试验台上进行验证,结果表明所设计方案能严格保证横向跟踪偏差位于安全边界之内并具有较强的鲁棒性。     

Towards comfort-optimal trajectory planning and control

ABSTRACT

This paper describes a method to analyse and evaluate different trajectory planning methods and controller types for usage in automated vehicles. Its application is shown by using a novel trajectory planning approach considering comfort aspects (based on Rapidly Exploring Random Tree (RRT)), two different controllers to follow the planned path (cascade controller and flatness based controller) and a simulation method to obtain resulting lateral vehicle accelerations. The method is used to plan and drive a trajectory through a roundabout. It can be seen that the lateral accelerations of the controller-driven vehicle are in the range of the values used for planning. However, the results of both controllers show differences in lateral deviation and in smoothness of lateral accelerations. The simulation results are then compared to real-world test drives in the same roundabout. The measured lateral accelerations are in the same range as well but show a smoother progression than the two controller models.     

Effect of vertical and lateral coupling between tyre and road on vehicle rollover

The vehicle stability involves many aspects, such as the anti-rollover stability in extreme steering operations and the vehicle lateral stability in normal steering operations. The relationships between vehicle stabilities in extreme and normal circumstances obtain less attention according to the present research works. In this paper, the coupling interactions between vehicle anti-rollover and lateral stability, as well as the effect of road excitation, are taken into account on the vehicle rollover analysis. The results in this paper indicate that some parameters influence the different vehicle stabilities diversely or even contradictorily. And it has been found that there are contradictions between the vehicle rollover mitigation performance and the lateral stability. The direct cause for the contradiction is the lateral coupling between tyres and road. Tyres with high adhesion capacity imply that the vehicle possesses a high performance ability to keep driving direction, whereas the rollover risk of this vehicle increases due to the greater lateral force that tyres can provide. Furthermore, these contradictions are intensified indirectly by the vertical coupling between tyres and road. The excitation from road not only deteriorates the tyres’ adhesive condition, but also has a considerable effect on the rollover in some cases.     

无人驾驶汽车路径跟踪控制方法拟人程度研究

无人驾驶汽车路径跟踪控制是无人驾驶汽车运动控制的核心所在,目前常用的路径跟踪模型主要以路径跟踪精度为主要控制目标,在很大程度上忽略了无人驾驶汽车的乘坐舒适性和控制的拟人程度。为了研究无人驾驶汽车路径跟踪控制算法的拟人程度并提高乘坐舒适性,基于转向几何学、汽车运动学和汽车动力学理论建立实车中常用的4种路径跟踪模型,提出以路径跟踪过程中的最大横向加速度a_ymax和方向盘转角平方和δ_w²共同表征路径跟踪模型的拟人程度和横向乘坐舒适性。基于驾驶人实车换道试验数据,建立多项式拟人换道参考路径,搭建CarSim/Simulink联合仿真模型,并对其进行不同车速下的车辆换道试验。研究结果表明：路径跟踪模型的横向循迹偏差均会随着车速的提高而增加,但都能较好实现路径跟踪;带预瞄路径跟踪模型和动力学前馈最优LQR路径跟踪模型拟人程度较好;汽车运动学路径跟踪模型的乘坐舒适性最差,方向盘修正激烈;在100 km·h^-1,a_ymax>0.7 m·s^-2,δ_w²>2.7×10³时,拟人程度最差;不带预瞄路径跟踪模型循迹精度最高,且拟人程度最高,乘坐舒适性最好,120 km·h^-1时,a_ymax ≤ 0.5 m·s^-2。