姚垠國(guó)，段敏，張恒，鄭蘇

（遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

引言

循跡控制算法是小車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行駛的關(guān)鍵，因而成為智能車領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，GPS 循跡功能可以很大程度的減少駕駛員的疲勞，幫助駕駛員將車輛保持在期望軌跡上行駛，GPS用來檢測(cè)車輛經(jīng)緯度，將期望軌跡經(jīng)緯度點(diǎn)信息存儲(chǔ)到HMI中，在HMI 設(shè)定好車輛起點(diǎn)和終點(diǎn)后將經(jīng)緯度信息傳遞給控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)接收到車輛經(jīng)緯度信息后對(duì)比期望軌跡點(diǎn)，從而控制車輛的方向盤轉(zhuǎn)角。

1 車輛動(dòng)力學(xué)分析

研究車輛側(cè)向控制時(shí)需要對(duì)車輛的側(cè)向動(dòng)力學(xué)特性做一些研究，汽車在行駛中，作為剛體它具有六個(gè)自由度，而在這里假定汽車只作平行于路面的平面運(yùn)動(dòng)。同時(shí)考慮了輪胎側(cè)偏特性，即假定：汽車無垂直方向運(yùn)動(dòng)，無繞y 軸和x 軸的俯仰和側(cè)傾運(yùn)動(dòng)；汽車作等速運(yùn)動(dòng)；忽略轉(zhuǎn)向系統(tǒng)影響；不考慮左車輪由于載荷變化引起輪胎特性變化和回正力矩的作用，這樣汽車就簡(jiǎn)化成兩輪車的平面模型，成為一個(gè)具有側(cè)向及橫擺運(yùn)動(dòng)的二自由度計(jì)算模型。

1.1 GPS 循跡控制方法的選擇

GPS 循跡控制的研究主要有以下幾種：文獻(xiàn)[1]采用PID控制器；文獻(xiàn)[2]采用基于PID 進(jìn)行改進(jìn)的模糊PID 控制器有效地改善了汽車的彎道循跡性能，在保證最優(yōu)循跡的前提下提高了智能汽車的通過彎道速度；文獻(xiàn)[3]采用遺傳法，文獻(xiàn)[4]采用最優(yōu)LQR 控制方法。文獻(xiàn)[5]利用魯棒 PID 控制器實(shí)現(xiàn)了某輪式機(jī)器人的循跡控制，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)該控制方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[6]李以農(nóng)等學(xué)者將滑模變結(jié)構(gòu)非線性控制方法引入到汽車縱向控制中。在總結(jié)了國(guó)內(nèi)外車輛駕駛員模型研究成果的基礎(chǔ)上，本文采用單點(diǎn)預(yù)瞄以及最優(yōu)控制這兩種方法。

最優(yōu)控制如下圖：

圖1 最優(yōu)控制示意圖

2 建立GPS 循跡系統(tǒng)

目標(biāo)路徑最優(yōu)控制方案：

由車輛二自由度模型，再加上最優(yōu)控制的目標(biāo)函數(shù)最小，可以推出最優(yōu)控制規(guī)律。過程如下：

車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)空間方程：

狀態(tài)向量：

輸出向量：

解出：

，為各預(yù)瞄點(diǎn)的側(cè)向偏差。

，為各預(yù)瞄點(diǎn)的權(quán)重。

出于計(jì)算效率以及魯棒性等多方面的考慮,本方案最終采用了單點(diǎn)預(yù)瞄駕駛員模型，基于GPS 定位系統(tǒng)反饋回來的信號(hào)制作GPS 循跡控制。

圖2 單點(diǎn)預(yù)瞄駕駛員模型

根據(jù)預(yù)瞄模型得到偏差方程：

基于實(shí)車標(biāo)定得到合理的權(quán)重系數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)兼顧舒適性和安全性的GPS 循跡系統(tǒng)。

3 采用實(shí)車進(jìn)行測(cè)試

測(cè)試車速度：0～36dkm/h（±3km/h）；

需采集的信號(hào)：車輛經(jīng)度、緯度；

信號(hào)采樣周期：＞5ms；

試驗(yàn)開始條件：CANTest 可以正常接收IMU 發(fā)出的CAN總線信號(hào)；

停止條件：車輛沿預(yù)定軌跡重復(fù)行駛，直至滿足試驗(yàn)要求次數(shù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

圖3 車輛直線行駛時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 車輛在小區(qū)率彎道行駛時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)車GPS 循跡測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，車輛直線跟蹤時(shí)實(shí)時(shí)軌跡與目標(biāo)軌跡重合度較好，跟蹤誤差小于10cm，在經(jīng)過彎道時(shí)其誤差在理想范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

本文把車輛簡(jiǎn)化為二自由度模型，采用單點(diǎn)預(yù)瞄和最優(yōu)控制方法，然后建立GPS 循跡系統(tǒng)，最后采用實(shí)車測(cè)試的方式驗(yàn)證控制方法和循跡系統(tǒng)的可靠性，為了分析采集的路徑與車輛循跡過程中的誤差，采用MATLAB 對(duì)采集路徑的點(diǎn)以及實(shí)際循跡時(shí)車輛的運(yùn)行軌跡進(jìn)行擬合，繪制出采集的路徑與實(shí)際循跡時(shí)軌跡的對(duì)比圖，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文采用的控制方法和建立的系統(tǒng)使車輛在直線和轉(zhuǎn)彎行駛的過程中均可以把循跡誤差控制在理想范圍內(nèi)。