李道飛,查安飛,徐 彪,張家杰
(浙江大學(xué)動(dòng)力機(jī)械及車輛工程研究所,杭州 310027)
半掛汽車列車已成為我國(guó)公路物流的主力車型類別,但由于總質(zhì)量大、質(zhì)心高、載荷變化范圍廣等因素,由其引發(fā)的交通事故常造成重大傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。為實(shí)現(xiàn)交通零傷亡愿景,提高半掛汽車列車的主動(dòng)安全性能十分必要。
在乘用車領(lǐng)域,已有不少針對(duì)緊急避撞的軌跡規(guī)劃與跟蹤控制研究,制動(dòng)避撞、轉(zhuǎn)向避撞或聯(lián)合避撞等技術(shù)已得到量產(chǎn)應(yīng)用。然而,包括半掛汽車列車在內(nèi)的商用車領(lǐng)域,當(dāng)前的緊急避障輔助系統(tǒng)的裝配率不高,且主要采用制動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)。郭祥靖等基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),結(jié)合駕駛員制動(dòng)經(jīng)驗(yàn)對(duì)半掛汽車列車緊急制動(dòng)進(jìn)行了研究;馮瑤針對(duì)半掛汽車列車設(shè)計(jì)了預(yù)測(cè)性緊急制動(dòng)算法,根據(jù)行駛工況緊急程度建立分級(jí)預(yù)警機(jī)制和安全距離模型,結(jié)合本車狀態(tài)和預(yù)警信息計(jì)算避撞所需的期望減速度,采用滑模方法進(jìn)行制動(dòng)控制。
乘用車緊急避撞研究已表明,考慮轉(zhuǎn)向的策略可在距離更短、更緊急的工況下實(shí)現(xiàn)有效避撞。然而,目前商用車領(lǐng)域采用轉(zhuǎn)向來(lái)實(shí)現(xiàn)緊急避撞的研究和應(yīng)用仍較少見,這主要是因?yàn)樯逃密囀褂脳l件復(fù)雜多變,而算力有限的傳統(tǒng)控制器平臺(tái)中,如算法未考慮輪胎力、側(cè)向加速度等穩(wěn)定性約束,其軌跡跟蹤控制存在性能穩(wěn)定和可靠方面的較大挑戰(zhàn)。例如,Morrison 等對(duì)重型鉸接車輛的緊急制動(dòng)和轉(zhuǎn)向進(jìn)行了研究,提出了一種減小滑移率需求,以保證在緊急制動(dòng)過(guò)程中可正常轉(zhuǎn)向的算法,但未考慮轉(zhuǎn)向時(shí)車輛可能發(fā)生的折疊失穩(wěn)。Rajaram 等基于非線性滑??刂茖?duì)重型商用車緊急避撞進(jìn)行研究,考慮了載荷轉(zhuǎn)移、路面附著、制動(dòng)力分配和氣壓制動(dòng)響應(yīng)等因素,但僅考慮緊急制動(dòng)情況,未考慮轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向制動(dòng)聯(lián)合避撞工況。Felez 等基于模型預(yù)測(cè)控制(model predictive control,MPC)設(shè)計(jì)鉸接車輛的制動(dòng)/驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向集成控制器,實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤控制,考慮狀態(tài)約束但未施加輪胎力約束,無(wú)法考慮輪胎力飽和可能引發(fā)的折疊失穩(wěn)。因此,在車載算力增加的背景下,用于應(yīng)對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景的半掛汽車列車轉(zhuǎn)向與制動(dòng)聯(lián)合避撞算法,須采用基于模型的設(shè)計(jì)方法,在軌跡規(guī)劃和跟蹤控制中直接考慮輪胎力和車輛側(cè)向加速度等穩(wěn)定性約束。
本文中在前期對(duì)半掛汽車列車緊急避撞運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究的基礎(chǔ)上,針對(duì)半掛汽車列車轉(zhuǎn)向和制動(dòng)聯(lián)合避撞時(shí)易發(fā)的失穩(wěn)問(wèn)題,考慮側(cè)向加速度和輪胎側(cè)偏角約束,設(shè)計(jì)了基于模型預(yù)測(cè)控制的軌跡跟蹤算法,并進(jìn)行了仿真和實(shí)車驗(yàn)證。
半掛汽車列車包括牽引車和半掛車兩部分,兩者通過(guò)第五輪連接,其中牽引車通常為兩軸,半掛車有三軸。建模時(shí)常將半掛車三軸簡(jiǎn)化為一軸,關(guān)于多軸對(duì)半掛汽車列車動(dòng)力學(xué)特性的影響可見文獻(xiàn)[15]。不失一般性,針對(duì)緊急避撞場(chǎng)景,建??紤]牽引車的橫向、縱向和橫擺運(yùn)動(dòng),半掛車的橫擺運(yùn)動(dòng),和3 個(gè)等效車輪轉(zhuǎn)動(dòng)等7 個(gè)自由度。主要假設(shè)為:(1)將半掛車后軸簡(jiǎn)化為一軸,同一軸上左右輪合并成一個(gè)“等效”車輪,即單軌模型;(2)牽引車和半掛車間鉸接角很??;(3)僅牽引車后軸為驅(qū)動(dòng)軸;(4)假設(shè)半掛汽車列車的側(cè)傾和俯仰很??;(5)忽略輪胎滾動(dòng)阻力和空氣動(dòng)力學(xué)的影響。
圖1 半掛汽車列車簡(jiǎn)化模型
根據(jù)小角度假設(shè),有
經(jīng)推導(dǎo),可得完整的車體動(dòng)力學(xué)模型為
由于較高精度和使用方便性,魔術(shù)公式已成為應(yīng)用廣泛的輪胎模型。但完整的魔術(shù)公式過(guò)于復(fù)雜,不宜直接用于控制器設(shè)計(jì),此處采用簡(jiǎn)化公式。由于涉及轉(zhuǎn)向和制動(dòng)聯(lián)合工況,故采用聯(lián)合滑移率輪胎模型,即
式中:F為輪胎的合力;D= μF為峰值因子,為附著系數(shù);C為形狀因子;B為剛度因子,= f,r,s分別為牽引車前輪、后輪和半掛車后輪對(duì)應(yīng)下標(biāo);s表示輪胎的聯(lián)合滑移率。s表達(dá)式為
式中:s為縱向滑移率;s為側(cè)向滑移率;ω(= f,r,s)分別為牽引車前后輪及半掛車后輪輪速;為輪胎滾動(dòng)半徑。各輪輪心縱向和側(cè)向速度為
則各輪胎縱向和側(cè)向分力表示為
式中:μ=sin(Carctan(Bs))s/s為縱向附著系數(shù);μ= sin(Carctan(Bs))s/s為側(cè)向附著系數(shù)??紤]由加速度a引起的縱向載荷轉(zhuǎn)移,三軸垂直載荷F為
車輪轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程表示為
式中:I(= f,r,s)分別為車輪等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;、分別為相應(yīng)軸驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)力矩。牽引車后軸為驅(qū)動(dòng)輪,其余為從動(dòng)輪,故== 0。
模型預(yù)測(cè)控制(MPC)由預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正3部分組成,在每一時(shí)間步長(zhǎng)都求解有約束的有限時(shí)域上的最優(yōu)化問(wèn)題。對(duì)一個(gè)預(yù)測(cè)時(shí)域?yàn)?span id="wammgcs" class="emphasis_italic">N的模型預(yù)測(cè)問(wèn)題,x 表示從時(shí)刻開始,預(yù)測(cè)N步后的狀態(tài)??刂七^(guò)程中,以優(yōu)化代價(jià)函數(shù)為目標(biāo),求解控制輸入序列=[u,u,u,…,u ]。
預(yù)測(cè)模型包括式(9)所示非線性的半掛汽車列車動(dòng)力學(xué)模型和軌跡跟蹤誤差模型。其中誤差模型包括半掛汽車列車的側(cè)向偏差和航向角偏差,如圖2所示。定義軌跡跟蹤的側(cè)向偏差導(dǎo)數(shù)為
圖2 軌跡跟蹤誤差示意圖
航向角偏差導(dǎo)數(shù)為
當(dāng)半掛汽車列車處于高速或大曲率轉(zhuǎn)彎半徑時(shí),如直接利用式(10)計(jì)算當(dāng)前側(cè)向偏差,常需要較大的預(yù)測(cè)步長(zhǎng)和控制步長(zhǎng)才能達(dá)到較好跟蹤效果,且控制輸出變化率較大。故引入帶有預(yù)瞄的側(cè)向誤差e,其導(dǎo)數(shù)為
式中L為預(yù)瞄時(shí)間。
首先,定義軌跡跟蹤控制問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)為
接著,穩(wěn)定性約束應(yīng)考慮防止發(fā)生側(cè)翻和橫擺失穩(wěn)。其中,側(cè)翻穩(wěn)定性指標(biāo)一般有側(cè)向加速度和側(cè)傾角。若視車體為剛性,一般側(cè)向加速度閾值a約為0.45??紤]到載荷變化對(duì)輪胎和懸架引起的順從性影響較大,空載時(shí)閾值a設(shè)為0.45,滿載時(shí)為0.36,其他中間載荷條件則采用線性插值獲取。
半掛汽車列車的橫擺失穩(wěn)主要是由輪胎側(cè)向力進(jìn)入非線性區(qū)域甚至達(dá)到飽和引起的。在小側(cè)偏角范圍,輪胎側(cè)向力和側(cè)偏角成線性關(guān)系。當(dāng)側(cè)偏角超出一定值時(shí),側(cè)向力將進(jìn)入飽和區(qū)域。為防止側(cè)滑和橫擺失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)避免輪胎進(jìn)入非線性飽和區(qū)域??紤]轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)聯(lián)合工況下,受摩擦圓約束,輪胎縱向力和側(cè)向力相互耦合,側(cè)向力飽和點(diǎn)受到縱向力的影響,即
考慮縱向力后,輪胎側(cè)向力極限對(duì)應(yīng)的側(cè)偏角極限為
進(jìn)一步地,約束車輛質(zhì)心側(cè)偏角,避免較大的牽引車側(cè)滑。綜上,用于軌跡跟蹤控制的穩(wěn)定性約束為
在控制執(zhí)行器方面,包括牽引車轉(zhuǎn)向角及其變化率約束、制動(dòng)力矩及其變化率約束、驅(qū)動(dòng)力矩約束,即
綜上,非線性模型預(yù)測(cè)控制(NMPC)問(wèn)題定義為:在式(9)、式(11)和式(12)定義的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型等式約束、式(16)定義的狀態(tài)約束、式(17)定義的執(zhí)行器約束等條件下,尋求使式(13)的目標(biāo)函數(shù)最小化的控制序列。該NMPC 算法是一個(gè)非線性規(guī)劃問(wèn)題,通過(guò)求解可得N時(shí)域的多步控制輸入,每步僅將第一個(gè)控制輸入作用于被控系統(tǒng)。然后,在下一步長(zhǎng)中重新求解上述問(wèn)題,達(dá)到滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正的目的。
基于MATLAB/Simulink 和TruckSim 聯(lián)合仿真環(huán)境,進(jìn)行半掛汽車列車緊急避撞跟蹤控制算法驗(yàn)證。具體場(chǎng)景如圖3 所示。在該避撞工況下,圖中黑虛線表示由基于有約束最優(yōu)控制的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法在初始單次規(guī)劃所得的目標(biāo)軌跡。除目標(biāo)路徑外,單次規(guī)劃輸出結(jié)果還包括全程的車輛狀態(tài)和控制輸入的參考值。
圖3 仿真場(chǎng)景
由圖4和圖6可見,NMPC算法可實(shí)現(xiàn)較高的軌跡跟蹤精度,在20 和30 m/s 初速度下最大路徑跟蹤誤差處的橫向相對(duì)誤差分別為2.8%和2.3%,最大速度相對(duì)誤差分別為2.1%和1.1%。側(cè)向加速度實(shí)際值略大于單次規(guī)劃值,這主要因?yàn)閱未诬壽E規(guī)劃和NMPC 控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中簡(jiǎn)化了模型,未直接考慮側(cè)傾動(dòng)力學(xué)。隨著載荷增加,最大側(cè)向加速度減小,這是因?yàn)樵谝?guī)劃和控制過(guò)程中都對(duì)不同載荷條件的側(cè)向加速度進(jìn)行約束,有效防止車輛發(fā)生側(cè)翻。車輛的鉸接角速度和規(guī)劃值保持一致,處于較低水平,沒有發(fā)生折疊失穩(wěn)。
圖6 NMPC軌跡跟蹤結(jié)果(30 m/s,μ = 0.7)
由圖5和圖7可見,3種載荷工況下前輪轉(zhuǎn)角始終在峰值范圍內(nèi)。從轉(zhuǎn)向角和制動(dòng)力的變化趨勢(shì),可看出協(xié)同控制過(guò)程:各軸制動(dòng)力矩輸入在后半段隨著前輪轉(zhuǎn)向增大而減?。辉? s 后行駛過(guò)程中,制動(dòng)力達(dá)到較大值,此時(shí)轉(zhuǎn)向和制動(dòng)都需輪胎力,而犧牲一定的制動(dòng)力,可保證完成避撞轉(zhuǎn)向操作。這說(shuō)明采用NMPC 集成轉(zhuǎn)向和制動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn),即能根據(jù)實(shí)際情況對(duì)輪胎力進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整??傮w來(lái)看,NMPC 算法能準(zhǔn)確跟蹤規(guī)劃路徑和速度,滿足緊急避撞控制要求。
圖5 NMPC控制輸入(20 m/s,μ = 0.7)
圖7 NMPC控制輸入(30 m/s,μ = 0.7)
在處理器為Intel i7-9750H、主頻2.6 GHz、內(nèi)存8G 的計(jì)算機(jī)配置下,NMPC 算法平均一步求解需要348 ms,雖跟蹤精度高,但無(wú)法實(shí)時(shí)運(yùn)行。因此,此處將NMPC 作為性能基準(zhǔn),對(duì)其簡(jiǎn)化,設(shè)計(jì)可實(shí)時(shí)運(yùn)行的線性時(shí)變模型預(yù)測(cè)控制器(LTV-MPC),并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。
LTV-MPC 基于2 自由度單軌線性模型設(shè)計(jì)、求解最優(yōu)轉(zhuǎn)向角,而速度跟蹤采用PID 控制器。假設(shè)縱向車速恒定,輪胎的側(cè)偏角進(jìn)行小角度假設(shè),即
輪胎的側(cè)偏剛度表示為K= BCD,= f,r,s,側(cè)向力表示為F= Kα。將車輛模型整理為
其中:
將軌跡跟蹤誤差式(11)和式(12)表達(dá)成狀態(tài)空間表達(dá)形式,并增廣到上述矩陣,則簡(jiǎn)化的線性系統(tǒng)改寫為
式中:A= AT+, =, =();為采樣步長(zhǎng);=,+ 1,…,+ N。為保證控制輸入的連續(xù)性,將u變?yōu)闋顟B(tài)量,以u的增量Δu作為控制輸入,新的系統(tǒng)狀態(tài)空間表達(dá)式為
其中:
定義控制的目標(biāo)函數(shù)為
式中:和分別為跟蹤誤差和控制輸入的懲罰系數(shù);為松弛因子的懲罰系數(shù)。為保證車輛的行駛穩(wěn)定性,對(duì)質(zhì)心側(cè)偏角進(jìn)行約束:
對(duì)控制量和控制增量進(jìn)行約束:
綜合式(23)~式(25),可將該優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化成一個(gè)二次規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行在線求解,將每次循環(huán)優(yōu)化得到的第一個(gè)控制量作用于系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)目標(biāo)軌跡的跟蹤控制。
圖8 LTV-MPC軌跡跟蹤結(jié)果(20 m/s,μ = 0.7)
由圖8 和圖10 可見,20 和30 m/s 工況下LTVMPC 最大路徑跟蹤誤差處的橫向相對(duì)誤差分別為3.5%和3.1%,最大速度相對(duì)誤差分別為2.1%和1.2%,與NMPC 相比性能略有下降,但仍保持較高的跟蹤精度。從側(cè)向加速度和鉸接角速度來(lái)看,實(shí)際值和規(guī)劃值整體趨于一致,誤差比NMPC 略高,主要是由輪胎模型簡(jiǎn)化和前輪小角度假設(shè)引起。車輛在側(cè)向加速度接近側(cè)翻閾值的極限工況下,依然能穩(wěn)定跟蹤規(guī)劃的軌跡。由圖9 和圖11 可見,前輪轉(zhuǎn)角的實(shí)際值和規(guī)劃值整體變化趨勢(shì)一致。在空載和半載工況下,速度跟蹤精度較高,滿載時(shí)跟蹤效果略有下降,這一問(wèn)題可通過(guò)對(duì)不同載荷下給定不同PID參數(shù)進(jìn)行改善。
圖9 LTV-MPC控制輸入(20 m/s,μ = 0.7)
圖10 LTV-MPC軌跡跟蹤結(jié)果(30 m/s,μ = 0.7)
圖11 LTV-MPC控制輸入(30 m/s,μ = 0.7)
相同計(jì)算機(jī)配置下,NMPC 和LTV-MPC 的實(shí)時(shí)性與跟蹤誤差對(duì)比如表1所示。在相同預(yù)測(cè)和控制時(shí)域設(shè)置下,LTV-MPC 跟蹤效果比NMPC 雖略有下降,但整體差別不大,可滿足仿真場(chǎng)景下的緊急避撞軌跡控制要求。從單步計(jì)算時(shí)間來(lái)看,LTV-MPC 優(yōu)勢(shì)明顯,如增大其預(yù)測(cè)和控制時(shí)域,有望進(jìn)一步提升跟蹤控制效果。
表1 NMPC與LTV-MPC性能對(duì)比
受條件限制,試驗(yàn)無(wú)法在重型半掛汽車列車上進(jìn)行,因此制作了縮小版半掛汽車列車試驗(yàn)車,能體現(xiàn)鉸接特性,能考慮增加掛車后車輛動(dòng)力學(xué)特性變化對(duì)軌跡規(guī)劃和跟蹤控制的影響。其中,牽引車采用前輪轉(zhuǎn)向、四輪驅(qū)動(dòng)的線控底盤(軸距1.47 m、前軸荷1 378 N、后軸荷1 336 N),半掛車與牽引車間加裝線位移傳感器和NI-cRIO 9022 以測(cè)量鉸接角。牽引車狀態(tài)感知定位采用高精度組合慣導(dǎo)(華測(cè)CGI610),用工控機(jī)運(yùn)行規(guī)劃和控制算法。試驗(yàn)車整體設(shè)置如圖12所示。
圖12 半掛試驗(yàn)車設(shè)置
在實(shí)車驗(yàn)證前,用定圓周轉(zhuǎn)向試驗(yàn)采集數(shù)據(jù),擬合模型參數(shù),并先通過(guò)仿真驗(yàn)證。試驗(yàn)中,目標(biāo)軌跡由基于有約束最優(yōu)控制方法單次規(guī)劃所得,除規(guī)劃路徑和車速作為軌跡跟蹤控制的目標(biāo)外,規(guī)劃算法給出的車輛狀態(tài)和控制輸入?yún)⒖贾祵⒂糜诮Y(jié)果對(duì)比。試驗(yàn)過(guò)程分為3個(gè)階段:階段1從靜止直線加速達(dá)到目標(biāo)車速,不進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制;階段2 是避撞軌跡跟蹤階段,達(dá)到目標(biāo)車速后切換到軌跡跟蹤控制器,直到完成軌跡跟蹤;階段3 實(shí)現(xiàn)避撞后的安全停止。
試驗(yàn)階段2 中避撞過(guò)程的實(shí)車結(jié)果如圖13 和圖14所示,其中實(shí)線為實(shí)際值,虛線為規(guī)劃參考值。針對(duì)縮小版的半掛汽車列車,將障礙物寬度設(shè)為1 m??紤]到車輛寬度以及可能的控制誤差和初始航向角偏差,設(shè)定避撞安全距離為0.8 m。由此得到的實(shí)際規(guī)劃的避撞軌跡最大側(cè)向偏移約為2 m,縱向極限避撞距離約為8 m。
由圖13可見,所設(shè)計(jì)控制器可滿足極限工況下的避撞要求,實(shí)際軌跡和速度跟蹤均有較高精度,最大軌跡誤差0.18 m,最大速度誤差為0.45 m/s。前半段軌跡跟蹤過(guò)程即<4 m 時(shí),路徑曲率較小,跟蹤精度較高。后半段中路徑曲率較大,跟蹤誤差變大。這可能是由于線性時(shí)變模型預(yù)測(cè)控制設(shè)計(jì)過(guò)程中采用的小角度假設(shè)、輪胎模型線性假設(shè)等條件已不滿足。由圖14 可見,整個(gè)過(guò)程中,前輪轉(zhuǎn)角最大達(dá)到0.2 rad,鉸接角最大值超過(guò)0.2 rad。牽引車的側(cè)向加速度達(dá)到0.5,橫擺角速度達(dá)0.7 rad/s,表明系統(tǒng)已進(jìn)入非線性動(dòng)力學(xué)區(qū)域,因此出現(xiàn)較大的跟蹤誤差。總體來(lái)看,為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性能,盡管在LTV-MPC設(shè)計(jì)中對(duì)系統(tǒng)模型精度做了妥協(xié),但該控制器仍能滿足極限避撞工況下的軌跡跟蹤需求。
圖13 實(shí)車軌跡跟蹤結(jié)果
圖14 軌跡跟蹤過(guò)程中的車輛狀態(tài)
(1)針對(duì)半掛汽車列車采用轉(zhuǎn)向和制動(dòng)聯(lián)合避撞時(shí)車輛易失穩(wěn)的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了考慮橫擺失穩(wěn)和側(cè)傾失穩(wěn)的非線性模型預(yù)測(cè)控制器,并進(jìn)行了TruckSim 聯(lián)合仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明,該算法能滿足不同車速、不同載荷下安全穩(wěn)定的軌跡跟蹤控制要求。
(2)針對(duì)非線性模型預(yù)測(cè)控制無(wú)法實(shí)時(shí)運(yùn)行的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了橫縱向解耦的線性時(shí)變模型預(yù)測(cè)控制器,并與非線性模型預(yù)測(cè)控制器進(jìn)行了對(duì)比分析。仿真結(jié)果表明,雖精度略有下降,但整體仍可滿足極限工況下的軌跡控制和實(shí)時(shí)性的要求。
(3)對(duì)基于線性時(shí)變模型預(yù)測(cè)控制的制動(dòng)-轉(zhuǎn)向聯(lián)合避撞控制算法進(jìn)行了實(shí)車驗(yàn)證,表明該算法能準(zhǔn)確跟蹤極限工況下的避撞軌跡,有一定的潛在應(yīng)用價(jià)值。