汽车变曲率路径循迹H∞回路成形鲁棒控制

doi:10.13229/j.cnki.jdxbgxb.20221380

摘要/Abstract

摘要：

针对汽车曲线行驶时曲率半径改变更易引起车辆偏离预定轨迹的问题，提出了一种基于H_∞回路成形的鲁棒控制方法以提高汽车轨迹跟踪性能。首先，对汽车动力学模型进行处理，使模型具备广义干扰控制系统形态，利用传递函数运算间接求解获得所需的输出变量；其次，选定标称受控对象给出标称条件，据此设计鲁棒控制器使闭环系统各反馈回路获得理想的奇异值，满足系统性能指标和鲁棒稳定性要求；最后，验证汽车在变曲率曲线路径上的循迹能力。结果表明：在固定鲁棒控制器作用下汽车具备稳定的抗干扰能力，当系统参数在合理范围内变化时，汽车行驶的横向偏差量均控制在0.2 m以内。

关键词: 车辆工程, 变曲率曲线, 路径循迹, H_∞回路成形

Abstract:

To solve the problem of vehicle deviate from the planned trajectory caused by the changing radius of curvature of the route， a robust control approach based on H_∞ loop shaping is proposed to improve the automated trajectory tracking performance. Firstly， the vehicle dynamics model is analyzed and processed to provide the generalized interference control system form， and then the function operation of transfer is used to indirectly obtain the required output variables. Secondly， the nominal plant is selected and the nominal condition is given， the system singular values of the plants can obtain desired shapes based on the robust controller and thus can meet the system performance index and robust stability requirements. Finally， the automated tracking ability of the vehicle on the variable curvature paths is tested. The results show that the vehicle has a stable anti-interference ability under the action of fixed order robust controller， when parameters change within a reasonable range， the lateral error of the vehicle can be controlled within 0.2 m， the goal of good automated tracking performance in multi-curvature routes of the vehicle has realized. Therefore， this control method has a widely potential applications prospect and is suitable for the development of intelligent vehicle path tracking lateral control and autonomous vehicle lane keeping control.

Key words: vehicle engineering, variable curvature curve （road）, trajectory tracking, H_∞ loop shaping

中图分类号:

U461.6

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图/表 15

表1

图1

表2

图2

表3

车辆参数"

符号	参数名称及单位	车辆1	车辆2	车辆3
m	总质量/kg	1 005	1 820	3 020
m_s	悬挂质量（总质量82%）/kg	824	1 492	2 460
a	质心至前轴距/m	0.95	1.17	1.84
b	质心至后轴距/m	1.42	1.77	1.88
k₁	前轮总侧偏刚度/（N·rad^-1）	-45 454	-72 653	-46 294
k₂	后轮总侧偏刚度/（N·rad^-1）	-67 041	-121 449	-76 636
I_z	整车绕z轴的转动惯量/（kg·m²）	2 145	3 746	10 437
I_x	悬挂质量绕x轴转动惯量/（kg·m²）	657	1 180	1 960
I_xz	悬挂质量绕x、z轴惯性积/（kg·m²）	0	0	0
h_s	侧倾力臂/m	0.45	0.41	0.49
E_f	前轮侧倾转向系数	0.11	0.16	-0.114
E_r	后轮侧倾转向系数	0.10	0.10	0
C $?$ _f	前悬架侧倾角刚度/（N·m·rad^-1）	29 676	52 151	100 548
C $? r$	后悬架侧倾角刚度/（N·m·rad^-1）	23 543	41 400	32 732
D_f	前悬架侧倾角阻尼/（N·m·s·rad^-1）	2 750	4 980	3 430
D_r	后悬架侧倾角阻尼/（N·m·s·rad^-1）	2 000	3 624	3 430

表3

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参考文献 11

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弯道路段	曲率半径/m	前进车速/（km·h^-1）	前行距离/m	各段时间/s	弯道产生的角速度/（rad·s^-1）
1	500	60	174	10.4	0.033
2	700	100	183	6.6	0.040
3	600	80	157	7.1	0.037
4	1 000	120	209	6.3	0.033
5	800	90	112	4.5	0.031
6	200	60	105	6.3	0.083