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基于線性變參數(shù)系統(tǒng)的四輪轉(zhuǎn)向自主地面車輛路徑跟蹤控制及實驗驗證
2021-09-12 10:45:58· 來源：同濟智能汽車研究所
不同摩擦系數(shù)路面的路徑跟蹤結(jié)果如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，即使在冰面上，路徑跟蹤誤差也很小。詳細(xì)分析了跟蹤誤差。橫向位置誤差和偏航角誤差如圖7和圖8所示。此外，表2中列出了最大值和均方值（RMS）?？梢钥闯觯Y(jié)冰道路上橫向位置誤差的最大值和RMS值為0.0711m和0.0272m。偏航角誤差值的最大值和RMS為0.5021和0.1231。這表明，所設(shè)計的控制器具有良好的路徑跟蹤和抗參數(shù)擾動的魯棒穩(wěn)定性。
圖9 不同摩擦系數(shù)路面下的橫向加速度誤差
圖10 不同摩擦系數(shù)路面下的前輪轉(zhuǎn)向角誤差
圖9為4WS AGV的橫向加速度。在濕路面和干路面上，最大橫向加速度不是很大。但在結(jié)冰路面條件下，橫向加速度非常大。前輪和后輪的轉(zhuǎn)向角分別如圖10和圖11所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，控制器必須提供更大的轉(zhuǎn)向角，以在低路面摩擦系數(shù)條件下保持魯棒穩(wěn)定性和路徑跟蹤能力。
B.不同的縱向速度
由于路徑跟蹤控制器是基于單軌模型設(shè)計的，其中假設(shè)縱向速度恒定。因此，有必要對不同縱向速度條件下4WS AGV的跟蹤性能進(jìn)行評估。道路摩擦系數(shù)設(shè)置為0.85，4WS AGV的縱向速度分別設(shè)置為10 m/s、15 m/s和20 m/s。
三種不同縱向速度條件下的路徑跟蹤結(jié)果如圖12所示?？梢钥闯?，所設(shè)計的控制器能夠以較小的誤差跟蹤目標(biāo)路徑，且穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差接近于零。橫向位置誤差和偏航角誤差分別如圖13和圖14所示。誤差分析結(jié)果如表3所示，從中我們可以發(fā)現(xiàn)，無論是橫向位置誤差還是偏航角誤差，跟蹤誤差都隨著縱向速度的增加而增加。由此可得，高速下的路徑跟蹤問題具有更大的挑戰(zhàn)性。
圖11 不同附著系數(shù)路面下的后輪轉(zhuǎn)向角
圖12 不同縱向速度下的路徑跟蹤結(jié)果
圖13 不同縱向速度下的側(cè)向位移誤差
表3 不同縱向速度下的路徑跟蹤誤差
RMS: 均方根值
圖14 不同縱向速度下的橫擺角誤差
圖15 不同縱向速度下的側(cè)向加速度
在縱向速度小于20m/s時，這個4WS AGV的最大橫向位置誤差可以限制在0.1m內(nèi)，最大橫擺角誤差不超過0.8°。
從誤差分析可以總結(jié)出，該路徑跟蹤控制器可以有效跟蹤目標(biāo)路徑，并且在面對系統(tǒng)不確定因素時有良好的魯棒性。
圖15顯示了三種不同縱向速度條件下的側(cè)向加速度?？梢园l(fā)現(xiàn)，最大的橫向加速度可以達(dá)到接近4m/s。前輪和后輪的轉(zhuǎn)向角分別如圖16和圖17所示。前輪和后輪的轉(zhuǎn)向角都隨著縱向速度的增加而增加，這意味著該4WS AGV需要更大的側(cè)向力來保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和提高路徑跟蹤性能。
6 實驗驗證
為了進(jìn)一步驗證路徑跟蹤控制器的性能，我們用DLC機動裝置進(jìn)行了一次實車實驗。在測試條件下，驅(qū)動電機的最大轉(zhuǎn)速和最大扭矩為800rpm和180N·m。轉(zhuǎn)向電機的最大轉(zhuǎn)向角為30°。考慮到SBW系統(tǒng)的可靠性較差以及駕駛的安全性，車輛的縱向速度被限制在3m/s內(nèi)。測試道路如圖18所示。
圖16 不同縱向速度下的前輪轉(zhuǎn)向角
圖17 不同縱向速度下的后輪轉(zhuǎn)向角
圖18 測試道路
圖19 實車驗證下的路徑跟蹤結(jié)果
圖20 實車驗證下的側(cè)向位置誤差
圖21 實車驗證下的橫擺角誤差
實車實驗的路徑跟蹤結(jié)果如圖19所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，設(shè)計的控制器在實車實驗條件下可以很好地跟蹤目標(biāo)路徑。此外，圖20和圖21顯示了側(cè)向位置誤差和橫擺角誤差。側(cè)向位置誤差最大為0.08m，組合定位系統(tǒng)的定位精度為0.05m，所以這個誤差非常小。橫擺角誤差最大為3.5°，組合定位系統(tǒng)的偏航角精度為2°，所以橫擺角誤差也非常小。
從誤差分析中，我們可以得出這樣的結(jié)論：本文所設(shè)計的控制器在道路測試中顯示出良好的路徑跟蹤性能。圖22和23分別顯示了橫向加速度測試結(jié)果和四個車輪轉(zhuǎn)向角的變化情況。
7 總結(jié)
本文設(shè)計了一個用于四輪獨立轉(zhuǎn)向無人小車的路徑跟蹤控制器，主要目的在于減小車輛的側(cè)向位置誤差和橫擺角誤差。為了簡化控制器的設(shè)計，使用一個單軌模型來建立路徑跟蹤模型。將LPV系統(tǒng)模型應(yīng)用于控制器設(shè)計，使路徑跟蹤控制器對縱向速度和道路摩擦系數(shù)等參數(shù)擾動獲得良好的魯棒性。路徑跟蹤控制器是在LQR和前饋控制的基礎(chǔ)上設(shè)計的，前饋控制被用來消除干擾引起的誤差。為了評估所設(shè)計的路徑跟蹤控制器的性能，進(jìn)行了仿真和實車試驗。仿真和實驗結(jié)果表明，本文所設(shè)計的控制器不僅表現(xiàn)出良好的路徑跟蹤性能，而且還具有很強的魯棒性，可以處理參數(shù)不確定性問題。
利益沖突聲明
作者聲明與本文的研究、作者身份和/或發(fā)表沒有潛在的利益沖突。
經(jīng)費聲明
本文的研究、撰寫和/或發(fā)表接受了以下財務(wù)支持。這項工作得到了中國國家重點研發(fā)計劃（批準(zhǔn)號：2018YFB0104802）、中國國家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號：U1564207）和上海汽車工業(yè)科技發(fā)展基金會項目（批準(zhǔn)號：1734）的部分支持。
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參考文獻(xiàn)
END
聯(lián)系人：張老師
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