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基于四輪轉(zhuǎn)向和直接橫擺力矩控制的自主地面車(chē)輛LPV/H∞路徑跟蹤控制器設(shè)計(jì)

2022-03-01 20:37:54·  來(lái)源：同濟(jì)智能汽車(chē)研究所  
　
由于每個(gè)輪轂電機(jī)的工作輸出扭矩與相應(yīng)輪胎的垂直負(fù)載成正比，因此執(zhí)行器的加權(quán)矩陣
定義為：


廣義力的加權(quán)矩陣
用于調(diào)整總縱向力和外部橫擺力矩的優(yōu)先級(jí)，即當(dāng)車(chē)輛在大橫向加速度條件下行駛時(shí)，可以增加外部橫擺力矩的權(quán)重，以提高車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性。由于采用了4WS技術(shù)來(lái)改善車(chē)輛的動(dòng)態(tài)性能，因此總縱向力和外部橫擺力矩的權(quán)重暫時(shí)設(shè)置為相同值。



4 仿真和評(píng)價(jià)
為評(píng)估設(shè)計(jì)的LPV/H∞控制器實(shí)現(xiàn)4WIS-4WID電動(dòng)汽車(chē)的路徑跟蹤，基于在CarSim中構(gòu)建的高保真整車(chē)模型，進(jìn)行了兩個(gè)仿真案例。表1列出了仿真的車(chē)輛參數(shù)，原型車(chē)輛如下圖7所示。
表1 仿真中的車(chē)輛參數(shù)




圖7 4WIS-4WID電動(dòng)汽車(chē)原型車(chē)
4.1.單車(chē)道變換操縱
在此仿真案例下，基于所設(shè)計(jì)的LPV/H∞控制器和控制分配算法，對(duì)4WIS-4WID電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行了單車(chē)道變換操縱。為了更好地顯示LPV/H∞控制器的性能，仿真結(jié)果還顯示了固定增益H∞控制器的路徑跟蹤性能。在模擬情況下，車(chē)輛縱向速度設(shè)定為20m/s，道路摩擦系數(shù)設(shè)定為0.3。
圖8顯示了兩個(gè)控制器在單車(chē)道變換操縱中的路徑跟蹤結(jié)果。為了更好地顯示路徑跟蹤性能，圖9和圖10分別顯示了橫向位置誤差和偏航角度誤差?？梢钥闯?，LPV/H∞控制器的橫向位置誤差和偏航角誤差都比固定增益H∞控制器小得多，表明所設(shè)計(jì)的LPV/H∞控制器具有更好的路徑跟蹤性能。此外，固定增益H∞控制器的跟蹤誤差不能收斂到零，這往往是不穩(wěn)定的。


圖8 單車(chē)道變換仿真中的路徑跟蹤結(jié)果


圖9 單車(chē)道變換仿真中的橫向位置誤差


圖10 單車(chē)道變換仿真中的偏航角度誤差
從圖11~13中可以看出，固定增益H∞控制器的前后轉(zhuǎn)角變化都比LPV/H∞控制器大得多。固定增益H∞控制器的輸出不能收斂到穩(wěn)態(tài)值，但對(duì)于LPV/H∞控制器卻有相反的結(jié)論。可以推斷，固定增益H∞控制器充分利用了較大的轉(zhuǎn)向角和外部橫擺力矩來(lái)改善車(chē)輛的動(dòng)態(tài)性能。然而，車(chē)輛往往是不穩(wěn)定的。結(jié)果表明，當(dāng)車(chē)輛行駛在低粘著路面時(shí)，LPV/H∞控制器具有較好的控制效果。兩個(gè)控制器的橫向速度如圖14所示，可以觀察到LPV/H∞控制器幫助車(chē)輛獲得較小的橫向速度，幾乎接近于零。也就是說(shuō)，安裝了LPV/H∞控制器的車(chē)輛具有更好的操縱穩(wěn)定性。此外，橫擺角速度如圖15所示。


圖11 單車(chē)道變換仿真中的前轉(zhuǎn)向角


圖12 單車(chē)道變換仿真中的后轉(zhuǎn)向角


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