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申请/专利权人：哈尔滨工业大学

摘要：一种基于加速度矢量控制的智能汽车紧急避障控制方法，涉及汽车运动控制技术领域。建立地面坐标系和汽车坐标系以及汽车运动学模型，对避障问题建模；在轮胎上建立轮胎坐标系，建立汽车动力学模型；对轮胎力的描述采用摩擦圆约束，对汽车加速度进行跟踪控制时，采用魔术公式描述轮胎的轮胎力，建立轮胎力模型；获取汽车与环境的基本参数；将最优避障问题描述为最优控制问题；求解最优控制问题；根据最优控制问题的解设计避障控制器。将最优避障问题描述为最优控制问题，给出使得避障轨迹到障碍物距离最大的加速度矢量轨线，在遭遇障碍物时控制汽车跟踪该轨线能够实现优异的避障性能。

主权项：1.一种基于加速度矢量控制的智能汽车紧急避障控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：对避障问题建模设障碍物面向汽车的轮廓为横向的直线，在汽车发现障碍物时避障开始，在汽车穿过障碍物的延长线时避障结束，最优避障的控制目标为在避障结束时刻汽车距离障碍物最远，设定汽车向左避障；首先建立地面坐标系，从避障开始时刻汽车质心位置向障碍物做垂线的垂足位置为原点，X轴沿所做垂线指向前方，Y轴沿障碍物的直线指向左侧，然后建立汽车坐标系，以汽车质心为原点，X轴指向汽车正前方，Y轴指向汽车左侧，汽车速度v在地面坐标系X轴和Y轴上的分量分别记作Gvx和Gvy，在汽车坐标系X轴和Y轴上的分量分别记作Vvx和Vvy，汽车加速度a方向与地面坐标系X轴负方向的夹角记作Gθ，与汽车坐标系X轴负方向的夹角记作Vθ；则汽车坐标系与地面坐标系间的坐标转换如下： Vvx＝GvxcosΨ+GvysinΨ Vvy＝GvycosΨ-GvxsinΨ Vθ＝Gθ-Ψ设汽车质心在地面坐标系下的坐标为X,Y，则汽车运动学模型表示为： 式中，Ψ为汽车航向角，r为横摆率；步骤二：建立汽车动力学模型在汽车坐标系中前轮和后轮的转向角分别记作δf和δr，在每个轮胎上建立轮胎坐标系，以轮胎中心为原点，X轴沿着轮胎平面指向正前方，Y轴垂直轮胎平面指向左侧，各轮胎力Fi方向与汽车坐标系X轴负方向的夹角记作Vθi，与轮胎坐标系X轴负方向的夹角记作用角标i＝1,2,3,4按顺序分别代表左前轮、右前轮、左后轮、右后轮，用角标f表示前轴，f＝1,2，用角标r表示后轴，r＝3,4；在前轴和后轴，两个夹角Vθi及的转换关系如下： 则汽车动力学模型表示为： Vθ＝atan2Vay,Vax 式中，M为整车质量；步骤三：建立轮胎力模型在进行最优控制问题建模和求解时，对轮胎力的描述采用摩擦圆约束，汽车加速度的大小最大不超过amax＝μg，g代表重力加速度，在对汽车加速度进行跟踪控制时，采用魔术公式将每个轮胎的轮胎力描述为如下的函数关系：[Fx,Fy]＝Fα,κ,μ,Fz其中，Fx代表轮胎纵向力,Fy代表轮胎侧向力，α代表轮胎侧偏角，κ代表轮胎滑移率，μ代表路面附着系数，Fz代表轮胎载荷；前轴和后轴轮胎载荷分别为： 前轴和后轴轮胎侧偏角分别为： 式中，lf和lr分别为汽车质心到前轴和后轴的距离；步骤四：获取汽车与环境的基本参数获取汽车参数包括整车质量M、汽车质心到前轴和后轴的距离lf和lr以及魔术公式所需的轮胎侧偏角α、轮胎滑移率κ、轮胎载荷Fz，获取环境参数包括路面附着系数μ、避障开始时刻汽车质心在地面坐标系下的坐标X0,0以及避障开始时刻汽车速度v在地面坐标系X轴和Y轴上的分量Gvx0和Gvy0；步骤五：将最优避障问题描述为最优控制问题认为避障过程中汽车加速度a＝amax，将汽车动力学模型中的a替换为amax，最优避障问题描述为优化指标为J的最优控制问题： x0＝x0ψtf＝0式中，u代表控制量为Gθ，tf代表避障结束的终端时刻，φ代表终端性能指标函数，x代表状态量为[X,Y,Gvx,Gvy]T，x0代表状态量的初值为[X0,0,Gvx0,Gvy0]T，ψ代表终端条件，取ψ＝X，f代表建立的汽车动力学模型，在最优控制问题中各变量均视作关于时间的函数；步骤六：求解最优控制问题对最优控制问题应用极小值原理，引入协态量如下：λ＝[λ1,λ2,λ3,λ4]T用右上角标*代表最优轨线，根据横截条件，有： 式中，γ为拉格朗日乘子，则该式可写作： 哈密顿函数为：H＝λTf＝Gvxλ1+Gvyλ2-amaxcosGθλ3+amaxsinGθλ4根据极小值原理有Htf＝0，即：Htf＝γGvxtf-Gvytf＝0进而，解出： 正则条件为： 即： 根据极小值原理，最优的控制量应使哈密顿函数取极小值： 结合正则条件和横截条件，最优控制问题可得到解析解；分析哈密顿函数，使其取得最小值的控制量满足： 结合正则条件和横截条件，得到最优协态关于时间的函数： 其中，和始终成比例，表明Gθ*为常数，并且有： 最优避障轨线符合斜抛运动规律，通过积分求得： 进一步将tf带入时间自变量t得到终端状态，结合终端条件得到以下方程组： 方程组中包含三个未知数和tf，通过数值方法解出，进一步求得最优控制轨线Gθ*t；步骤七：根据最优控制问题的解设计避障控制器避障控制器首先给出最优控制轨线，然后通过控制各轮轮胎力方向跟踪期望加速度方向，最后通过控制前轮和后轮的转向角和各轮胎滑移率实现期望的轮胎力，避障控制器包括最优控制器、比例积分控制器、坐标转换、轮胎力解算、转向控制和滑移率控制，其中：所述最优控制器在线求解步骤六最终的方程组；所述比例积分控制器作为反馈控制器，配合前馈通路，控制汽车加速度方向Gθ跟踪期望加速度方向Gθd，其输入为汽车加速度方向相较于期望加速度方向的偏差e＝Gθd-Gθ，输出为Gθcf，与前馈控制量一起组合成加速度方向控制量Gθc＝Gθcf+Gθd，比例积分控制器设计为： Gθcf＝Pe+I∫edt其中，P和I为参数；所述坐标转换将地面坐标系的加速度方向控制量Gθc转换到轮胎坐标系 Vθc＝Gθc+Ψ 所述轮胎力解算根据轮胎力方向解算出该方向上最大轮胎力对应的轮胎侧偏角α和轮胎滑移率κ，输入为轮胎坐标系的加速度方向控制量输出为各轴的期望轮胎侧偏角αid以及各轮胎的期望滑移率κid，轮胎力解算通过求取如下的优化问题得到： [Fx,Fy]＝Fα,κ,μ,Fz对给定的轮胎和路面，该优化问题的解是从到α和κ的映射，记作： 各轮的期望轮胎侧偏角及期望滑移率表示为： κ1d＝κ2d＝κfdκ3d＝κ4d＝κrd此外，轮胎力解算还输出期望纵向力表示为：Fxid＝Fαfd,κid,μ,Fzfi＝1,2Fxid＝Fαrd,κid,μ,Fzfi＝3,4所述转向控制用于控制前轮和后轮的转向角，使前轴和后轴的轮胎侧偏角等于期望值，输入为汽车速度的分量Vvx和Vvy以及横摆率r，输出前轮和后轮的转向角表示为： 所述滑移率控制通过控制各轮缸的制动压力pi，使各轮胎的滑移率跟踪期望滑移率，输入为期望滑移率κid和实际滑移率κi，输出为各轮缸的制动压力pi，控制律设计为： 式中，kp为制动力与轮缸压力的比值，k1为可调参数，sign代表符号函数。

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