本发明专利技术提出一种基于微分平坦和自抗扰的四轮转向汽车轨迹跟踪控制方法，可以提高四轮转向汽车对参考轨迹的跟踪效果。包括以下步骤：步骤一：建立三自由度四轮转向汽车单轨控制模型；步骤二：根据步骤一建立的控制模型，根据微分平坦理论，将欠驱动被控模型变换为带有扰动的没有零动态子系统的输入输出耦合模型；步骤三：根据步骤二建立的输入输出耦合模型，设计线性自抗扰控制器，主要包括高阶线性跟踪微分器、高阶扩张状态观测器和线性反馈控制律三个方面，最后得到实际控制量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于四轮转向汽车轨迹跟踪控制领域，涉及一种基于微分平坦和自抗扰的 四轮转向汽车轨迹跟踪控制方法。
技术介绍
四轮转向系统(全轮转向系统)是车辆操纵稳定性的重要组成部分，它的特点是在 低速时前后轮反相转动，减小转弯半径;高速时同相转动，变换车道更容易。在对车辆操纵 稳定性以及汽车智能化要求不断提高的前提下，四轮转向汽车对参考轨迹(路径规划)进行 准确的跟踪控制的要求越来越迫切。随着现代控制理论的不断发展，在经典控制理论的范 围之外，开辟更有效的提高跟踪控制效果的新途径，已成为当前四轮转向汽车控制领域的 重要课题。 微分平坦理论是解决欠驱动问题的一个有效的途径。相对其他方法来说，微分平 坦理论既可以处理最小相位系统(静态反馈线性化），又可以处理非最小相位系统（动态反 馈线性化），将非线性系统等价为没有零动态子系统的输入到平坦输出的系统。但是微分平 坦条件对于一个非线性系统来说很苛刻。因此通常采用一些合理的近似化方法，考虑其近 似系统的微分平坦属性，然后对残差作为扰动以及不确定项进行估计和补偿。 经典PID控制理论具有一定的抗扰能力，借鉴"基于误差消除误差"的思想，自抗扰 控制技术是吸收现代控制理论成果、发扬PID思想精髓、开发运用特殊非线性效应来发展的 新型实用技术。自抗扰控制技术完全独立于被控对象的数学模型，其最突出的特点就是把 作用于被控对象的所有不确定因素的作用都归结为"未知扰动"而利用对象的输入输出数 据对它进行实时估计并给予补偿。自抗扰的意义就在于此，这里并不需要直接测量外扰作 用，也不需要实现知道扰动的作用规律。这也使得在恶劣的环境中要求实现高速高精度控 制的场合，自抗扰控制技术更能显出其优越性。自抗扰技术控制输入输出系统估计补偿扰 动的优势正好适用于解决经微分平坦理论进行模型变换的输入到平坦输出的系统中存在 的扰动和不确定项的估计和补偿问题。
技术实现思路
本专利技术是针对现有技术的缺陷，提出一种基于微分平坦和自抗扰的四轮转向汽车 轨迹跟踪控制方法，可以提高四轮转向汽车对参考轨迹的跟踪效果。 本专利技术通过以下技术方案实现： -种，包括以下步骤： 步骤一:建立三自由度四轮转向汽车单轨控制模型； 步骤二:根据步骤一建立的控制模型，根据微分平坦理论，将欠驱动被控模型变换 为带有扰动的没有零动态子系统的输入输出耦合模型； 步骤三:根据步骤二建立的输入输出耦合模型，设计线性自抗扰控制器，主要包括 高阶线性跟踪微分器、高阶扩张状态观测器和线性反馈控制律三个方面，最后得到实际控 制量。 本专利技术的有益效果： 本专利技术对欠驱动三自由度四轮转向汽车运用微分平坦理论进行了模型变换，把非 线性、耦合、欠驱动模型变换成了没有零动态子系统的输到平坦入输出的模型，并且考虑到 把模型的不精确部分以及内外扰、不确定项等全部归为系统所受的扰动，然后设计控制器 进行控制。微分平坦系统可以通过内生动态反馈等价于一个线性系统(反馈线性化），通过 跟踪好平坦输出的参考轨迹，就可以跟踪好状态变量与系统输出的参考轨迹。【附图说明】 图1.四轮转向汽车单轨模型。【具体实施方式】 下面对本专利技术作进一步介绍。 本专利技术的一种基于微分平坦和自抗扰控制技术的四轮转向汽车跟踪控制方法，包 括以下步骤： 第一步:建立四轮转向汽车三自由度欠驱动单轨控制模型，描述如下： 其中，Vx，Vy，r分别是四轮转向汽车的纵向、横向和横摆角速度，fIf和fir是由发动 机、刹车力矩和摩擦引起的纵向力，由下式给出：其中，ε是纵向综合力匕在前后轮上的纵向力的常值分配系数，它的取值范围是从 〇 (后轮驱动汽车)到1 (前轮驱动汽车），此处考虑汽车仅由前轮驱动的情形，取ε = 1。 fsf和fsr是轮胎横向侧偏力 共中，a_ar分別代表丽庙轮恻偏用。模型中的Fx，Fy和Tz分别代表外部力和力矩扰 动，比如风阻，侧风干扰以及负载转移等等。考虑到侧偏力fsf和fsr的驱动/制动作用相对于 纵向驱/制动力flf和fir的驱动/制动作用来说很小，因此，可以令模型第一个方程中的fsf = fsr=o。将上述力的公式带入模型中，并进行小角度近似，可以得到下述方程其中，F' x，F' jPf 2是小角度近似后的残差。取vx，vy，r为状态变量，和€m为控制 变量，将上述模型化为状态空间的形式把gl ( X，t)U1U2+1K X，U，t)看作内外扰或不确定项，实际系统方程变为 第二步:根据第一步中的建立的控制模型，利用微分平坦理论对控制模型进行变 换，化为多变量耦合输入到平坦输出模型，解决欠驱动的问题。近似系统 的平坦输出为 状态变量可由平坦输出及其有限阶导数表示为 那么只要矩阵Δ&,爲，鬼>可逆，那么近似系统就是微分平坦的，即 该条件在实际中很容易满足。 那么实际系统可化为 其中，《/>(/) = [% (/)4:(/)7包含所有影响系统的项，包括：内外扰、不确定项、小角 度近似的残差等，还可以包括纵横向力公式中近似后的残差。第三步：根据第二步建立的多变量耦合输入输出模型，采用LADRC控制器进行控 制。考虑到内外扰的复杂性，以及自抗扰技术的优势，进而采用自抗扰控制器进行控制，为 简单起见，采用线性自抗扰控制器(LADRC)，控制器设计步骤如下：①跟踪微分器TD的设计： 此处设计的线性跟踪微分器比常规设计方法高了一阶，是为了获得参考信号的高 一阶的导数，以便在控制中加入前馈项。跟踪微分器的主要作用是对传感器测得的带量测 噪声的参考信号进行滤波。 ②高阶线性扩张状态观测器LES0的设计 考虑到(?(/)的复杂性，采用了高阶线性扩张状态观测器。 ③反馈控制律的设计： 实际控制量 为了验证上述设计的基于微分平坦和自抗扰控制技术相结合的轨迹跟踪控制器 的有效性，本专利技术利用半实物仿真环境对自抗扰控制器进行调试、试验，对模型的工程化应 用进行研究，本实施例中所采用的仿真参数如下 具体的仿真实施步骤包括两个方面： 1、PID控制器和LADRC控制器都能够对近似系统实现较好跟踪，跟踪效果差别不 大。从反馈线性化的角度来看，近似系统实质上等价于一个线性系统，PID控制器和LADRC控 制器在没有扰动的情况的效果没有什么差别。 2、把PID控制器控制近似系统的控制量加入到实际系统中，这样做的原因是增益 矩阵 gl(x，t)的幅值相对较小，用近似系统的控制量不会有很大的误差，但是从局部放大图 来看，跟踪效果与没有LADRC控制器的跟踪效果好。 3、在初始时，给定一个比较大的初始误差:给定纵向速度初始值为24.5m/s，横向 速度初始值为〇. lm/s，横摆角速度初始值为0.0 Olrad/s，PID控制器的控制量是控制近似系 统的控制量，相对LADRC控制器来说，在初始时没有大的波动，但是跟踪效果明显不如LADRC 控制器的跟踪效果。 4、本专利技术跟踪的是车辆在高速行驶时的超车轨迹，因为车辆在高速行驶时来自纵 向的风阻是不可忽视的扰动，同时为了验证自抗扰技术在估计补偿扰动上的优势，在车辆 的侧向加上2秒的侧方进行仿真，来比较PID和LADRC控制器的控制效果。可以看到在存在大 的风阻和侧风扰动的情况下，PID控制器的当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于微分平坦和自抗扰的四轮转向汽车轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：建立三自由度四轮转向汽车单轨控制模型；步骤二：根据步骤一建立的控制模型，根据微分平坦理论，将欠驱动被控模型变换为带有扰动的没有零动态子系统的输入输出耦合模型；步骤三：根据步骤二建立的输入输出耦合模型，设计线性自抗扰控制器，主要包括高阶线性跟踪微分器、高阶扩张状态观测器和线性反馈控制律三个方面，最后得到实际控制量。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：夏元清，李胜飞，蒲钒，付梦印，柴森春，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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