智能车辆路径跟踪控制应用研究

姜立标，洪 顺

(华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640)

作者简介：姜立标（1965—），男，副教授，博士，主要研究方向为智能网联与自动驾驶技术，jlb620620@163.com.

通讯作者：洪顺，男，硕士研究生，hshun_up@163.com.

摘要：为了提高智能车辆路径跟踪的精度，改善其行驶稳定性，提出了一种基于线性时变模型预测控制原理的路径跟踪控制器。对智能车辆进行动力学模型简化、三自由度动力学建模，对非线性动力学模型做线性化处理，获得线性时变状态方程，离散化得到离散方程和预测方程，考虑质心侧偏角、路面附着系数、轮胎侧偏角等约束条件，优化目标函数并转化求解方式为二次规划。基于MATLAB/Simulink和Carsim联合仿真平台，分别对直线路径和双移线路径跟踪进行仿真，结果表明，该路径跟踪控制器对目标路径有较好的跟踪效果。

关键词：智能车辆；线性时变模型；动力学模型；跟踪控制；模型预测控制

中图分类号：U471        文献标识码：A       文章编号：2095-509X(2021)06-0051-05

随着计算机技术的快速发展和对驾驶安全要求的提高^［1］，智能车辆控制的研究获得了广泛的关注，其中路径跟踪控制是智能车辆控制的重要组成部分，路径跟踪控制的好坏直接关系到智能车辆控制的效果^［2］。路径跟踪控制常采用几何方法进行，如预瞄法、纯跟踪算法等，但是由于车辆尺寸较大、运动情况复杂，受最小转弯半径等动力学条件的约束，传统的几何方法很难解决多约束问题^［3-5］。现有的针对智能车辆行驶安全和行驶稳定性以及车辆路径跟踪精度的研究难以达到要求^［6-8］，因此对路径跟踪精度和车辆行驶稳定性的研究具有十分重要的意义。本文建立了车辆简化模型，搭建了智能车辆三自由度动力学模型，构建了基于线性时变模型的智能车辆路径跟踪控制器，在MATLAB/Simulink与Carsim联合仿真平台上对车辆的各种运行工况进行仿真，分析不同工况下的路径跟踪效果，验证了该路径跟踪控制器的有效性。

1 车辆动力学模型

车辆模型的复杂度越高，计算时间越长，对计算机内存的消耗越大。为满足车辆目标路径跟踪的精度和实时性要求，在比较准确地描述车辆动力学特性的基础上尽可能对模型进行简化，故作出以下假设：不考虑车辆z轴方向的运动，且行驶路面平坦；不考虑悬架系统的影响；忽略车辆行驶过程中的载荷转移及自身转向系统的影响；仅考虑纯侧偏轮胎特性，同时不考虑轮胎非线性区。

在上述较为理想的假设基础上，本文搭建了具有三自由度的车辆模型，如图1所示，其三自由度分别为横向、纵向和横摆运动。图中，oxy为车辆坐标系，OXY为惯性坐标系。