一种融合轨迹跟踪与漂移控制的车辆高速过弯控制方法

本发明属于车辆竞速领域，尤其是涉及一种融合轨迹跟踪与漂移控制的车辆高速过弯控制方法。

背景技术：

1、随着汽车产业的不断发展和各项智能辅助驾驶技术的不断成熟，汽车主动安全成为了现代汽车设计的重要原则之一。然而现有的安全操控技术都将轮胎的侧向力最小化或限制在线性区域内，以使普通驾驶员能在紧急情况下保持对车辆的控制。然而，在一些极端驾驶条件下，例如，车辆在湿滑的地面上高速转弯，传统的车辆控制手段无法有效使车辆稳定，轮胎将打滑并失去控制，可能会造成事故，导致人员伤亡。

2、在拉力赛中，专业赛车手会利用车辆的全部处理能力并避免事故的发生，他们会在高速过弯时，增大后轮驱动力，并反打方向，此时车辆会以一个较大的侧滑角运动，后轮轮胎力处于饱和状态，这种过弯技术称为漂移技术。掌握漂移过弯技术，不仅可以降低车辆的过弯时间，提升拉力赛的观赏性和趣味性，也能在保持车身稳定的同时，扩展车辆的安全操作范围。

3、如公开号为cnll5384529a的中国专利文献公开了一种公开了一种应对极限工况的三轴商用车双阶段漂移控制方法及安全辅助系统，包括环境感知模块、路径跟踪模块、车路协同模块和车辆系统模块。搭建了包含非线性轮胎的双轨三轴车辆路径跟踪模型。根据弯道特征计算稳态漂移状态量，对状态量根轨迹进行稳定性分析，基于时变模型预测算法跟踪期望稳态漂移平衡状态，实现辅助漂移控制，获取预瞄道路信息，计算横向误差与航向误差，并据此切换控制模式，足无人驾驶商用车复杂工况漂移行驶需求。

4、现有技术中，虽然可以控制车辆进入漂移状态，但是没有对漂移时的轨迹进行规划和控制，可能会导致提前退出漂移态或偏离预定路径的情况，此外，如果不对漂移前的轨迹进行规划和控制，可能会导致过弯时间增加，降低通行效率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种融合轨迹跟踪与漂移控制的车辆高速过弯控制方法，能够在维持车辆高速过弯的情况下跟踪指定轨迹，提高了极限工况下车辆的操纵性和安全性。

2、本发明所采用的具体技术方案如下：

3、本发明提供了一种融合轨迹跟踪与漂移控制的车辆高速过弯控制方法，包括以下步骤：

4、(1)通过求解车辆最短时间过弯问题，将激进的高速过弯过程分解成引导入弯阶段、漂移跟踪阶段和退出漂移阶段三个部分；

5、(2)对于所述入弯引导阶段，使用三次贝塞尔曲线规划一条从起始点到起漂点的光滑路径，构造车辆三自由度动力学模型和曲线坐标系下的误差跟踪模型，通过求解优化问题，得到最优控制率；

6、(3)对于所述漂移跟踪阶段，根据车辆模型和误差模型计算漂移平衡点，并在漂移平衡点附近对构建的漂移跟踪模型进行线性化处理，使用mpc控制方法使车辆保持漂移；

7、(4)对于所述退出漂移阶段，重新设置车辆的平衡点，将横摆角速度和车辆侧偏角的期望值设为0，使车辆退出漂移态，返回常规行驶工况。

8、作为优选，所述步骤(1)中，最短时间过弯问题的构造过程如下所示：

9、(2-1)构造状态量x，其维度为一个5*1的向量，表达式如下所示：

10、

11、其中v为车辆行驶速度，β为车辆侧滑角，r为车辆横摆角速度，e为车辆质心与道路参考点之前的误差，为车辆航向角误差；

12、(2-2)选取控制量u，其维度为一个2*l的向量，表达式如下所示：

13、u＝[δ fxr]

14、其中，δ为车辆的前轮偏角，fxr为车辆的后轮驱动力；

15、(2-3)包含约束的最短时间过弯问题表达式为：

16、

17、

18、

19、

20、-d≤e≤d

21、umin≤u(k)≤umax

22、δumin≤δu(k)≤δumax

23、其中，j为待优化的目标函数，s0为车辆初始状态时行驶过的路径，sf为车辆终止状态时行驶过的路径，κ为道路曲率，为车辆在行驶路径长度为s0时的状态量，为车辆在行驶路径长度为sf时的状态量，xinit为初始状态时的车辆约束条件，xfinal为车辆终止状态时的约束条件，d为道路宽度，u(k)为k时刻的控制量，umin和umax分别为控制量的最小值和最大值，δu(k)为k时刻控制量的增量，δumin和δumax分别为控制量增量的最大值和最小值，s为车辆沿着给定道路运动的距离，为状态量x关于路径长度s的导数。

24、作为优选，所述步骤(2)中，使用三次贝塞尔曲线构建一条从起始点到起漂点的无碰撞光滑路径，保证起始点和起漂点的速度方向与路径切线方向平行；再通过求解最优控制问题使车辆能够在最短时间过弯的同时跟踪给定路径，优化问题的构造过程如下：

25、(3-1)三次贝塞尔曲线的表达式为：

26、γ(t)＝(1-t)3p0+3(1-t)2tp1+3(1-t)t2p2+t3p3，t∈[0，1]

27、其中，t为贝塞尔曲线的参数，p0、p1、p2、p3为选取的4个控制点；为了使车辆在运动过程中加速度的变化量最小，控制点的选取需要满足p1p2与p0p3平行且

28、(3-2)车辆的单轨三自由度车辆动力学方程表示为：

29、

30、

31、

32、其中，为车辆行驶速度的导数，为车辆侧滑角的导数，为车辆横摆角速度的导数，v为车辆行驶速度，β为车辆侧滑角，r为车辆横摆角速度，δ为车辆的前轮偏角，fxr为车辆的后轮驱动力，m为车辆质量，iz为车辆绕z轴的转动惯量，a和b分别为车辆质心到前轮和后轮距离，fyf和fyr分别为车辆前轮和后轮的侧向力；

33、前轮和后轮的侧向力通过魔术轮胎公式获得：

34、fyi＝-μfzisin(citan-1biαi)，i∈{f，r}

35、其中，当i为f时fyi表示前轮侧向力，当i为r时fyi表示后轮侧向力，μ为路面附着系数，fzi为轮胎的垂直载荷，ci和bi为魔术轮胎模型的参数；

36、(3-3)步骤(3-2)公式中αf和αr分别为前轮胎和后轮胎的侧偏角，计算公式分别为：

37、

38、

39、(3-4)为了描述车辆在全局坐标系下的位姿变化，构建运动学方程如下所示：

40、

41、

42、

43、其中，和分别为车辆在世界坐标系下的横坐标和纵坐标的导数，为车辆的航向角；

44、(3-5)出于优化计算的目的，使用曲线坐标系描述车辆相对于道路的运动状态，其计算公式如下所示：

45、

46、

47、

48、其中为车辆沿着给定道路运动的距离的导数，为车辆质心与道路参考点之前的误差的导数，κ为道路曲率，为车辆航向角误差，β为车辆侧滑角，为车辆横摆角速度的导数；

49、(3-6)将所有状态量对时间的导数乘以sf算子，得到状态量关于行驶距离s的导数，sf的计算公式如下所示：

50、

51、其中v为车俩行驶速度，e为车辆质心与道路参考点之前的误差，κ为道路曲率，为车辆航向角误差，β为车辆侧滑角；

52、(3-7)当一条连接起始点与起漂点的路径规划完成后，通过求解最优控制问题使得车辆可以跟踪相应的路径，并且在最短的时间内到达起漂点，构建的优化问题如下所示：

53、

54、

55、

56、

57、

58、umin≤u(k)≤umax

59、δumin≤δu(k)≤δumax

60、其中，为状态量x关于路径长度s的导数，v0、β0、r0、分别为初始时刻的车辆速度、侧滑角、横摆角速度和航向角偏差，veq、βeq、req、分别为漂移平衡点的车辆速度、侧滑角、横摆角速度和航向角偏差，r(s)为路径曲率半径随路径长度s变化的函数值，分别为行驶路径为s0时的车辆速度、侧滑角、横摆角速度和航向角偏差，分别为行驶路径为sf时的车辆速度、侧滑角、横摆角速度和航向角偏差，g为重力加速度。

61、作为优选，所述步骤(3)中，使用mpc控制方法控制车辆在保持漂移状态的同时跟踪给定轨迹，需要将状态空间方程在平衡点展开并构建二次规划问题，计算过程如下所示：

62、(4-1)构建的漂移跟踪模型如下所示：

63、

64、

65、

66、

67、

68、其中，e为车辆与道路参考点之前的跟踪误差，为车辆的航向角与道路切线之间的偏差；

69、(4-2)所述漂移跟踪模型在平衡点附近线性化为：

70、

71、其中，δx＝x-xeq，δu＝u-ueq，为车辆的五个状态量，u＝[δ，fxr]t为输入量，和是漂移平衡点设定值，a和b为雅可比矩阵；

72、(3-3)使用所述漂移跟踪模型预测控制所构造的目标函数如下所示：

73、

74、其中，q和r为代价函数的权重矩阵，x(k)为k时刻时状态量的预测值，δu(k)为k时刻控制量的变化值。

75、作为优选，所述步骤(4)中，设置新的三自由度车辆模型的平衡点，并使用mpc控制方法使车辆退出漂移态，进入常规行驶状态，新的平衡点设置为：

76、x＝[vend，0，0]

77、其中，vend为车辆在漂移状态结束时的速度。

78、本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

79、本发明首先通过求解最短时间过弯问题，将高速的过弯过程分成三个阶段，为后续的轨迹规划和跟踪控制提供理论依据。其次，通过贝塞尔曲线规划引导入弯阶段的路径，保证了路径的平滑度和可行性。然后通过求解优化问题得到最优控制率，使得车辆可以在跟踪路径的同时以最快速度达到起漂点。另外使用mpc模型预测控制，将车辆模型在漂移平衡点附近进行线性化展开，并求解二次规划问题的到前轮偏角和后轮驱动力作为控制输入。最后，修改平衡点使车辆可以退出漂移状态，返回常规工况行驶。