基于事件触发的无人车自动转向控制方法及系统与流程

本发明属于智能汽车先进控制的技术领域，具体涉及一种基于事件触发的无人车自动转向控制方法和系统。

背景技术：

无人车是结合了控制论、信息论、计算机技术和人工智能等多个不同领域的产物，其通过搭载先进的传感器件、计算单元以及控制执行部件等装置实现汽车的自主行驶，在促进智能交通系统建设、提高交通安全等方面做出了巨大贡献。自动转向控制是无人车的几大关键技术之一，是实现无人车自主行驶并跟随期望轨迹的核心技术，引起了各国学术界和业界的关注。

考虑到无人车面临着行驶工况复杂、环境多变、非线性耦合等问题与挑战，设计出具有鲁棒性的自动转向控制器是实现无人车路径跟踪的保障，成为了无人车控制领域的重点。专利号为cn107015477b的发明专利中提出了一种基于状态反馈的车辆路径跟踪h∞控制方法，专利号为cn107831761b的发明专利中提出了一种智能车的路径跟踪控制方法，专利号为cn111897344b的发明专利中提出了兼顾稳定性的自动驾驶汽车路径跟踪控制方法，然而，上述技术均基于传统的时间触发通信机制，并未考虑无人车通信网络带宽有限的特点，忽略了节约通信与计算资源的重要性。因此，本发明提供一种基于事件触发的无人车自动转向控制方法，通过设定事件触发器实现通信的决策，优化通信质量。相比于传统的时间触发控制，本发明提供的事件触发控制器能够减少不必要的信号传输、节约网络通信资源，同时保证无人车的路径跟踪性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于减少不必要的信号传输、节约网络通信资源，提供一种基于事件触发的无人车自动转向控制方法，旨在提高系统控制效能、改善无人车的路径跟踪性能。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于事件触发的无人车自动转向控制方法，通过以下步骤实现：

步骤一、建立无人车自动转向系统的数学模型包括以下两个部分：

1)通过力学定律建立无人车动力学模型如下：

其中：fyf＝cfαf，fyr＝crαr，αf表示前轮侧偏角；αr表示后轮侧偏角，m指无人车的质量；δf指主动前轮转向角；vy和vx分别指无人车的横向速度和纵向速度；和分别指无人车的横摆角速度和横摆角加速度；β指无人车的质心侧偏角，其可近似为vy和vx的比值；iz指无人车的横摆转动惯量；lf和lr分别指无人车质心到前轴和后轴的距离；fyf表示无人车的前轮侧偏力；fyr表示无人车的后轮侧偏力；cf和cr分别指无人车前后轮胎的侧偏刚度。

2)无人车和期望路径的位置关系可以描述为：

其中，yc指无人车与期望路径的横向位置偏差；ψc表示无人车当前位置的航向角误差，即为无人车实际横摆角ψ和期望路径航向角ψd的差，即ψc＝ψ-ψd；vy和vx分别指无人车的横向速度和纵向速度；表示无人车的横摆角速度；ρ(σ)表示期望路径的曲率。

选取无人车的横向速度vy，横摆角速度横向位置偏差yc和航向角误差ψc作为控制系统模型的状态变量，可以获得无人车自动转向控制系统模型如下：

式中，ω(t)＝ρ(σ)，u(t)＝δf，

式中，x(t)、ω(t)和u(t)分别为系统的状态向量、干扰输入和控制输入，a、b1和b2分别为对应的系统矩阵、干扰输入矩阵和控制输入矩阵。

进一步地，所述基于事件触发的通信机制，包含以下触发条件：

[x(tkh+nh)-x(tkh)]^tω[x(tkh+nh)-x(tkh)]≥μx^t(tkh)ωx(tkh)

n＝1,2,...,k＝1,2,...

式中，h表示采样周期；tkh和x(tkh)分别表示最近被触发的时刻和相应的触发状态量；tkh+nh和x(tkh+nh)分别表示当前采样时刻和相应的采样状态量；ω是一个正定的加权矩阵，需与控制器联合设计；μ是一个由用户根据实际需要给定的阈值参数，满足0≤μ＜1；

进一步地，事件触发器和控制器的联合设计包括下述内容：

1)定义事件触发控制器形式如下：

式中，tkh表示最近被触发的时刻，tk+1h表示下一被触发的时刻，x(tkh)表示最近被触发的状态量，k表示控制器的增益矩阵，τk和τk+1分别表示数据包x(tkh)和x(tk+1h)传输到控制器的时延；

2)确定系统控制目标如下：

选择系统被控输出向量z(t)＝[ycψc]^t＝cx(t)，其中进而确定系统控制目标为||z(t)||2＜γ||ω(t)||2；

3)建立无人车自动转向闭环时延系统

当系统在时间区间[tkh+τk,tk+1h+τk+1)上运行时，将上述时间区间划分为以下一系列子区间γ1，γ2，…，γδ：

其中，δ满足条件δ＝min{j|tkh+τk+jh≥tk+1h+τk+1}。进一步，定义以下两个分段函数：

步骤二、构建基于事件触发的通信机制；

步骤三、联合设计事件触发器和控制器；

步骤四、无人车自动转向行为的在线控制；

进一步地，事件触发控制器可以描述为：

其中，时滞τ(t)满足0≤τ1≤τ(t)≤τ2，其中时滞的上下界分别为：

τ1＝min{τk|k＝1,2,...}和τ2＝h+max{τk|k＝1,2,...}。

进一步地，无人车自动转向控制闭环系统可以描述如下：

4)联合求解触发器矩阵ω和控制器增益矩阵k，其可通过求解以下一组线性矩阵不等式获得：

值得指出的是，上述条件能够保证闭环系统满足渐近稳定性和期望性能||z(t)||2＜γ||ω(t)||2.进一步地，控制器增益矩阵k的计算公式为：k＝vl^-1。式中：a、b1、b2和c分别指前文介绍的系统矩阵、干扰输入矩阵、控制输入矩阵和被控输出矩阵，γ是用户根据实际需要给定的正数，l、q1、q2、r1、r2、ω为适当维数的正定矩阵，v是适当维数的一般矩阵，μ是一个由用户根据实际需要给定的阈值参数并且满足0≤μ＜1，τ1和τ2分别表示系统时滞的下界和上界，τ12＝τ2-τ1；

进一步地，使用得到的事件触发控制器进行无人车自动转向行为的在线控制，使得无人车系统同时满足渐近稳定性和期望的性能要求||z(t)||2＜γ||ω(t)||2，其中γ为抑制指标参考值。

本发明公开了一种无人车自动转向控制方法的无人车自动转向控制系统，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的方法步骤。

本发明公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述的计算机程序被处理器执行时实现所述的方法步骤。

本发明的有益效果体现在：

本发明无人车自动转向控制系统中引入了事件触发通信机制，并且建立了事件触发器和控制器的联合设计条件。所设计的事件触发控制器能够在保证系统行驶稳定性和路径跟踪性能的同时，有效地减少不必要的信号交换、节约通信和计算资源。

附图说明

图1为本发明无人车的机理模型图。

图2为本发明实施例涉及采样数据传输间隔图。

图3为本发明实施例涉及无人车路径跟踪仿真效果图。

图4为本发明实施例涉及无人车路径跟踪仿真效果局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对发明作进一步描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实例不能作为本发明的限定。

本实施例中的一种基于事件触发的无人车自动转向控制方法，其控制步骤为：

(1)建立无人车自动转向系统的数学模型

如图1所示，x-y为固定于地面的平面坐标系，其中x表示直路面的方向，y表示与x轴垂直的方向；x-y为固定于车辆的坐标系，其中x表示车辆的纵向，y表示车辆的侧向，其坐标系原点位于车辆质心。通过力学定律建立无人车动力学模型如下：

其中：fyf＝cfαf，fyr＝crαr，αf表示前轮侧偏角；αr表示后轮侧偏角，m指无人车的质量；δf指主动前轮转向角；vy和vx分别指无人车的横向速度和纵向速度；和分别指无人车的横摆角速度和横摆角加速度；β指无人车的质心侧偏角，其可近似为vy和vx的比值；iz指无人车的横摆转动惯量；lf和lr分别指无人车质心到前轴和后轴的距离；fyf表示无人车的前轮侧偏力；fyr表示无人车的后轮侧偏力；cf和cr分别指无人车前后轮胎的侧偏刚度。

如图1所示，无人车和期望路径的位置关系可以描述为：

其中，yc指无人车与期望路径的横向位置偏差；ψc表示无人车当前位置的航向角误差，即为无人车实际横摆角ψ和期望路径航向角ψd的差，即ψc＝ψ-ψd；vy和vx分别指无人车的横向速度和纵向速度；表示无人车的横摆角速度；ρ(σ)表示期望路径的曲率。

进一步地，选取无人车的横向速度vy，横摆角速度横向位置偏差yc和航向角误差ψc作为控制系统模型的状态变量，可以获得无人车自动转向控制系统模型如下：

式中，ω(t)＝ρ(σ)，u(t)＝δf，

式中，x(t)、ω(t)和u(t)分别为系统的状态向量、干扰输入和控制输入，a、b1和b2分别为对应的系统矩阵、干扰输入矩阵和控制输入矩阵。

(2)构建基于事件触发的通信机制

基于事件触发的通信机制包含以下触发条件：

[x(tkh+nh)-x(tkh)]^tω[x(tkh+nh)-x(tkh)]≥μx^t(tkh)ωx(tkh)

n＝1,2,...,k＝1,2,...

式中，h表示采样周期；tkh和x(tkh)分别表示最近被触发的时刻和相应的触发状态量；tkh+nh和x(tkh+nh)分别表示当前采样时刻和相应的采样状态量；ω是一个正定的加权矩阵，需与控制器联合设计；μ是一个由用户根据实际需要给定的阈值参数，满足0≤μ＜1；

(3)联合设计事件触发器和控制器

1)定义事件触发控制器形式如下：

式中，tkh表示最近被触发的时刻，tk+1h表示下一被触发的时刻，x(tkh)表示最近被触发的状态量，k表示控制器的增益矩阵，τk和τk+1分别表示数据包x(tkh)和x(tk+1h)传输到控制器的时延；

2)确定系统控制目标如下：

选择系统被控输出向量z(t)＝[ycψc]^t＝cx(t)，其中进而确定系统控制目标为||z(t)||2＜γ||ω(t)||2；

3)建立无人车自动转向闭环时延系统

当系统在时间区间[tkh+τk,tk+1h+τk+1)上运行时，将上述时间区间划分为以下一系列子区间γ1，γ2，…，γδ：

其中，δ满足条件δ＝min{j|tkh+τk+jh≥tk+1h+τk+1}。进一步，定义以下两个分段函数：

基于上述关系，事件触发控制器可以描述为：

其中，时滞τ(t)满足0≤τ1≤τ(t)≤τ2，其中时滞的上下界分别为：

τ1＝min{τk|k＝1,2,...}和τ2＝h+max{τk|k＝1,2,...}。

进一步地，无人车自动转向控制闭环系统可以描述如下：

4)联合求解触发器矩阵ω和控制器增益矩阵k，其可通过求解以下一组线性矩阵不等式获得：

值得指出的是，上述条件能够保证闭环系统满足渐近稳定性和期望性能||z(t)||2＜γ||ω(t)||2。进一步地，控制器增益矩阵k的计算公式为：k＝vl^-1。式中：a、b1、b2和c分别指前文介绍的系统矩阵、干扰输入矩阵、控制输入矩阵和被控输出矩阵，γ是用户根据实际需要给定的正数，l、q1、q2、r1、r2、ω为适当维数的正定矩阵，v是适当维数的一般矩阵，μ是一个由用户根据实际需要给定的阈值参数并且满足0≤μ＜1，τ1和τ2分别表示系统时滞的下界和上界，τ12＝τ2-τ1；

(4)无人车自动转向行为的在线控制

使用得到的事件触发控制器进行无人车自动转向行为的在线控制，使得无人车系统同时满足渐近稳定性和期望的性能要求||z(t)||2＜γ||ω(t)||2，其中γ为抑制指标参考值。

本实施例中一种基于事件触发的无人车自动转向控制方法自动转向控制系统中引入了事件触发通信机制。所设计的事件触发控制器能够在保证系统行驶稳定性和路径跟踪性能的同时，有效地减少不必要的信号交换、节约通信和计算资源。

本实施例中使用的无人车自动转向控制系统的主要技术性能指标和设备参数为：m＝1500kg，iz＝2400kg·m²，cf＝80000n/rad，cr＝84000n/rad，lf＝1.5m，lr＝1.3m，vx＝15m/s，τ1＝0.003，τ2＝0.019，μ＝0.3。γ为采用所述事件触发控制器得到的闭环系统对于外部干扰的抑制指标参考值，本实例中满足不等式条件成立γ的最小值为γmin＝3087.6。用户可以根据实际需要任意选择不小于该值的抑制指标参考值γ来求解相应的路径跟踪控制器。

本实例中选取最小抑制指标参考值，即γ＝3087.6，联合设计求得触发器矩阵和控制器增益分别为：

k＝[0.003-0.0141-0.0021-0.1253]。

图2描述了本发明实施例涉及采样数据传输间隔图，值得提出的是，仅1.47％的通信资源用于控制器的在线计算与更新，节约了98.53％的通信资源。图3描述了本发明实施例涉及无人车路径跟踪仿真效果图，显示了所提控制器可以高精度地跟踪期望路径。图4给出了仿真给出了本发明实例涉及前轮自动转向角，其可以由主动电机产生并作用于自动转向系统。图2-4显示了所提供的控制器不仅可以保证无人车按期望路径自主行驶，更能节约大量的通信资源，进而节省计算资源，更能满足汽车智能化、无人化的发展需求。

以上实施例仅说明本发明的技术思想和特点，旨在能够使本领域的工作人员更好的理解并实施。本发明的保护范围不仅限于上述实施例，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所做的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围。