基于线性矩阵不等式的智能车轨迹跟踪控制

针对传统的基于精确数学模型的智能车轨迹跟踪控制器跟踪精度低,鲁棒性弱,很难适应复杂多变的驾驶环境等问题,结合线性矩阵不等式(LMI)鲁棒控制具有易于求解、抗干扰能力强等优点,提出基于LMI的智能车轨迹跟踪控制方法. 将车辆侧向动力学状态空间模型进行坐标变换,得到基于跟踪误差的车辆侧向动力学状态空间模型,采用饱和线性轮胎得到车辆侧向动力学多胞型模型;设计LMI反馈控制器,在控制器中引入前馈控制量,以消除侧向位置稳态误差. Carsim和Matlab/Simulink的联合仿真表明,该控制器在保证车辆稳定性的基础上具有较高的跟踪精度,对车速和路面附着系数具有较强的鲁棒性. 与模型预测控制器(MPC)和预瞄驾驶员模型(PDM)控制器进行对比,结果表明,设计的该控制器轨迹跟踪精度更优.     

采用梯度提升决策树的车辆换道融合决策模型

车辆在执行换道行为时,由于受到较多环境因素影响,难以准确进行换道识别和预测. 为解决这一问题,提出一种基于梯度提升决策树（GBDT）进行特征变换的融合换道决策模型,以仿真驾驶员在高速公路上自由换道时的决策行为. 采用主体车辆与目标车道后车的碰撞时间 t_lag 及车辆周围交通状态变量进行车辆换道行为的建模分析,在NGSIM数据集上对建立的融合换道决策模型进行参数标定和模型测试. 实验结果表明：融合换道决策模型以95.45%的预测准确率超越支持向量机、随机森林和GBDT等单一的换道决策模型,获得了最突出的表现. 变量分析结果表明：新引入的换道决策变量 t_lag 对车辆换道行为具有重要影响. 提出的融合换道决策模型能够进一步减少因换道决策误判而导致的交通事故.     

基于预瞄跟随理论的驾驶员跟随汽车目标速度的控制模型

针对汽车动力学控制系统具有强非线性的特点 ,根据非线性系统描述函数法及自回归滑动平均 (ARMA)模型的辨识方法 ,建立了描述汽车速度控制动力学强非线性的局部等效线性传递函数。在此基础上 ,应用预瞄跟随理论提出了描述驾驶员在给定目标车速前提下对汽车行驶速度进行控制的模型。仿真结果表明 :该模型合理地模拟了驾驶员根据外界道路限定的速度信息并考虑到自身滞后特性和汽车动力学特性来控制汽车速度的行为 ,为汽车速度的自动控制及智能交通系统中的先进车辆控制系统的研究提供了一个有效的途径。     

用于爆胎车辆仿真的驾驶员模型

分析了驾驶员模型在汽车爆胎仿真应用中存在的问题及爆胎后车辆响应特性的变化,指出爆胎后车辆响应特性发生改变是导致驾驶员模型不能控制爆胎后汽车回到原路径的根本原因。建立了考虑爆胎后车辆左、右转向特性不对称的驾驶员模型,并进行了仿真。最后在原驾驶员模型中加入状态参考器,并对不同车速下的状态参考器参数进行辨识。解决了驾驶员模型在汽车爆胎仿真中的应用问题,为进一步研究汽车爆胎后驾驶员的操作规律及爆胎后汽车的稳定性控制提供了参考。     

基于最优预瞄加速度决策的汽车自适应巡航控制系统

从驾驶员操作汽车的行为特性建模的角度出发,将驾驶员建模理论———稳态预瞄动态校正假说应用于汽车自适应巡航控制系统的理论研究中,构建了基于驾驶员最优预瞄加速度模型的车辆ACC系统结构。并在此基础上建立了相应的ACC系统控制算法。理论分析与仿真计算结果表明:基于驾驶员操纵行为特性的分析,应用驾驶员操纵行为建模理论来研究汽车ACC系统的理论过程为车辆ACC系统的开发提供了一个可行的研究途径。     

基于驾驶员需求转矩预测的模型预测控制能量管理

以并联式混合动力车辆为研究对象,基于驾驶员需求转矩预测,采用线性时变模型预测控制算法对对象车辆进行能量管理控制. 根据驾驶员前一段时间内的需求转矩,可以预测下一时段内驾驶员的需求转矩. 与指数函数预测方法相比,自回归模型在预测步长200步之内的预测准确度比指数函数高. 根据纵向动力学公式,可以由预测获得的需求转矩序列计算获得预测的车速序列;采用线性化处理的方法,将具有非线性特性的车辆模型转化成线性时变模型,采用线性时变模型预测控制算法进行求解;将基于驾驶员需求转矩预测的模型预测控制算法和基于规则的控制算法、工况已知的模型预测控制算法进行对比. 对比结果表明：基于驾驶员需求转矩预测的模型预测控制算法与基于规则的控制算法相比,在NEDC、UDDS和WLTC这3个标准工况下的燃油经济性均有所提高,但是与工况已知时的计算结果相比有提升的空间.     

Path planning and stability control of collision avoidance system based on active front steering

Vehicle collision avoidance system is a kind of auxiliary driving system based on vehicle active safety,which can assist the driver to take the initiative to avoid obstacles under certain conditions,so as to effectively improve the driving safety of vehicle.This paper presents a collision avoidance system for an autonomous vehicle based on an active front steering,which mainly consists of a path planner and a robust tracking controller.A path planner is designed based on polynomial parameterization optimized by simulated annealing algorithm,which plans an evasive trajectory to bypass the obstacle and avoid crashes.The dynamic models of the AFS system,vehicle as well as the driver model are established,and based on these,a robust tracking controller is proposed,which controls the system to resist external disturbances and work in accordance with the planning trajectory.The proposed collision avoidance system is testified through CarSim and Simulink combined simulation platform.The simulation results show that it can effectively track the planning trajectory,and improve the steering stability and anti-interference performance of the vehicle.     

基于Radau伪谱法和MPC的智能电动车辆生态驾驶

为优化智能电动车能源消耗,提出了基于Radau伪谱法和模型预测控制算法的智能电动车辆生态驾驶的方案。建立生态驾驶控制模型和能耗模型,结合边界约束和路径约束,构建生态驾驶能耗优化的最优控制问题。通过能耗优化得到最优车速轨迹,将此轨迹作为期望输入,基于模型预测控制( MPC)算法完成生态驾驶控制。实验结果表明：以纯电动车和实际规划路径为例,以最优车速自动行驶的能源消耗少于人工驾驶的能源消耗,验证了文中策略的有效性。     

基于风险预测的自动驾驶车辆行为决策模型

为了解决人工与自动驾驶汽车混行环境下无信号交叉口的通行权分配问题,提出基于驾驶员行为预测的自动驾驶汽车行为决策模型. 利用模糊逻辑方法构建驾驶员的风险感知模型. 基于风险均衡理论,结合可接受风险区间,预测人工驾驶汽车的行为选择策略. 构建自动驾驶汽车的综合效用函数,利用博弈论求解最优行为策略组合,实现无信号交叉口车辆协同控制. 仿真结果表明,面对异质驾驶员,自动驾驶汽车能够有效避免碰撞事故发生并提高自动驾驶汽车通过无信号交叉口的效率,保证驾驶员风险感知值处于可接受范围. 在15组实验中,有93.3%的实验组能够保证车辆通过冲突点的时间差大于可接受的安全通行间隔时间,不同情景下自动驾驶汽车的通行时间是自由流状态的1.07~2.43倍. 与无预测自私博弈模型的对比实验表明,所提模型能够显著提升自动驾驶汽车的通行效率.     

Multi-constrained model predictive control for autonomous ground vehicle trajectory tracking

A multi-constrained model predictive control (MPC) algorithm for trajectory tracking of an autonomous ground vehicle is proposed and tested in this paper. First, to simplify the computation, an active steering linear error model is applied in the MPC controller. Then, a control increment constraint and a relaxing factor are taken into account in the objective function to ensure the smoothness of the trajectory, using a softening constraints technique. In addition, the controller can obtain optimal control sequences which satisfy both the actual kinematic constraints and the actuator constraints. The circular trajectory tracking performance of the proposed method is compared with that of another MPC controller. To verify the trajectory tracking capabilities of the designed controller at different desired speed, the simulation experiments are carried out at the speed of 3m/s, 5m/s and 10m/s. The results demonstrate the MPC controller has a good speed adaptability.     

履带车辆行驶环境与驾驶意图的模糊特征分析

分析了履带车辆行驶状态参数、路面状况和驾驶员操纵信息形成的人-车-路闭环系统,应用采集到的油门开度、车速、加速度、油门开度变化率、累计制动时间等车辆行驶状态参数,运用模糊推理方法,对驾驶员意图和复杂多变的路面状况的模糊特征进行分析,为建立能自动适应复杂行驶工况的车辆智能控制系统奠定了基础.     

线控转向汽车横摆角速度增益优化设计

为了解决汽车线控转向系统(SBW)转向角传动比的设计问题,对SBW汽车横摆角速度增益值优化方法进行了研究。在建立整车动力学模型和驾驶员模型的基础上,从人-车闭环系统角度出发,采用汽车操纵稳定性综合评价体系中的轨迹跟踪误差评价指标、驾驶员操纵负担的评价指标、侧翻危险性评价指标和侧滑危险性评价指标并与遗传算法相结合,在典型车速下对汽车横摆角速度增益值进行了优化。试验结果表明,采用优化后横摆角速度增益值设计的SBW转向传动比可有效地提高汽车操纵性,减轻驾驶员负担。     

基于理想转向传动比的汽车线控转向控制算法

以29自由度汽车动力学模型为基础,提出了保证汽车转向增益不变的理想传动比稳态控制策略,使线控转向汽车转向特性不受车速和方向盘转角变化的影响;提出了基于状态反馈的动态校正稳定性控制算法。仿真和驾驶模拟器实验表明,基于理想转向传动比的稳态控制策略保证了汽车转向增益不变,减轻了驾驶员的负担,适合于更多的驾驶人群;基于状态反馈的动态校正稳定性控制算法有效提高了汽车的稳定性。     

汽车高速紧急避障路径跟踪与主动防侧翻控制

为提高匹配机械弹性车轮汽车在高速紧急避障时的效率与安全性,在Simulink中建立了整车非线性八自由度模型,并基于车轮样机台架试验数据,利用Matlab遗传算法工具箱对机械弹性车轮模型参数进行分级辨识.综合考虑行驶车速、轨迹跟踪误差、方向盘转角以及侧翻评价指标,建立了八自由度驾驶员—汽车预瞄跟随闭环系统模型.分析了汽车在不同行驶车速时所需的方向盘角输入信息与侧翻状态响应,总结出汽车高速转向时的侧翻动态特性.为高速安全通过规划的避障路径,在转向控制驾驶员模型基础上建立了速度控制驾驶员模型,当侧翻评价指标超过安全阈值时利用制动踏板降低车速,当纵向车速小于期望安全车速时利用加速踏板提高车速.仿真分析表明建立的高速避障路径跟踪与控制策略能高效完成避障路径跟踪,同时能有效降低紧急避障时的侧翻风险.     

航天器编队飞行自适应协同避碰控制

为解决航天器编队飞行系统中存在通信时延、参数不确定的跟踪问题,并实现避免碰撞的控制目标,基于编队航天器的相对运动非线性动力学模型和势函数方法,对航天器编队飞行系统的自适应协同避碰控制方法进行了研究. 首先,在全状态反馈控制的情况下,提出了一种对通信时延和参数不确定具有鲁棒性的自适应协同避碰控制律;其次,进一步考虑速度信息不可测量的情况,通过引入一种新型滤波器设计了无速度测量的自适应协同避碰控制律,使得编队航天器实现对期望轨迹的跟踪,同时能够保证航天器编队飞行系统中航天器在安全区域飞行,避免发生相互碰撞. 最后,针对全状态反馈和无速度测量反馈的情况分别分析了航天器编队飞行闭环系统的Lyapunov稳定性,显著增强了闭环系统对通信时延和参数不确定的鲁棒性.结果表明,所设计的两种自适应协同避碰控制律可以有效地保证编队飞行航天器对期望轨迹的跟踪,且系统可以实现避免碰撞的编队飞行任务.     

Symbol Reference Model of Desired Yaw Angle for Automated Lane Changing Behavior of Vehicle

In this paper, it studies the problem of trajectory planning and tracking for lane changing behavior of vehicle in automatic highway systems. Based on the model of yaw angle acceleration with positive and negative trapezoid constraint, by analyzing the variation laws of yaw motion of vehicle during a lane changing maneuver, the reference model of desired yaw angle and yaw rate for lane changing is generated. According to the yaw angle model, the vertical and horizontal coordinates of trajectory for vehicle lane change are calculated. Assuming that the road curvature is a constant, the difference and associations between two scenarios are analyzed, the lane changing maneuvers occurred on curve road and straight road, respectively. On this basis, it deduces the calculation method of desired yaw angle for lane changing on circular road. Simulation result shows that, it is different from traditional lateral acceleration planning method with the trapezoid constraint, by applying the trapezoidal yaw acceleration reference model proposed in this paper, the resulting expected yaw angular acceleration is continuous, and the step tracking for steering angle is not needed to implement. Due to the desired yaw model is direct designed based on the variation laws of raw movement of vehicle during a lane changing maneuver, rather than indirectly calculated from the trajectory model for lane changing, the calculation steps are simplified.     

Reference Model of Desired Yaw Angle for Automated Lane Changing Behavior of Vehicle

In this paper,it studies the problem of trajectory planning and tracking for lane changing behavior of vehicle in automatic highway systems. Based on the model of yaw angle acceleration with positive and negative trapezoid constraint,by analyzing the variation laws of yaw motion of vehicle during a lane changing maneuver,the reference model of desired yaw angle and yaw rate for lane changing is generated. According to the yaw angle model,the vertical and horizontal coordinates of trajectory for vehicle lane change are calculated. Assuming that the road curvature is a constant,the difference and associations between two scenarios are analyzed,the lane changing maneuvers occurred on curve road and straight road,respectively. On this basis,it deduces the calculation method of desired yaw angle for lane changing on circular road. Simulation result shows that,it is different from traditional lateral acceleration planning method with the trapezoid constraint,by applying the trapezoidal yaw acceleration reference model proposed in this paper, the resulting expected yaw angular acceleration is continuous,and the step tracking for steering angle is not needed to implement. Due to the desired yaw model is direct designed based on the variation laws of raw movement of vehicle during a lane changing maneuver, rather than indirectly calculated from the trajectory model for lane changing, the calculation steps are simplified.     

下肢外骨骼机器人动力学参数辨识与步态跟踪

为了提高下肢外骨骼机器人步态轨迹跟踪的精度,对于下肢外骨骼二连杆动力学模型,提出一种静态与动态结合的参数辨识的实验方法,并结合穿戴者人体参数,得到人机协同系统精确的动力学模型。采用基于模型上界的滑模控制,并引入低通滤波器,进行MATLAB步态跟踪仿真。经仿真表明,髋关节和膝关节转矩的实验测量值与理论计算值的波形基本一致,动力学参数辨识结果正确;基于滑模控制的人机协同系统能够实现髋关节和膝关节对参考步态轨迹的精准跟踪,低通滤波器能够有效减小滑模控制引起的高频抖振。这为下肢外骨骼动力学参数辨识提供了一种解决方案,为基于模型的控制方法提供了一种参考模型,为下肢外骨骼人机协同系统的步态轨迹精准跟踪提供了一种参考方法。     

依据驾驶行为的动态分析辩识交通事故原因

通过建立的驾驶行为形成模型 ,推导出描述驾驶行为动态特征的可靠性表达式 ;然后 ,结合驾驶可靠性计算公式和驾驶行为形成因子的计算机仿真 ,提出了评价驾驶失误对驾驶员车辆系统动态性能影响的方法 .根据对驾驶员车辆系统中驾驶失误的分析得出 ,感知可靠度的变化增大了交通事故发生的可能性     

水下运载器多变量鲁棒输出反馈控制方法

针对存在较大参数不确定性和仅具有位置、姿态测量的水下运载器的六自由度位姿控制难题,提出一种基于自适应平滑增益滑模观测器和多变量积分Backstepping控制器的非线性控制方法.解决水下运载器的鲁棒输出反馈控制问题,使用基于Lyapunov稳定性理论的设计方法保证观测器 控制器系统的稳定性.设计的自适应平滑增益滑模观测器,克服常规滑模观测器中所存在的高频颤振现象,从而获得较平滑的速度估计值.当存在模型不确定性和有界未知干扰时,可以保证速度估计误差以指数速率收敛至较小的球域内.设计的多变量积分Backstepping控制器,可以保证系统的跟踪误差同样收敛至较小的球域内.以浙江大学正在研制的海王号ROV六自由度控制为研究对象,使用所提出的控制方法与传统PID控制器进行对比仿真研究.仿真结果表明,当存在较大参数不确定性、较强未知外干扰和测量噪声时,所提出的控制方法具有较强的鲁棒性能,可以很好地跟踪参考轨迹,获得较好的动态性能和稳态控制精度.性能明显优于常规PID控制器,并且解决了PID控制器所存在的转艏角设定值不能大于90°的问题.