车道变换自动控制策略研究

摘要

本文研究了车辆在高速公路直道上的变换车道行为。目的是要发展一种针对前轮转向汽车的转向控制器，帮助车辆在无驾驶员干预的情况下在直道上自动地从现行车道变换到目标车道。 为了设计这样一种控制器，首先建立线性二自由度车辆横向动力学模型。进而研究车辆对象的操纵稳定性和转向性能，主要是车辆横摆角速度对于前轮转向角输入的稳态与瞬态响应。为后文对于仿真结果的分析打下理论基础。 由于车辆自动变道控制的一个关键是，如何确定在不同车速下对应于不同宽度车道的理想前轮转向角输入。本文讨论了几种虚拟理想轨迹的设计方法，并选择其中的梯形加速度轨迹作为设计依据，求得本文控制器的理想前轮转向角输入。并讨论在由不同虚拟轨迹参数得到的理想前轮转角输入下，车辆横向运动所受到的影响。 由于在实际中行驶的汽车是一个时变的，非线性的复杂系统。而本文的二自由度线性模型无法准确反映车辆完整的动力学信息。如：车辆执行机构的动力学特性、车辆与路面作用关系、转向系统的非线性和系统参数的不确定性等。所以，车辆变道的开环控制并不能得到理想的效果。因此，本文进一步研究了车辆的各种参数对于车辆转向性能的影响，它们是车速、前后轮侧偏刚度等。接着考察侧向风对于车辆变道行驶的干扰。 针对车辆变道行驶时，参数摄动以及侧向风的干扰作用，本文设计基于H<,∞>控制理论的参考车辆横摆角速度跟踪控制器。此控制器由前馈和反馈两部分组成。反馈部分设计基于H<,∞>回路成形方法，旨在提高车辆横摆运动对侧向风等干扰的鲁棒性。前馈部分的设计基于车辆线性分式变换模型(LFT)，考虑在车辆参数一定的摄动范围内，使车辆对象尽可能地跟踪理想模型的横摆角速度输出，保证车辆的理想变道。 最后，设计仿真工况。在Simulink环境中，先分别研究控制器在车辆变道行驶中抑制侧向风干扰以及各个参数摄动的能力，然后考察在各种因素联合作用的恶劣工况下，控制器的表现。仿真分别在三种不同变道车速：低速、中速和高速下进行。仿真车辆模型对象为扩展的LFT模型。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2课题来源及背景

1.3国内外研究现状

1.3.1国内外研究现状

1.3.2亚琛工大在驾驶员辅助系统方面的研究

1.4车道变换系统概述

1.5课题的主要研究内容及全文安排

第二章基本操纵模型

2.1概述

2.2基本操纵模型的假设

2.3运动方程的推导

2.4对模型转向性能的分析

2.4.1稳态响应分析

2.4.2瞬态响应分析

2.4.3瞬态响应的稳定条件

本章小结

第三章虚拟理想轨迹

3.1圆形轨迹

3.2余弦轨迹

3.3五次多项式轨迹

3.4梯形加速度轨迹

3.5前轮转向角参考输入的求解

本章小结

第四章参数摄动和外界干扰

4.1结构参数的影响

4.2车速的影响

4.3前后轮侧偏刚度的影响

4.4侧风干扰的影响

4.5各种控制算法研究

4.5.1自适应控制

4.5.2变结构控制

4.5.3模糊控制

4.5.4 H∞控制

4.6 H∞控制相关理论介绍

4.6.1标准H∞控制问题

4.6.2标准H∞控制问题的两种解法

本章小结

第五章控制器综合

5.1车辆自动变道控制器综述

5.1.1车道变换控制器结构

5.1.2控制器的作用

5.1.3设计步骤

5.2反馈控制器K2的综合

5.2.1设计模型

5.2.2 H∞环路成形设计方法(LSDP)

5.3前馈控制器K1综合

5.3.1控制器K1的作用

5.3.2 LFT模型

5.3.3前馈控制器综合步骤

5.4控制器实施

本章小结

第六章车道变换控制仿真与评价

6.1仿真环境简介

6.1.1扩展LFT车辆模型

6.1.2理想前轮转角输出模块

6.1.3控制器模块与显示模块

6.2控制器参数的选择

6.2.1反馈控制器K2

6.2.2前馈补偿器K1

6.3仿真工况介绍

6.4仿真结果与评价

6.4.1变道车速为中速20m／s

6.4.2变道车速为低速10m／s

6.4.3变道车速为高速30m／s

6.5仿真总结

本章小结

第七章全文总结

致谢

参考文献

附录

个人简历