基于博弈的四轮独立驱动汽车容错与纵横向运动综合控制

摘要

四轮独立驱动电动汽车由于其四个驱动轮独立可控，极大的提升了系统控制的灵活性，极具发展潜力，因此被普遍关注。但是由于其执行器较多，且采用了线控技术，增大了出现故障的可能性。在自动驾驶过程中，当驱动系统突然出现故障时，如果不采取有效的安全措施，可能引发交通事故甚至威胁乘员的人身安全。因此，本文主要针对四轮独立驱动电动汽车出现驱动系统故障后的容错与纵横向运动综合控制进行研究。　　本文利用合作博弈理论处理控制过程中不同控制量之间的协作关系，在简要介绍了合作博弈框架中的帕累托前沿、威胁点以及谈判解等理论的基础上，针对不同博弈玩家成本差距过大时Egalitarian谈判解结果不均等的问题，提出了成本均一化的解决办法，均一化处理后，Egalitarian谈判的结果明显更加合理，并将合作博弈理论应用于四轮独立驱动电动汽车驱动故障容错与纵横向运动综合控制之中。　　首先，提出了基于合作博弈的容错运动综合控制的基本策略，即基于合作博弈的上层路径跟踪控制器产生前轮转角和附加横摆力矩；基于前馈-反馈的上层速度跟踪控制器产生期望的驱动力；上层控制器产生的前轮转角直接控制车辆前轮转向，而附加横摆力矩和期望驱动力输入到下层容错控制器中，容错控制器利用二次规划算法在满足上层控制器控制量的前提下对驱动力矩进行重新分配，以此达到容错运动综合控制的目的。　　然后，对控制策略进行优化改进。针对合作博弈无法实时动态调整合作权重的问题，将模型预测控制与合作博弈相结合，利用模型预测控制滚动优化的特点，实现了合作博弈权重的实时动态自适应调整；针对基于前馈-反馈的速度跟踪控制的控制输出不够平顺的问题，使用模型预测设计了一种控制性能更高的速度跟踪控制器；将基于二次规划的容错控制器改为基于最大值最小化的容错控制器，降低了四个驱动车轮的最大利用率；通过上述改进，整体控制策略的性能得到了明显的提高。　　最后，对整体控制结构进行了简化。将独立的路径跟踪和速度跟踪控制器改进为基于模型预测合作博弈的纵横向综合运动控制器；通过将控制量变为控制增量的方式，使原容错控制器具有了平顺化上层控制信号的能力；最终不但简化了整体结构，而且明显提升了整体的控制性能，在提高速度和路径跟踪精度的同时，降低了控制量的大小和执行器的负担。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究的目的及意义

1.2 自动驾驶容错及运动控制研究现状

1.2.1 容错控制研究现状

1.2.2 运动控制研究现状

1.2.3 容错运动控制研究现状

1.3 汽车领域博弈论研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 成本均一化

2.1 合作博弈

2.1.1 帕累托前沿

2.1.2 威胁点

2.1.3 谈判解

2.2 成本均一化

2.2.1 问题描述

2.2.2 均一化方法

2.3 本章小结

3 基于合作博弈的驱动故障容错与运动控制

3.1 整体控制策略

3.2 路径跟踪控制

3.2.1 控制模型

3.2.2 目标函数

3.2.3 合作博弈控制律

3.3 速度跟踪控制

3.3.1 前馈控制器

3.3.2 反馈控制器

3.4 容错控制

3.4.1 故障描述

3.4.2 优化问题

3.4.3 求解算法

3.5 仿真分析

3.6 本章小结

4 基于模型预测合作博弈的驱动故障容错与运动控制

4.1 整体控制策略

4.2 路径跟踪控制

4.2.1 预测模型

4.2.2 目标与约束

4.2.3 路径跟踪控制律

4.3 速度跟踪控制

4.3.1 预测模型

4.3.2 目标与约束

4.3.3 速度跟踪控制律

4.4 容错控制

4.4.1 优化问题

4.4.2 求解算法

4.5 仿真分析

4.6 本章小结

5 基于模型预测合作博弈的纵横向综合运动与容错控制

5.1 整体控制策略

5.2 运动控制

5.2.1 驱动故障车辆动力学模型

5.2.2 纵横向运动综合控制律

5.3 容错控制

5.4 仿真分析

5.5 本章小结

6 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 不足与展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目目录

C. 学位论文数据集

致谢