无人驾驶车转向系统自抗扰控制的研究

无人驾驶车转向系统自抗扰控制的研究 无人驾驶车转向系统自抗扰控制的研究 第39卷第2期 2010年4月 上海师范大学(自然科学版) JournalofShanghaiNormalUniversity(NaturalSciences) Vo1.39.No.2 Apr.,2010 无人驾驶车转向系统自抗扰控制的研究 李一染,周洁2,詹锡兰2,李娜 (1.上海师范大学信息与机电工程学院,上海201418;2.同济大学汽车学院,上海201804) 摘要:针对无人驾驶车转向系统具有一定的非线性,工作载荷变化大,易受外界干扰影响的 特点,在分析转向系统动力学特性的基础上,依据自抗扰控制技术,设计了二阶自抗扰控制器. 采用七自由度非线性车辆模型进行仿真研究,结果表明:二阶自抗扰控制器可以有效实现转向 系统转角的控制,且具有较高的精度,更宽的控制范围以及很强的鲁棒性. 关键词:无人驾驶车;转向;自抗扰控制 中图分类号:U4文献标识码:A文章编号:1000-5137(2010)02-0156-05 O引言 无人驾驶汽车是未来智能交通的重要组成部分,其中车辆线控转向系统的控制是关键技术之 一 _l] .由于转向系统本身具有一定的非线性,并且在工作过程中存在负载变化大,易受外界干扰等特 点,目前常用的PID控制_3],滑模控制等方法很难得到理想的控制效果.针对上述问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,采用自抗扰 控制实现无人驾驶车转向系统的控制.自抗扰控制是由中科院系统科学研究所韩京清研究员提出的一 种鲁棒非线性控制方法,该控制通过扩张的扰动观测器实时估计并补偿系统运行时受到的各种"外扰" 和"内扰"的总和作用,并结合特殊的非线性反馈结构实现良好的控制品质,具有超调小,响应快,精度 高,抗干扰能力强,算法简单等特点,并且适于数 字化实现. 1无人驾驶车线控转向系统介绍 无人驾驶车转向系统的作用是根据路径规 划指令,控制前轮的转动,使车辆沿规划的路径 行驶.系统组成如图1所示.系统工作过程中,转 向控制器根据路径规划指令,生成前轮转角命令 信号.该信号将与角度传感器或齿条位移传感器 反馈的实际前轮转角信号进行比较,利用两者的 差值,通过一定的控制算法生成转向电机指令信 号(电压或电流信号).指令信号再通过电机驱动 器驱动转向电机转向,从而实现车辆方向的改 变.整个系统的控制原理如图2所示. 电机 ,,....................................? 转向桥机构总成 图1无人驾驶车转向系统结构示意图 图2无人驾驶车转向系统控制原理 收稿日期:2009—11-03 基金项目:上海师范大学理工科校级项目(SK200737). 作者简介:李一染(1975一),男,上海师范大学信息与机电工程学院讲师 第2期李一染,周洁,詹锡兰,等:无人驾驶车转向系统自抗扰控制的研究157 2转向系统动力学分析(. 无人驾驶车转向系统动力学模型如图3所示,图中, 日m,Jm,分别为转向电机的输出电磁力矩,摩擦阻力矩,阻尼,转 动惯量和输出转角;i为转向电机蜗轮蜗杆减速机构的传动比; ,,Js,6为等效转向传动机构的摩擦阻力矩,阻尼,转动惯量和 转角;为转向传动机构的传动比;,B,Jw,6为等效前轮轮胎 的摩擦阻力矩,阻尼,转动惯量和转角;为轮胎回正力矩.模型 中,由于转向电机和转向传动机构的刚度很大,对系统的影响忽略 不计,轮胎的刚度对系统的影响由轮胎回正力矩来体现图无人驾驶车转向系统动力学模型 根据上述转向系统动力学模型,通过进一步向转向小齿轮的等效化简,得到转向系统的动力学方程 如下: M i一rr 一—= Jg+B6.(1) 其中:rr:Trmi+Tr,+T . rw ;I,:J十+;B:B+B+_|2 Bw . ss 考虑到运用电机驱动器来对转向电机进行电流闭环控制,其控制带宽可达500Hz, 而转向系统的 工作带宽小于10Hz,因此这里不再考虑转向电机电磁特性对电机输出转矩的影响,将电机驱动器电压 输入到电机电磁力矩输出简化为比例环节,即: Tm=K.(2) 又: 6=i.(3) 根据式(1),(2),(3),并将摩擦阻力矩与J7l假设为线性特性,可得整个转向系统传递函数如下: SS = () SBi.? 一 ()一J7l(s)/.,+5, 3二阶自抗扰控制器的设计 由上一节推导的转向系统传递函数可知,该系统的已知部分是一个二阶系统.根据自抗扰控制器的选择 原则,控制对象的最小阶数决定自抗扰控制器的阶数,故这里选择二阶自抗扰控制器作为系统的控制器.二阶 自抗扰控制器由3个部分组成,即跟踪微分器,扩张状态观测器和非线性组合,其结构如图4所示. 图4中,.为控制目标,是的跟踪信号,是的微分信号;是控制对象输出Y的估计信号, z是,,微分的估计信号,则是对系统状态和模型不确定性以及外部扰动的总体估计;e,e是误差及 其微分,u为控制量,b是对反馈放大系数的估计. 控制器各部分的离散表达式 (1)跟踪微分器 e(k)=(k)一 = fh血n[e(后),z(),r,(5) (k十1)=(k)+hv(k) 2(k+1)=2(k)+ l0}?d {rzl>d 图4二阶自抗扰控制器结构图 上海师范大学(自然科学版)2010正 d=rh;d0=dh;Y:l+hv2;ao=(d+8rlY1); f2+(a0一d)/2lYl>do 【2+y/hlYl?d0 其中:h.为滤波因子;r为速度因子;h为积分步长. 跟踪微分器是一个非线性动态环节,它能够快速无超调地跟踪输入信号并给出较好的输入信号的 微分.同时,通过对滤波因子h和速度因子r的调节,可以使得控制目标的给出符合系统实际响应特 性,从而有效地避免经典调节理论中因设定值的突变而造成控制量的剧烈变化以及输出量的超调,获得 更为理想的控制特性. (2)扩张状态观测器 e.=z.(k)一Y(k) -(+1)=-()+[z()一~01eo] ,(6) z2(k+1)=2(k)+h[3(k)一/3o2Z(e0,a01,6o1)+b0M(k)] 3(k+1)=3(k)一o3f(eo,a02,2) 式中:zce,.,={—S.i., e.>6'6 >.. 扩张状态观察器是自抗扰控制器的核心部分,它采用非线性状态观测器对系统的状态进行观测,其中的 扩张的状态量是对系统状态和模型的不确定f生等内扰以及外部扰动的反映.在控制量中,通过对扩张的状态 量进行补偿,可将原来的控制系统转化为线性的积分串联型控制系统,大大增强了 该控制器对系统的适应性. (3)非线性组合 fe1=1(k)一1() {e:=:(k)一(k),(7) tuo=卢1/f(e1,01,61)+卢2faZ(e2,a2,2) 式中:卢.表示比例增益;表示微分增益;faz函数表达式同上. 非线性组合实质是一种非线性状态误差反馈控制律,它将经典PID当中的线性加权转换成反馈效 率更高的非线性组合,得到非线性PD控制器,以此提高系统的控制品质. 4仿真研究 4.1整车模型介绍 为了更好地模拟轮胎回正力在不同工况下对转向系统的影响,本研究中的整车模型采用非线性七 自由度车辆动力学模型,如图5所示.这里的七自由度是指汽车纵向速度,侧向速度与横摆角速度3 个整车运动自由度和4个车轮的回转运动自由度. 图5中,为车辆的纵向车速,为车辆的侧向车速,为车辆的横摆角速度,为车辆的前轮转角, f,为车辆质心到前轴的距离,z为车辆质心到后轴的距离,b,为前 轮轮距,b,为后轮轮距,和F(i=1—4)分别为各轮上的纵向 力和侧向力,F.为车辆所受的空气阻力.由于篇幅所限,该车辆模 型的动力学方程不再给出具体的表达式. 本模型采用纵滑侧偏联合工况下的"魔术公式"计算轮胎的 力学特性H.魔术公式(MagicFormulaTyreMode1)是在汽车动力 学性能分析中应用最广泛的轮胎力学特性模型之一,由荷兰Delft 工业大学的Pacejka教授提出.该模型利用简单的三角函数拟合 试验数据,利用统一的模型形式描述纵向力,侧向力和回正力矩.图5车辆动力学模型及外力作用示意图 第2期李一染,周洁,詹锡兰,等:元人驾驶车转向系统自抗扰控制的研究159 其表达式如式(8)所示. rDsin[carctan{B—E(B—arctan)}] {y(X)=Y()+5,(8)【 :+s 式中:y为输出变量,纵向力,侧向力或回正力矩;为输入变量,侧偏角或者滑移率,c;B为 刚度因子;C为形状因子;D为峰值因子;E为曲率因子;S为水平方向偏移量;S为垂直方向偏移量. 4.2仿真结果及分析 利用Matlab/Smulink搭建无人驾驶车转向系统和整车模型,并利用M文件编写自抗扰控制算法来 进行仿真.仿真中整车主要参数如下:整车质量m=1750kg,整车绕Z轴的转动惯量Iz=4605kg?1TI, 质心到前,后轴的距离zr=1.48m,z,=2.041'11,前后轮距6r=b,:1.72In,车辆质心高度h=0.641TI,轮 胎滚动半径R=0.34m. 仿真研究首先检验了自抗扰控制器的控制能力,在车速为10km/h的工况下,给车辆以阶跃转角信 号20.和180.(相当于前轮转角1.25.和11.25.),考察转向系统的输出响应,并与常用的PI控制器进行 了对比,结果如图6,7所示.从图中可以看出:?自抗扰控制可以有效地实现对系统的控制;?由于设 计了考虑系统自身响应能力的过渡过程,因而其控制效果好于PI控制,没有出现PI控制的超调现象; ?对不同的转角输入自抗扰控制的适应性好,没有出现PI控制中由于控制目标的变化而出现动态过 程变差的现象.如图7中所示,PI控制在转角输入为180.时动态过程振荡加剧,而自抗扰控制的动态过 程和转角输入为20.时几乎是一样的. 图6转角输入为20.的系统响应 250 200 18O 一15O ,1OO 50 O —— 自抗状控{钊 一 …一 PI 1 O5101520 时间/s 图7转角输人为90.的系统响应 接下来,进一步研究了在外界干扰作用下,自抗扰的控制效果.此时车速设定为 36km/h,转角输人 为0.,由于某种原因(路面不平,路面障碍物等)转向系统受到作用于轮胎的扰动力 矩(=20N?ITI), 系统转角响应及车辆行驶轨迹的变化如图8,9所示.从图中可以看出,自抗扰控制 中由于加入了扩张状 态观测器,因而具有了很强的扰动抑制能力,大大提高了系统的鲁棒性. 10 5 一 . 一 ,0 一 5 一 l0 —— 自抗状控帝 …一 PI , f _ 0510l520 时间/S 图8外界扰动作用下转向系统的响应 g \ .圄匠 ? 匠 图9外界扰动作用下车辆的路径 16O上海师范大学(自然科学版)2010正 5结论 针对无人驾驶车转向系统的特点,在分析转向系统动力学特性的基础上,设计了二 阶自抗扰控制器 来控制转向系统的转角.采用七自由度非线性车辆模型,在Matlab/Smulink环境下 进行了仿真研究.研 究结果表明: (1)自抗扰控制器可用于无人驾驶车转向系统的控制,具有较高的控制精度和很宽 的控制范围; (2)自抗扰控制器具有很强的扰动抑制能力,可有效提高系统的鲁棒性; (3)使用自抗扰控制器无须获得控制对象的精确模型,简化了控制器的设计,提高了控制器的实际 使用价值. 仿真过程中,也发现了自抗扰控制器的一些问题:?控制参数较多,调节比较困难;?控制器的 输出有一定的抖动.如何有效地解决上述问题,使自抗扰控制器能用于转向系统实际控制,将是下一步 研究的重点. 参考文献: [2] [3] [4] 5] 6] 7] 8] 9] 10 HORSTJ.BARBERAA.Trajectorygenerationforanon—roadautonomousvehicle[J].ProceedingsoftheSPIE,Unmanned SystemsTechnologyvm,2006,6230:62302J. 秦贵和,葛安林,雷雨龙.智能交通系统及其车辆自动控制技术[J].汽车工程,2001,23(2):92—96. BOLOGNAMIS,TOMASINIM,ZIGLIOTVOM.Controldesignofasteer—by—wiresystemwithhighperformancePMmotor drives[J].IEEE,2005,5:1839—1844. JANGSH.PARKTJ.HANCS.AcontrolofvehicleusingSteer—by—WiresystemwithHardware—in—the—Loop—Simulation system『J_.Proceedingsofthe2003IEEE/ASME,2003,3:389—394. 阮久宏,李贻斌,荣学文.高速移动平台横向运动自抗扰控制[J].山东工业大学(工学 版),2008,38(4):5—10. 韩京清.从PID技术到"自抗扰控制"技术[J].控制工程,2002,9(3):13—18. 韩京清.扩张状态观测器参数与菲波纳奇数列[J].控制工程,2008,15(s1):1—3. 要晓梅,王庆林,刘文丽,等.一般工业对象的二阶自抗扰控制[J].控制工 程,2008,9(5):59—62. 赵治国,余卓平,孙泽昌.车辆主动前轮转向H鲁棒控制系统研究[J].汽车工 程,2005,27(4):443—451. ]PACEJKAHB.TyreandVehicleDynamics[M].2nded.Burlington:Butterworth— Heinemannpublications,2006. Studyonactivedisturbancerejectioncontrolforthe steeringsystemofautonomousvehicle UYi.ran,ZHOUJie,ZHANXi.1an,LINa (1.CollegeofInformation,MechanicalandElectronicEngineering,ShanghaiNormalUniversity,Shanghm201418,China; 2.CollegeofAutomobileEngineering,TongjiUniversity,Shanghai201804,China) Abstract:Toadaptthenonlinearity,varietyofloadandaccessibilityofexternaldisturbanceofautonomousvehiclesteeringsys' tem.asecondorderactivedisturbancerejectioncontrollerisdesignedbasedonthedynamicanalysisofsteeringsystem.Thesimu— lati0nresearchisc跗 ed0na7DOFsnonlinearvehiclemode1.Theresultsshowthatthesecondorderactivedisturbancerejection controllercanfinishthecontrolofsteeringangleeffectively.Atthesametime,itcanpossessesthehigheraccuracy,thewiderarea andthestrongerrobustness. Keywords:autonomousvehicle;steeringsystem;activedisturbancerejectioncontrol (责任编辑:顾浩然)