基于GPS 的智能駕駛汽車循跡控制研究

姚垠國，段敏，張恒，鄭蘇

（遼寧工業大學 汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121000）

引言

循跡控制算法是小車實現自動行駛的關鍵，因而成為智能車領域的研究熱點，GPS 循跡功能可以很大程度的減少駕駛員的疲勞，幫助駕駛員將車輛保持在期望軌跡上行駛，GPS用來檢測車輛經緯度，將期望軌跡經緯度點信息存儲到HMI中，在HMI 設定好車輛起點和終點后將經緯度信息傳遞給控制系統?？刂葡到y接收到車輛經緯度信息后對比期望軌跡點，從而控制車輛的方向盤轉角。

1 車輛動力學分析

研究車輛側向控制時需要對車輛的側向動力學特性做一些研究，汽車在行駛中，作為剛體它具有六個自由度，而在這里假定汽車只作平行于路面的平面運動。同時考慮了輪胎側偏特性，即假定：汽車無垂直方向運動，無繞y 軸和x 軸的俯仰和側傾運動；汽車作等速運動；忽略轉向系統影響；不考慮左車輪由于載荷變化引起輪胎特性變化和回正力矩的作用，這樣汽車就簡化成兩輪車的平面模型，成為一個具有側向及橫擺運動的二自由度計算模型。

1.1 GPS 循跡控制方法的選擇

GPS 循跡控制的研究主要有以下幾種：文獻[1]采用PID控制器；文獻[2]采用基于PID 進行改進的模糊PID 控制器有效地改善了汽車的彎道循跡性能，在保證最優循跡的前提下提高了智能汽車的通過彎道速度；文獻[3]采用遺傳法，文獻[4]采用最優LQR 控制方法。文獻[5]利用魯棒 PID 控制器實現了某輪式機器人的循跡控制，通過實驗對該控制方法的有效性進行了驗證。文獻[6]李以農等學者將滑模變結構非線性控制方法引入到汽車縱向控制中。在總結了國內外車輛駕駛員模型研究成果的基礎上，本文采用單點預瞄以及最優控制這兩種方法。

最優控制如下圖：

圖1 最優控制示意圖

2 建立GPS 循跡系統

目標路徑最優控制方案：

由車輛二自由度模型，再加上最優控制的目標函數最小，可以推出最優控制規律。過程如下：

車輛運動狀態空間方程：

狀態向量：

輸出向量：

解出：

，為各預瞄點的側向偏差。

，為各預瞄點的權重。

出于計算效率以及魯棒性等多方面的考慮,本方案最終采用了單點預瞄駕駛員模型，基于GPS 定位系統反饋回來的信號制作GPS 循跡控制。

圖2 單點預瞄駕駛員模型

根據預瞄模型得到偏差方程：

基于實車標定得到合理的權重系數，最終實現兼顧舒適性和安全性的GPS 循跡系統。

3 采用實車進行測試

測試車速度：0～36dkm/h（±3km/h）；

需采集的信號：車輛經度、緯度；

信號采樣周期：＞5ms；

試驗開始條件：CANTest 可以正常接收IMU 發出的CAN總線信號；

停止條件：車輛沿預定軌跡重復行駛，直至滿足試驗要求次數。

實驗結果如下：

圖3 車輛直線行駛時的實驗結果

圖4 車輛在小區率彎道行駛時的實驗結果

4 實驗結果分析

在實車GPS 循跡測試中發現，車輛直線跟蹤時實時軌跡與目標軌跡重合度較好，跟蹤誤差小于10cm，在經過彎道時其誤差在理想范圍內。

5 結論

本文把車輛簡化為二自由度模型，采用單點預瞄和最優控制方法，然后建立GPS 循跡系統，最后采用實車測試的方式驗證控制方法和循跡系統的可靠性，為了分析采集的路徑與車輛循跡過程中的誤差，采用MATLAB 對采集路徑的點以及實際循跡時車輛的運行軌跡進行擬合，繪制出采集的路徑與實際循跡時軌跡的對比圖，實驗結果表明，本文采用的控制方法和建立的系統使車輛在直線和轉彎行駛的過程中均可以把循跡誤差控制在理想范圍內。