本發(fā)明涉及車(chē)輛控制，特別涉及一種重載車(chē)輛線控轉(zhuǎn)向主動(dòng)容錯(cuò)控制方法與系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、重載車(chē)輛作為能源開(kāi)采、礦產(chǎn)運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的核心作業(yè)裝備，其自動(dòng)駕駛技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高危工況安全防護(hù)與作業(yè)效能提升的關(guān)鍵突破口。作為車(chē)輛橫向控制的核心執(zhí)行機(jī)構(gòu)，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能安全性能直接決定著整車(chē)橫向-橫擺-側(cè)傾復(fù)合動(dòng)力學(xué)控制精度。然而在工程實(shí)踐中，自動(dòng)駕駛重載車(chē)輛的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可能存在執(zhí)行性能限制，主要表現(xiàn)為車(chē)輪轉(zhuǎn)角與期望指令間的偏差，最終導(dǎo)致顯著的橫向路徑跟蹤誤差。這一現(xiàn)象可能源于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的角位移傳感器系統(tǒng)測(cè)量誤差，也可能由齒輪或齒條等機(jī)械部件之間的間隙引起。此外，該偏差也可能源于車(chē)輛裝配過(guò)程中的誤差，甚至是在惡劣作業(yè)環(huán)境下外力碰撞導(dǎo)致的壓縮變形、機(jī)械磨損或者單側(cè)輪胎胎壓突變等突發(fā)因素。在重載工況下輕則引起控制精度降低、作業(yè)效率下降，重則誘發(fā)車(chē)輛失穩(wěn)甚至側(cè)翻事故，顯著增加自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。

2、如何對(duì)自動(dòng)駕駛重載車(chē)輛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能限制進(jìn)行精準(zhǔn)評(píng)估，并對(duì)偏差因素進(jìn)行溯源修正或者補(bǔ)償抑制，是降低行駛風(fēng)險(xiǎn)、提高運(yùn)行效率的關(guān)鍵。工程中常用的方法是對(duì)車(chē)輛進(jìn)行四輪定位，以消除部分轉(zhuǎn)向偏差。然而，針對(duì)大批量重載車(chē)輛的離線標(biāo)定模式存在兩大固有缺陷：一是需中斷作業(yè)流程進(jìn)行人工檢測(cè)，難以適應(yīng)連續(xù)化生產(chǎn)需求；二是無(wú)法感知?jiǎng)討B(tài)工況下的實(shí)時(shí)性能限制，制約了自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的大規(guī)模部署應(yīng)用。為了解決上述局限性，當(dāng)前研究主要從控制算法層面提出兩類在線解決方案：被動(dòng)魯棒容錯(cuò)控制策略和主動(dòng)補(bǔ)償容錯(cuò)控制策略。

3、被動(dòng)魯棒容錯(cuò)控制策略一般是先通過(guò)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)獲取轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能限制的邊界，之后利用該邊界信息設(shè)計(jì)魯棒容錯(cuò)控制器，抑制性能限制注入對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)的不利影響。然而，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)設(shè)定線控轉(zhuǎn)向性能限制邊界，若設(shè)置得過(guò)于緊密，則可能無(wú)法涵蓋性能限制的所有潛在取值，增加閉環(huán)系統(tǒng)失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)；若設(shè)置得過(guò)于寬松，則據(jù)此設(shè)計(jì)的控制器不可避免地具有保守性，不利于提升控制精度。因此，上述魯棒容錯(cuò)控制策略需要合理地對(duì)性能限制進(jìn)行假設(shè)，較難兼顧強(qiáng)魯棒性和低保守度，不太適用于行駛環(huán)境復(fù)雜多變的工況。

4、主動(dòng)補(bǔ)償容錯(cuò)控制策略通常包括一個(gè)估計(jì)器或觀測(cè)器，用于實(shí)施更新轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能限制，而后基于該限制的估計(jì)值進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)。例如，文獻(xiàn)[1]fekih?a,devariste?d.afault-tolerant?steering?control?design?for?automatic?path?tracking?inautonomous?vehicles[c]//2013american?control?conference.ieee,2013:5146-5151.設(shè)計(jì)了自適應(yīng)診斷觀測(cè)器來(lái)獲取對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能限制的估計(jì)，之后將其有狀態(tài)反饋控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)補(bǔ)償控制；文獻(xiàn)[2]zhang?l,wang?z,ding?x,et?al.fault-tolerantcontrol?for?intelligent?electrified?vehicles?against?front?wheel?steeringangle?sensor?faults?during?trajectory?tracking[j].ieee?access,2021,9:65174-65186.利用擴(kuò)展卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)車(chē)輛轉(zhuǎn)向角的估計(jì)，而后結(jié)合模型預(yù)測(cè)控制器實(shí)現(xiàn)主動(dòng)容錯(cuò)控制。

5、上述主動(dòng)補(bǔ)償控制策略能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的執(zhí)行性能限制實(shí)時(shí)估計(jì)和補(bǔ)償，但是存在以下局限性：1、卡爾曼濾波類的估計(jì)器在主動(dòng)補(bǔ)償控制策略中十分常見(jiàn)，但其最優(yōu)性依賴于線性模型和高斯噪聲假設(shè)。該假設(shè)在實(shí)際車(chē)輛控制系統(tǒng)重一般難以滿足，因此無(wú)法保證估計(jì)值的最優(yōu)性；2、一些觀測(cè)器同樣能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向性能限制估計(jì)，但是在估計(jì)誤差收斂過(guò)程中可能存在超調(diào)、震蕩現(xiàn)象，利用這些估計(jì)值開(kāi)展主動(dòng)補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題

2、基于此，本發(fā)明提供了一種重載車(chē)輛線控轉(zhuǎn)向主動(dòng)容錯(cuò)控制方法與系統(tǒng)，以解決背景技術(shù)中所提到被動(dòng)魯棒容錯(cuò)控制策略難以實(shí)現(xiàn)低保守度和強(qiáng)魯棒性的統(tǒng)一，和現(xiàn)有的主動(dòng)補(bǔ)償控制策略無(wú)法保證估計(jì)值的最優(yōu)性，且較難處理系統(tǒng)約束的問(wèn)題。

3、(二)技術(shù)方案

4、為了達(dá)到上述目的，一方面，本發(fā)明提供了一種重載車(chē)輛線控轉(zhuǎn)向主動(dòng)容錯(cuò)控制方法，包括：

5、s1：建立離散化的車(chē)輛運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；

6、s2：根據(jù)所述模型的執(zhí)行性能限制，設(shè)計(jì)基于滾動(dòng)時(shí)域的估計(jì)器；

7、s3：根據(jù)所述估計(jì)器的最優(yōu)轉(zhuǎn)向估計(jì)值和歷史最終期望轉(zhuǎn)向控制量，得到控制補(bǔ)償量；

8、s4：設(shè)計(jì)基于路徑跟蹤的模型預(yù)測(cè)控制器；

9、s5：根據(jù)所述模型預(yù)測(cè)控制器的最優(yōu)期望控制量和所述控制補(bǔ)償量，得到最終期望轉(zhuǎn)向控制量；

10、s6：根據(jù)所述最終期望轉(zhuǎn)向控制量實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行主動(dòng)補(bǔ)償容錯(cuò)控制；

11、在s2中，將k時(shí)刻組合慣導(dǎo)測(cè)量出的車(chē)輛位姿狀態(tài)記為并用ne表示估計(jì)時(shí)域；將送入一個(gè)固定容量為ne+1的儲(chǔ)存器，剔除k-ne-1時(shí)刻的位姿狀態(tài)此時(shí)與[k-ne,k-1]時(shí)刻的狀態(tài)一起組成了歷史車(chē)輛位姿狀態(tài)序列

12、將k-1時(shí)刻所求得的最終期望轉(zhuǎn)向控制量記為uf(k-1)；將uf(k-1)送入一個(gè)固定容量為ne的儲(chǔ)存器，剔除k-ne-1時(shí)刻的最終期望轉(zhuǎn)向控制量uf(k-ne-1)；此時(shí)uf(k-1)與[k-ne,k-2]時(shí)刻的控制量一起組成了歷史最終期望轉(zhuǎn)向控制量序列

13、針對(duì)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的執(zhí)行性能限制，構(gòu)建以下滾動(dòng)時(shí)域估計(jì)問(wèn)題：

14、

15、其中，代價(jià)函數(shù)jnmhe的第一項(xiàng)懲罰估計(jì)狀態(tài)與測(cè)量狀態(tài)之間的偏差；第二項(xiàng)懲罰估計(jì)轉(zhuǎn)向角與期望轉(zhuǎn)向角之間的偏差；第三項(xiàng)是到達(dá)成本；s1、s2和w為合適維度的權(quán)重矩陣；第一個(gè)約束表示車(chē)輛標(biāo)稱運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；第二個(gè)約束是車(chē)輛執(zhí)行器飽和約束，表示所估計(jì)出的真實(shí)轉(zhuǎn)向角應(yīng)當(dāng)處于線控轉(zhuǎn)向器所能達(dá)到的極限范圍[σmin,σmax]之內(nèi)；第三個(gè)約束表示線控轉(zhuǎn)向器的性能限制估計(jì)值應(yīng)當(dāng)處于一個(gè)合理的范圍[uc,min,uc,max]之內(nèi)，其中uc,min和uc,max表示控制補(bǔ)償量的最小和最大值。

16、進(jìn)一步地，在s3中，求解滾動(dòng)時(shí)域估計(jì)問(wèn)題，獲得最優(yōu)解序列并將其作為固定時(shí)域長(zhǎng)度內(nèi)的最優(yōu)轉(zhuǎn)向估計(jì)值序列即：

17、

18、結(jié)合儲(chǔ)存器內(nèi)歷史最終期望轉(zhuǎn)向控制量序列可以得出控制補(bǔ)償量uc的解算公式：

19、

20、進(jìn)一步地，在s4中，遍歷由路徑規(guī)劃器依據(jù)測(cè)量車(chē)輛位姿狀態(tài)生成的參考路徑點(diǎn)序列獲取距離車(chē)輛質(zhì)心坐標(biāo)(xc,yc)最近的參考路徑點(diǎn)，記為參考匹配點(diǎn)p0；然后，沿參考路徑以當(dāng)前速度v行駛一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)t，得到下一個(gè)投影點(diǎn)p1；通過(guò)重復(fù)該過(guò)程，在預(yù)測(cè)控制時(shí)域np內(nèi)生成一組參考匹配點(diǎn)

21、根據(jù)車(chē)輛質(zhì)心位置(xc,yc)和參考匹配點(diǎn)，可以計(jì)算橫向誤差ey和航向角誤差eψ：

22、

23、其中(xr,yr)為參考匹配點(diǎn)的坐標(biāo)，ψr為參考匹配點(diǎn)切線的航向角。假設(shè)控制誤差e＝[ey,eψ]t，將上式簡(jiǎn)化為e(k)＝g(ζ(k),ζr(k))；

24、建立以下基于路徑跟蹤的模型預(yù)測(cè)控制器：

25、

26、s.t.ζ(k|k)＝ζ(k),

27、ζ(k+i+1|k)＝f(ζ(k+i|k),u(k+i|k)),

28、

29、u(k-1|k)＝u*(k-1|k-1),

30、

31、其中，np表示預(yù)測(cè)控制時(shí)域，表示終端約束集合；代價(jià)函數(shù)jnmpc中第一項(xiàng)為軌跡跟蹤誤差代價(jià)，第二項(xiàng)為轉(zhuǎn)向角增量變化代價(jià)，第三項(xiàng)為終端代價(jià)；q、r、p為合適維度的權(quán)重矩陣；該模型預(yù)測(cè)控制器包含以下八項(xiàng)約束方程：第一個(gè)約束為狀態(tài)初始化約束，表示每次優(yōu)化求解前都將更新當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)；第二個(gè)約束是車(chē)輛運(yùn)動(dòng)學(xué)約束；第三個(gè)約束是路徑跟蹤誤差計(jì)算約束；第四、五個(gè)約束是轉(zhuǎn)向角控制增量的計(jì)算約束；第六個(gè)約束是控制補(bǔ)償限制約束，保證作用于車(chē)輛轉(zhuǎn)向角控制量不違反輸入飽和約束，其中δmin、δmax表示執(zhí)行器所允許的最小和最大轉(zhuǎn)向角，uc,min和uc,max表示控制補(bǔ)償量的最小和最大值；第七個(gè)約束是轉(zhuǎn)向角增量限制約束，其中δδmin和δδmax表示一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)t內(nèi)所允許的轉(zhuǎn)向角最大變化量；第八個(gè)約束為終端約束。

32、進(jìn)一步地，在s5中，求解模型預(yù)測(cè)控制器問(wèn)題，將所求得最優(yōu)控制序列中的第一個(gè)元素作為k時(shí)刻的最優(yōu)期望控制量ud(k)：

33、ud(k)＝u*(k|k)

34、計(jì)算k時(shí)刻的控制補(bǔ)償量uc(k)，然后根據(jù)下式計(jì)算最終期望轉(zhuǎn)向控制量uf(k)：

35、uf(k)＝ud(k)-uc(k)。

36、進(jìn)一步地，在s1中，建立離散化的車(chē)輛運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如下所示：

37、

38、其中，表示離散時(shí)間點(diǎn)；(x,y)表示大地坐標(biāo)系下車(chē)輛后軸中心位置的橫縱向坐標(biāo)；ψ表示車(chē)輛的航向角；v表示車(chē)輛的縱向速度；t表示離散時(shí)間步長(zhǎng)；l表示軸距；δf表示前輪轉(zhuǎn)角；將上式簡(jiǎn)寫(xiě)為以下形式：

39、

40、其中，ζ表示車(chē)輛狀態(tài)，即ζ＝[x,y,ψ]t；u表示控制量，即車(chē)輛前輪轉(zhuǎn)角δf；表示從0到無(wú)窮的正整數(shù)集合。

41、進(jìn)一步地，將組合慣導(dǎo)的安裝位置與車(chē)輛后軸中心的距離記為l'，建立組合慣導(dǎo)位置與車(chē)輛后軸中心位置的關(guān)系：

42、

43、其中，(xs,ys)表示組合慣導(dǎo)的位置坐標(biāo)；

44、將車(chē)輛質(zhì)心位置與組合慣導(dǎo)安裝位置的距離記為l”，建立車(chē)輛質(zhì)心位置與組合慣導(dǎo)安裝位置的關(guān)系如下：

45、

46、其中，(xc,yc)為車(chē)輛質(zhì)心位置坐標(biāo)。

47、另一方面，本發(fā)明提供了一種重載車(chē)輛線控轉(zhuǎn)向主動(dòng)容錯(cuò)控制系統(tǒng)，包括依次連接的車(chē)輛系統(tǒng)、感知模塊、規(guī)劃模塊和控制模塊；

48、車(chē)輛系統(tǒng)包含執(zhí)行器，用于根據(jù)控制模塊輸出的最終期望轉(zhuǎn)向控制量uf，使得執(zhí)行器作出響應(yīng)，從而改變車(chē)輛狀態(tài)；

49、感知模塊包括組合慣導(dǎo)，用于實(shí)時(shí)獲取車(chē)輛位姿狀態(tài)車(chē)輛位姿狀態(tài)包括車(chē)輛縱向速度v、組合慣導(dǎo)的位置坐標(biāo)(xs,ys)、車(chē)輛的航向角ψ；

50、規(guī)劃模塊包括路徑規(guī)劃器，用于根據(jù)感知模塊輸出的車(chē)輛位姿狀態(tài)生成參考路徑點(diǎn)序列[ζr]，并將[ζr]傳遞給控制模塊；

51、控制模塊包括延時(shí)器、估計(jì)器、控制器和補(bǔ)償量解算單元；

52、其中，控制器包括模型預(yù)測(cè)控制器，用于接收規(guī)劃模塊輸出的參考路徑點(diǎn)序列[ζr]和感知模塊輸出的車(chē)輛位姿狀態(tài)并生成期望控制量ud；延時(shí)器用于暫存上一次的最終期望轉(zhuǎn)向控制量uf，并傳遞給估計(jì)器中的儲(chǔ)存器使用；

53、估計(jì)器包括儲(chǔ)存器和滾動(dòng)時(shí)域估計(jì)器，儲(chǔ)存器用于接收感知模塊輸出的實(shí)時(shí)車(chē)輛位姿狀態(tài)和控制模塊輸出的歷史最終期望轉(zhuǎn)向控制量uf，并輸出固定長(zhǎng)度的歷史最終期望轉(zhuǎn)向控制量序列[uf]和歷史車(chē)輛位姿狀態(tài)序列滾動(dòng)時(shí)域估計(jì)器根據(jù)儲(chǔ)存器的輸出信息，輸出一段時(shí)域內(nèi)的車(chē)輛真實(shí)轉(zhuǎn)向估計(jì)值序列

54、補(bǔ)償量解算單元用于根據(jù)歷史最終期望轉(zhuǎn)向控制量序列[uf]和車(chē)輛真實(shí)轉(zhuǎn)向估計(jì)值序列解算出控制補(bǔ)償量uc；然后結(jié)合uc和期望控制量ud輸出當(dāng)前時(shí)刻的最終期望轉(zhuǎn)向控制量uf。

55、(三)有益效果

56、由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明提出的一種重載車(chē)輛線控轉(zhuǎn)向主動(dòng)容錯(cuò)控制方法與系統(tǒng)，其有益效果在于：

57、1、本發(fā)明提供的基于滾動(dòng)時(shí)域估計(jì)器能夠顯式的處理系統(tǒng)約束，保證對(duì)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能限制的估計(jì)值始終處于合理范圍，避免對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)造成不利影響；而且無(wú)需任何嚴(yán)苛的假設(shè)，能夠保證一段時(shí)域內(nèi)的估計(jì)值最優(yōu)性，相較于現(xiàn)有估計(jì)方法更加精準(zhǔn)、平滑。

58、2、利用所述估計(jì)值獲取固定時(shí)域內(nèi)的執(zhí)行器性能限制，與模型預(yù)測(cè)控制器相結(jié)合，不僅能抵消掉轉(zhuǎn)向性能限制造成的系統(tǒng)偏差，而且能夠抑制模型失配對(duì)于路徑跟蹤控制的不利影響，顯著提高路徑跟蹤精度和行駛安全性。