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

背景技術(shù)：

1、重載車輛作為能源開采、礦產(chǎn)運輸?shù)阮I(lǐng)域的核心作業(yè)裝備，其自動駕駛技術(shù)是實現(xiàn)高危工況安全防護與作業(yè)效能提升的關(guān)鍵突破口。作為車輛橫向控制的核心執(zhí)行機構(gòu)，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能安全性能直接決定著整車橫向-橫擺-側(cè)傾復(fù)合動力學(xué)控制精度。然而在工程實踐中，自動駕駛重載車輛的線控轉(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)測量誤差，也可能由齒輪或齒條等機械部件之間的間隙引起。此外，該偏差也可能源于車輛裝配過程中的誤差，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)車輛失穩(wěn)甚至側(cè)翻事故，顯著增加自動駕駛系統(tǒng)的安全風險系數(shù)。

2、如何對自動駕駛重載車輛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能限制進行精準評估，并對偏差因素進行溯源修正或者補償抑制，是降低行駛風險、提高運行效率的關(guān)鍵。工程中常用的方法是對車輛進行四輪定位，以消除部分轉(zhuǎn)向偏差。然而，針對大批量重載車輛的離線標定模式存在兩大固有缺陷：一是需中斷作業(yè)流程進行人工檢測，難以適應(yīng)連續(xù)化生產(chǎn)需求；二是無法感知動態(tài)工況下的實時性能限制，制約了自動駕駛系統(tǒng)的大規(guī)模部署應(yīng)用。為了解決上述局限性，當前研究主要從控制算法層面提出兩類在線解決方案：被動魯棒容錯控制策略和主動補償容錯控制策略。

3、被動魯棒容錯控制策略一般是先通過經(jīng)驗知識獲取轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能限制的邊界，之后利用該邊界信息設(shè)計魯棒容錯控制器，抑制性能限制注入對閉環(huán)控制系統(tǒng)的不利影響。然而，通過經(jīng)驗知識設(shè)定線控轉(zhuǎn)向性能限制邊界，若設(shè)置得過于緊密，則可能無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)的風險；若設(shè)置得過于寬松，則據(jù)此設(shè)計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，上述魯棒容錯控制策略需要合理地對性能限制進行假設(shè)，較難兼顧強魯棒性和低保守度，不太適用于行駛環(huán)境復(fù)雜多變的工況。

4、主動補償容錯控制策略通常包括一個估計器或觀測器，用于實施更新轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能限制，而后基于該限制的估計值進行控制器設(shè)計。例如，文獻[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)計了自適應(yīng)診斷觀測器來獲取對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能限制的估計，之后將其有狀態(tài)反饋控制相結(jié)合，實現(xiàn)主動補償控制；文獻[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.利用擴展卡爾曼濾波實現(xiàn)對真實車輛轉(zhuǎn)向角的估計，而后結(jié)合模型預(yù)測控制器實現(xiàn)主動容錯控制。

5、上述主動補償控制策略能夠在一定程度上實現(xiàn)對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的執(zhí)行性能限制實時估計和補償，但是存在以下局限性：1、卡爾曼濾波類的估計器在主動補償控制策略中十分常見，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)在實際車輛控制系統(tǒng)重一般難以滿足，因此無法保證估計值的最優(yōu)性；2、一些觀測器同樣能實現(xiàn)轉(zhuǎn)向性能限制估計，但是在估計誤差收斂過程中可能存在超調(diào)、震蕩現(xiàn)象，利用這些估計值開展主動補償控制器設(shè)計可能會對系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、(一)要解決的技術(shù)問題

2、基于此，本發(fā)明提供了一種重載車輛線控轉(zhuǎn)向主動容錯控制方法與系統(tǒng)，以解決背景技術(shù)中所提到被動魯棒容錯控制策略難以實現(xiàn)低保守度和強魯棒性的統(tǒng)一，和現(xiàn)有的主動補償控制策略無法保證估計值的最優(yōu)性，且較難處理系統(tǒng)約束的問題。

3、(二)技術(shù)方案

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

5、s1：建立離散化的車輛運動學(xué)模型；

6、s2：根據(jù)所述模型的執(zhí)行性能限制，設(shè)計基于滾動時域的估計器；

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

8、s4：設(shè)計基于路徑跟蹤的模型預(yù)測控制器；

9、s5：根據(jù)所述模型預(yù)測控制器的最優(yōu)期望控制量和所述控制補償量，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)向控制量實現(xiàn)對車輛進行主動補償容錯控制；

11、在s2中，將k時刻組合慣導(dǎo)測量出的車輛位姿狀態(tài)記為并用ne表示估計時域；將送入一個固定容量為ne+1的儲存器，剔除k-ne-1時刻的位姿狀態(tài)此時與[k-ne,k-1]時刻的狀態(tài)一起組成了歷史車輛位姿狀態(tài)序列

12、將k-1時刻所求得的最終期望轉(zhuǎn)向控制量記為uf(k-1)；將uf(k-1)送入一個固定容量為ne的儲存器，剔除k-ne-1時刻的最終期望轉(zhuǎn)向控制量uf(k-ne-1)；此時uf(k-1)與[k-ne,k-2]時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、針對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的執(zhí)行性能限制，構(gòu)建以下滾動時域估計問題：

14、

15、其中，代價函數(shù)jnmhe的第一項懲罰估計狀態(tài)與測量狀態(tài)之間的偏差；第二項懲罰估計轉(zhuǎn)向角與期望轉(zhuǎn)向角之間的偏差；第三項是到達成本；s1、s2和w為合適維度的權(quán)重矩陣；第一個約束表示車輛標稱運動學(xué)模型；第二個約束是車輛執(zhí)行器飽和約束，表示所估計出的真實轉(zhuǎn)向角應(yīng)當處于線控轉(zhuǎn)向器所能達到的極限范圍[σmin,σmax]之內(nèi)；第三個約束表示線控轉(zhuǎn)向器的性能限制估計值應(yīng)當處于一個合理的范圍[uc,min,uc,max]之內(nèi)，其中uc,min和uc,max表示控制補償量的最小和最大值。

16、進一步地，在s3中，求解滾動時域估計問題，獲得最優(yōu)解序列并將其作為固定時域長度內(nèi)的最優(yōu)轉(zhuǎn)向估計值序列即：

17、

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

19、

20、進一步地，在s4中，遍歷由路徑規(guī)劃器依據(jù)測量車輛位姿狀態(tài)生成的參考路徑點序列獲取距離車輛質(zhì)心坐標(xc,yc)最近的參考路徑點，記為參考匹配點p0；然后，沿參考路徑以當前速度v行駛一個時間步長t，得到下一個投影點p1；通過重復(fù)該過程，在預(yù)測控制時域np內(nèi)生成一組參考匹配點

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

22、

23、其中(xr,yr)為參考匹配點的坐標，ψr為參考匹配點切線的航向角。假設(shè)控制誤差e＝[ey,eψ]t，將上式簡化為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)測控制時域，表示終端約束集合；代價函數(shù)jnmpc中第一項為軌跡跟蹤誤差代價，第二項為轉(zhuǎn)向角增量變化代價，第三項為終端代價；q、r、p為合適維度的權(quán)重矩陣；該模型預(yù)測控制器包含以下八項約束方程：第一個約束為狀態(tài)初始化約束，表示每次優(yōu)化求解前都將更新當前時刻的狀態(tài)；第二個約束是車輛運動學(xué)約束；第三個約束是路徑跟蹤誤差計算約束；第四、五個約束是轉(zhuǎn)向角控制增量的計算約束；第六個約束是控制補償限制約束，保證作用于車輛轉(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表示控制補償量的最小和最大值；第七個約束是轉(zhuǎn)向角增量限制約束，其中δδmin和δδmax表示一個時間步長t內(nèi)所允許的轉(zhuǎn)向角最大變化量；第八個約束為終端約束。

32、進一步地，在s5中，求解模型預(yù)測控制器問題，將所求得最優(yōu)控制序列中的第一個元素作為k時刻的最優(yōu)期望控制量ud(k)：

33、ud(k)＝u*(k|k)

34、計算k時刻的控制補償量uc(k)，然后根據(jù)下式計算最終期望轉(zhuǎn)向控制量uf(k)：

35、uf(k)＝ud(k)-uc(k)。

36、進一步地，在s1中，建立離散化的車輛運動學(xué)模型如下所示：

37、

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

39、

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

41、進一步地，將組合慣導(dǎo)的安裝位置與車輛后軸中心的距離記為l'，建立組合慣導(dǎo)位置與車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；

44、將車輛質(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)為車輛質(zhì)心位置坐標。

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

48、車輛系統(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)，從而改變車輛狀態(tài)；

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

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

51、控制模塊包括延時器、估計器、控制器和補償量解算單元；

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

53、估計器包括儲存器和滾動時域估計器，儲存器用于接收感知模塊輸出的實時車輛位姿狀態(tài)和控制模塊輸出的歷史最終期望轉(zhuǎn)向控制量uf，并輸出固定長度的歷史最終期望轉(zhuǎn)向控制量序列[uf]和歷史車輛位姿狀態(tài)序列滾動時域估計器根據(jù)儲存器的輸出信息，輸出一段時域內(nèi)的車輛真實轉(zhuǎn)向估計值序列

54、補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]和車輛真實轉(zhuǎn)向估計值序列解算出控制補償量uc；然后結(jié)合uc和期望控制量ud輸出當前時刻的最終期望轉(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輛線控轉(zhuǎn)向主動容錯控制方法與系統(tǒng)，其有益效果在于：

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

58、2、利用所述估計值獲取固定時域內(nèi)的執(zhí)行器性能限制，與模型預(yù)測控制器相結(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。