無人駕駛方程式賽車橫向運動控制研究

張蘇才，李 剛,，王立勇，宿 焱

(1. 遼寧工業大學 汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121001；2. 北京信息科技大學 機電系統測控北京市重點實驗室，北京 100192)

中國大學生無人駕駛方程式大賽由中國汽車工程學會于2017年開始舉辦。在比賽過程中，無人駕駛方程式賽車需要以不斷變化的縱向車速行駛在復雜曲率的賽道上，賽車的橫向運動控制是保證其穩定行駛在目標路徑的關鍵技術之一。

目前橫向運動控制算法主要有經典控制方法[1-2]、純追蹤控制[3]、最優控制[4]、自適應控制[5]、滑模控制[6]和模型預測控制[7]等。純追蹤算法原理簡單，易于實現，但其前視距離對控制性能有很大影響。此外，純追蹤算法未考慮車輛動力學約束，道路曲率變化易使高速行使的車輛發生側滑，因此多用于車輛在低速和簡單道路曲率下的橫向運動控制[8]。趙凱等[9]通過計算路徑的預瞄偏差角和路徑曲率，提出了一種基于預瞄信息的橫向運動控制算法。Fan等[10]建立基于路徑跟隨誤差的線性系統，采用線性二次型調節器(linear quadratic regulator，LQR)最優控制實現橫向運動控制。

模型預測控制(model predictive control，MPC)能在線處理具有各種等式或不等式約束的復雜系統求解問題[11]。龔建偉等[12]介紹了使用MPC進行無人駕駛車輛運動控制的基礎方法。陳龍等[13]基于非線性模型預測控制設計了橫向運動控制器，并與障礙函數法結合，在提高跟蹤精度的同時改善了車輛行駛穩定性。盧紅生等[14]提出了一種多約束模型控制方法，并提出倒序乘子求解法，在保證求解精度的同時大幅提升了求解效率。唐傳茵等[15]針對高速行駛工況下車輛路徑跟蹤效果，設計了一種基于粒子群優化的模型預測控制器并進行仿真，結果表明該控制器對高速行駛車輛路徑跟蹤效果提升明顯，但低速行駛跟蹤效果不佳。雖然MPC能根據當前時刻車輛狀態進行預測控制，且能對車輛動力學進行約束，極大地提高了車速較高時橫向運動控制的精度和行駛穩定性，控制效果優于傳統的純追蹤控制，但是其控制效果受參數影響較大，在固定參數下難以適應各種工況?？傊?，上述單一控制算法存在不能滿足不同工況下的車輛橫向運動控制精度和行駛穩定性要求的問題。

本文中針對無人駕駛方程式賽車這一特定規則下的自動駕駛車輛，考慮到其以較高車速行駛的同時保證橫向運動控制精度和行駛穩定性，設計一種由純追蹤控制器、MPC控制器與切換控制器組成的橫向混合控制算法。當車速較低時，考慮到車輛行駛工況相對安全，采用純追蹤控制器進行橫向運動控制，以提高橫向運動控制的實時性；當車速處于中速工況時，切換控制器輸出加權系數，作用于純追蹤控制器和MPC控制器，經過加權系數計算，共同輸出轉角，實現兩者之間平滑切換；當車速較高時，采用MPC控制器，保證車輛橫向運動控制精度和行駛穩定性。

1 車輛模型

由于賽事特殊的動力學要求，無人駕駛方程式賽車需盡可能以較高的車速行駛，因此需要建立包括動力學約束的車輛動力學模型以提高跟蹤精度和行駛穩定性。為了減少動力學模型在求解過程中的計算量，作如下假設[16]：1)車輛行駛路面良好，不考慮垂直運動；2)忽略懸架系統和空氣動力學的影響；3)忽略橫向載荷轉移。由此建立只考慮車輛縱向、橫向和橫擺3個自由度的車輛三自由度模型，如圖1所示。

xoy—車輛坐標系；XOY—慣性坐標系；車輛在x軸方向的速度；車輛在y軸方向的速度；車輛橫擺角速度；δf—車輛前輪轉角；Fcf、Fcr—前、后輪側向力；Flf、Flr—前、后輪縱向力；αf、αr—前、后輪側偏角；a、b—質心與前、后軸之間的距離。圖1 車輛三自由度模型

采用小角度假設，輪胎受力為

(1)

根據牛頓第二定律，且考慮車輛坐標系與慣性坐標系之間轉換，車輛動力學方程為

(2)

2 控制器設計

2.1 純追蹤控制器設計

純追蹤算法幾何原理如圖2所示。主要原理是通過阿克曼轉向幾何計算出前輪轉角δf，使車輛后軸中心沿目標路徑圓弧到達預瞄點(gx,gy)。

α—前視角；R—車輛轉彎半徑；ld—前視距離。圖2 純追蹤算法幾何原理

由圖2可得出如下關系：

(3)

即

(4)

式中:ld為前視距離;α為前視角;R為車輛轉彎半徑;eld為后軸中心與預瞄點的橫向偏差。

根據阿克曼轉向幾何，可得到

(5)

式中L為車輛軸距。

聯立式(4)、(5)得到前輪轉角控制方程為

(6)

2.2 MPC控制器設計

2.2.1 線性時變模型

采用線性模型預測控制器作為橫向運動控制器，雖然比純追蹤控制器的計算時間長，但跟蹤精度較高，能夠滿足跟蹤精度和行駛穩定性要求[17]。

(7)

2.2.2 預測方程

設參考點為(ξdyn,r,udyn,r)，推導MPC的預測方程，將式(7)轉換成

(8)

得到一個新的狀態空間表達式，即

(9)

經過上述推導，得到系統的預測輸出表達式為

Y(t)=Ψξ(t|t)+ΘΔU(t),

(10)

2.2.3 目標函數設計

控制器的目標函數設計如式(11)所示，即

J[ξ(t),u(t-1),ΔU(t)]=

(11)

式中：η(k+i|t)為實際輸出，i為時域步長；ηref(k+i|t)為參考輸出；Q為輸出量權重矩陣；R為控制增量權重矩陣；ρ為松弛因子權重系數；ε為松弛因子。2.2.4 約束條件

在控制器中加入以下動力學約束。

1)質心側偏角約束。質心側偏角極限在附著良好的路面可達到±12°，因此，對質心側偏角β作如下約束：

-12°<β<12°。

(12)

2)附著條件約束。附著條件會對車輛穩定性產生很大影響。車輛加速度與路面附著系數關系為

(13)

式中：ax、ay分別為x、y方向的加速度；μ為地面摩擦系數。

若約束條件限定過窄，運算求解量較大，可能會出現無解的情況。為了計算方便，將該約束設定為軟約束條件，若在采用時刻內出現無可行解的情況，松弛因子會弱化該約束得出可行解，即

ay,min-ε≤ay≤ay,max+ε，

(14)

式中ay,min、ay,max為y方向加速度約束極值。

3)輪胎側偏角約束。若輪胎側偏角過大，輪胎附著力達到極限值，此時車輛會側滑失穩。根據輪胎側偏特性[18]，輪胎側偏角小于5°時，輪胎側偏力與側偏角呈線性關系?？紤]到要保證賽車的行駛穩定性，對前輪側偏角的約束條件作出更加嚴格的限定，因此，對輪胎側偏角進行如下約束：

-2.5°<αf<2.5°。

(15)

2.2.5 優化求解

對式(16)約束優化問題進行求解，得出作用于系統的最優控制增量。

(16)

式中：ΔUf為控制增量；ΔUf,min、ΔUf,max分別為控制增量約束極限值；Uf為控制量；Uf,min、Uf,max分別為控制量約束極限值；yhc為硬約束輸出；yhc，min、yhc,max分別為硬約束輸出極限值；ysc為軟約束輸出；ysc，min、ysc,max分別為軟約束輸出極限值。

對式(16)進行求解，得到最優前輪轉角增量序列如下：

(17)

將增量序列第一項作為系統的控制增量輸入，即

(18)

2.2.6 控制器參數確定

通過仿真結果來確定MPC控制器的參數。預測時域Np主要反映系統對未來的預測的程度，影響系統的穩定性和響應速率。當Np較小時，系統對未來時間步長的數量預測少，系統穩定性較好，但響應速率較慢；反之，則響應速率較快，穩定性較差?？刂茣r域Nc主要影響優化求解輸出量的個數，其數值小于Np。當Nc較小時，系統的跟蹤性能較差且易出現抖動，因此，需要權衡系統的特性來確定Np和Nc的取值。

由于在提出的混合控制策略中，模型預測控制器主要工作在車速較高的工況下，通過多組仿真結果對比，最終確定MPC控制器的參數如表1所示。

表1 模型預測控制器參數

2.3 混合控制器設計

2.3.1 混合控制策略

根據賽車橫向運動控制要求，設計了如圖3所示的混合控制策略。在賽車行駛過程中，模式識別器根據賽車當前車速判斷行駛工況，輸入到切換控制器中。橫向運動控制系統根據當前路徑與目標路徑的偏差，分別使用純追蹤控制器和模型預測控制器解算出前輪轉角。中速工況時，對2個控制器輸出的前輪轉角進行加權計算。最終，切換控制器根據行駛工況輸出相應的前輪轉角。以賽車反饋的實際縱向車速為切換依據，進行2種算法切換。將車速設置為3種模式：①當車速小于35 km/h時，模式識別器識別到賽車行駛在低速工況，此時選擇純追蹤控制器。②當車速為35～40 km/h時，模式識別器識別到賽車行駛在中速工況，此時2種控制器加權輸出前輪轉角；設置中速工況主要是為了保證在2種算法之間平滑過渡，避免算法切換時出現不穩定的狀況。③當車速大于40 km/h時，模式識別器識別到賽車行駛在高速工況，此時選擇MPC控制器。

vx—車輛x方向的車速；δf—前輪轉角；δ1—純追蹤控制器輸出轉角；δ2—模型預測控制器輸出轉角；λ1、λ2—加權系數；X—實際縱向位置；Y—實際橫向位置；e—橫向位置誤差；de—橫向位置誤差變化率。圖3 混合控制策略結構圖

2.3.2 切換控制器

根據前文所述混合控制策略，由于切換控制器只作用于中速工況，因此這時前輪轉角為2種算法加權輸出。定義純追蹤控制器輸出轉角為δ1，加權系數為λ1；MPC控制器輸出轉角為δ2，加權系數為λ2。切換完成之后，λ1和λ2一個為0、一個為1，防止在控制算法切換過程中橫向控制系統出現不穩定的情況。最終輸出前輪轉角δf為

δf=λ1δ1+λ2δ2。

(19)

使用模糊控制算法設計切換控制器如圖4所示。將跟蹤過程中橫向位置誤差e和誤差的變化率de作為控制器的輸入。輸出為作用于2種算法輸出轉角的加權系數λ1和λ2。

圖4 基于模糊控制算法的切換控制器

模糊控制器主要包括3個部分，即隸屬度函數、模糊規則和解模糊化。

1)隸屬度函數。橫向位置誤差e的模糊論域為{-1,-0.5,0,0.5,1},對應模糊子集為{nl,ns,zo,ps,pl}，分別對應負大、負小、零、正小、正大。誤差變化率de的模糊論域為{-1,0,1}，對應模糊子集為{nl,zo,pl}，分別對應負大、零、正大。加權系數λ1和λ2的物理論域為[0，1]，模糊論域為{0,1,2,3}，對應的模糊子集為{zo,ps,m,pl}，分別對應零、正小、中等、正大。輸入量隸屬度函數采用高斯隸屬度函數，表達式為

(20)

式中：σ為隸屬度函數的寬度；c為隸屬度函數的中心。

控制器輸出量隸屬度函數如圖5所示。

圖5 輸出量隸屬度函數

2)模糊規則。模糊控制規則如表2、3所示。對模糊規則進行說明如下：①當e為正大或負大、de為負大時，此時誤差e很大且有逐漸縮小的趨勢。為了保證控制系統平滑切換，λ1和λ2均為適中。若de為正大，此時誤差很大且有逐漸增大的趨勢，為了保證系統平滑切換且較快縮小橫向位置誤差e，λ1較小，λ2最大。若de為0，此時誤差e很大且暫時不發生變化，λ1較小，λ2適中。②當e為正小或負小、de為負大時，此時誤差e較小且有逐漸縮小的趨勢。為了保證控制系統平滑切換，λ1較小，λ2適中。若de為正大，此時誤差較小且有逐漸增大的趨勢，λ1和λ2均為適中。若de為0，此時誤差e較小且暫時不發生變化，λ1和λ2均為較小。③當e為0、de為負大或正大時，同樣為保證控制系統平滑切換，λ1較小，λ2適中。若de為0，此時系統跟蹤效果較好，λ1最小，λ2最大。

表2 加權系數λ1控制規則表

表3 加權系數λ2控制規則表

3)解模糊化。將得到的模糊值轉化為精確值，作為系統的輸入值，本文中采用常用的重心法解模糊化。

3 仿真驗證

3.1 車輛模型參數

使用CarSim與MATLAB/Simulink聯合仿真實驗，對本文中提出的橫向運動控制策略進行驗證。無人駕駛方程式賽車模型部分參數如表4所示。

表4 無人駕駛方程式賽車車輛參數

3.2 仿真驗證

由于無人駕駛方程式賽車比賽賽道彎道較多且彎道曲率復雜多變，因此目標路徑選取如圖6所示，用于驗證賽車在變速和復雜曲率工況下橫向跟蹤控制策略的跟蹤精度與行駛穩定性。通常，瀝青或混凝土(干)路面峰值附著系數為0.8～0.9[18]，考慮實際比賽中路面為附著良好的瀝青路面，因此，選取路面附著系數為0.85，從賽道起始位置開始進行路徑跟蹤。

圖6 賽車目標路徑曲線

由于在跟蹤過程中，目標路徑的縱向位置與橫向位置呈非線性關系，在進行參數的表述時存在不便，會出現曲線圖較亂的情況，因此，為了便于參數的表述，使用車輛行駛距離代替車輛縱向位置作為橫坐標。行駛距離與縱向位置的關系如圖7所示。

圖7 賽車行駛距離與縱向位置的關系

在實際比賽的過程中，賽車需在保證穩定性的前提下，盡可能地以較高的車速行駛。經多次仿真對比，在當前目標路徑下，賽車最高車速能達到72 km/h，因此，在仿真環境中，設定最高縱向車速為72 km/h。車輛在直道時加速，在彎道減速，縱向車速隨行駛距離變化如圖8所示，仿真結果如圖9、10所示。

圖8 賽車縱向車速與行駛距離的關系

從圖8中可以看出：整個跟蹤過程中縱向車速在不斷的變化，在行駛距離為50、80、210、230 m時，縱向車速為40 km/h；在行駛距離為53、73、207、227 m時，縱向車速為35 km/h。上述行駛距離處均為算法切換點，混合橫向控制算法進行切換。

從圖9(a)中可以看出，純追蹤控制和混合控制對目標路徑的跟蹤效果均較好，未出現特別明顯的偏離目標路徑的情況；但是，由于橫、縱向位置較大，對跟蹤效果的反映不夠直觀，因此，對3個彎道處的跟蹤效果對比進行放大。從圖9(b)中可以看出：在第一個彎道處混合控制在前半段低速工況下跟蹤效果與純追蹤一致。在縱向位置為18 m、對應行駛距離為80 m時，此時混合控制切換為MPC算法，發生輕微抖動，與目標路徑產生偏差，但偏差很快消除，對整體跟蹤效果影響不大。從圖9(c)中可以看出，在第2個彎道時車輛處于高速轉彎的工況。隨著縱向位置增大，純追蹤控制與目標路徑之間出現明顯偏差，此時，混合控制使用的是MPC算法，與目標路徑之間保持較小的偏差，控制效果明顯優于純追蹤控制。從圖9(d)中可以看出，在第3個彎道時混合控制已切換成純追蹤控制算法，由于賽道曲率較大，因此混合控制與純追蹤控制均與目標路徑產生明顯偏差。

從圖10(a)中可以看出，在整個跟蹤過程中，混合控制橫向位置誤差小于0.2 m，純追蹤控制誤差小于0.3 m，混合控制跟蹤精度優于純追蹤控制。從圖10(b)中可以看出，在整個跟蹤過程中，混合控制與純追蹤控制質心側偏角均小于0.15°，車輛行駛穩定性較好。在算法切換點，混合控制質心側偏角未出現明顯的波動，說明2種算法之間切換平滑。

4 結論

根據無人駕駛方程式賽車橫向運動控制的要求，本文中設計了純追蹤控制和MPC控制混合橫向控制算法。在CarSim和MATLAB/Simulink軟件聯合仿真平臺對變速和復雜曲率賽道上的控制效果進行驗證。

1)當賽車在低速和高速行駛時，所設計的橫向控制系統均能有較好的路徑跟蹤性能。橫向位置誤差小于0.2 m，質心側偏角小于0.15°。相比單一的純追蹤控制器，混合控制算法獲得了更好的控制效果，同時也保證了車輛的行駛穩定性。

2)所設計的切換控制器在純追蹤控制器和MPC控制器進行切換時，能保證車輛橫向控制誤差和質心側偏角不發生突然變化，實現在2種控制算法之間平滑切換。