基于双效滑模控制策略的轨迹跟踪仿真研究

本文提出一种适用度较高的自动驾驶汽车轨迹跟踪控制策略。以车辆横向运动为控制目标，首先以车辆质心侧偏角、横摆角速度和横向位移为控制变量，构建三自由度车辆动力学模型。其次针对车辆行驶产生的横向偏差，采用滑模控制方法设计双效控制策略，计算补偿前轮转向角反馈给车辆，进而调整车辆跟踪精度。最后在双移线路径下进行仿真，并与传统Stanley方法进行对比分析，结果表明，所设计控制系统的跟踪策略不仅具有较好的鲁棒性，同时适用于急速转向等紧急工况，跟踪控制精度方面更是提升了20%~50%，打破了以往跟踪控制策略的局限性。

自动驾驶技术作为汽车当前及未来主要发展方向，主要通过车辆感知、决策规划及控制三大步骤实现，其中控制技术作为核心技术之一决定了车辆执行性能。车辆的轨迹跟踪能力不仅是主要被控对象， 同时也是实现自动驾驶技术落地应用的一大难点，目前出现的车辆协调避撞[1]、转向跟踪优化[2]等问题都涉及到此方向内容，因此该方向的研究发展有助于提高汽车主动安全性，对减少交通碰撞等问题大有裨益。

模型预测控制方法善于解决多约束非线性动力学问题[3]，因此在轨迹跟踪方面得到了广泛的应用。

Mohammad 等人将此方法应用于非线性电动汽车的速度跟踪[4]；麦克马斯特大学Meshginqalam 等人提出新型两级模型预测速度控制算法，可以实现车载计算资源实时求解[5]；埃及开罗大学Nada 基于此方法计算车辆转向角及角速度来跟踪期望路径。参考文献[6] [7]使用MPC 设计一体化动态轨迹规划和跟踪控制器，仿真结果表明仅在车速小于50 km/h 时跟踪效果较好；同时也有较多研究将此方法应用于车辆稳定性控制[8]、驾驶辅助系统应用等[9]。

滑模控制方法使得系统在动态过程中有目的地不断变化， 按照预定状态轨迹运动[10]。

同济大学唐齐荣[11]、科威特大学Elmokadem 等人[12]基于非线性扰动观测器的滑模控制器应用于水下航行器的轨迹跟踪控制中；参考[13]提出一种基于积分SMC 的复合非线性反馈控制技术，将主动前轮转向和直接横摆力矩控制相结合，实现了更准确、快速的自动驾驶车辆路径跟踪控制；江苏大学陈鼎等人将反馈滑模控制应用于农业车辆的路径跟踪[14]，有助于农业智能技术发展，降低人力投入成本。

参考文献[15] [16] [17]中同时结合以上两种方法对前轮的预期转向角进行跟踪， 验证转向电机故障情况下轨迹跟踪的有效性。除此之外还有基于模糊控制方法设计的集成控制器[18]、PI 跟踪控制器[19]等， 利用主动前轮转向调节，控制跟踪车辆理想横摆角速度、质心侧滑角。

根据当前的研究成果看出，轨迹跟踪控制研究在纵向方面取得较好进展，但对于车辆横向控制方面的研究仍具有一定局限性。本文沿此方向展开，首先明确轨迹跟踪所需被控变量即影响因素，据此构建三自由度车辆动力学模型。其次针对车辆实际行驶轨迹与期望轨迹间产生的横向偏差，采用滑模控制方法设计双效控制策略，计算补偿前轮转向角反馈给车辆，进而调整车辆跟踪精度。最后取转向曲率较大的极限路径下进行高速仿真试验，并与传统Stanley [20]方法进行对比分析，验证所提出控制器的适应能力及跟踪精度。