【加入纵向速度优化的履带车辆轨迹跟踪控制分析案例4500字】

加入纵向速度优化的履带车辆轨迹跟踪控制分析案例加入纵向速度优化的履带车辆轨迹跟踪控制分析案例 11.1模型预测控制器设计 1 11.1.2优化目标函数和控制器约束 31.2基于伪谱法的纵向速度优化 41.2.1伪谱法基本理论 41.2.2优化目标函数设计 51.3仿真试验验证 61.3.1典型越野路面的仿真验证 61.3.2加入纵向速度优化的仿真验证 1.1模型预测控制器设计为了达到更好的轨迹跟随效果，模型预测控制器采用x=[XYφ]为系统状态量，左右侧主动轮转速u=[nnR]为控制量，并且将实时的左右侧履带滑移滑转率i、由第二章式(2-26)中给出的履带车辆基于瞬时转向中心的非线性运动学模型为和期望控制量u,,因此采用第二章针对参考轨迹的线性化方法，将状态方程在当前位置进行泰勒一阶展开，忽略高阶项。同时在车2由于在每一采样时刻对车辆当前状态进行泰勒展开，控制器状态量初值系统预测时域为N,控制时域为N,系统在预测时域内输4J(k)=[P,ξ(t|t)+0,△U(t)-Yng(t)]QIV,ξ(t|t)+0,△U(t=[0,△U(t)+E(t)]Q0,△U(t)+E(t)]+△U(t)'R△U(t)=△U(t)T(QQ0,+R)△U(t)+2E(t)Q0,△U(t)+E(t)=[△U(t)ε]H,[△U(t)ε]+G,[△U(t)ε1.2基于伪谱法的纵向速度优化伪谱法在收敛速度和计算精度方面具有明显优势，在车辆最优控制问题通过求解最优控制策略u*(t)使得系统从当前状态转移到另一状态的过程中满足优化目标函数J最小。其数学描t₀和t,分别为起始时间和终止时间。f为系统的状态转移函数，k为系统起始和终止本文采用Radau伪谱法，利用正交的LGR配点将连续最优控制问题进行离散化表示的非线性规划问题，最终采用成熟的优化算法求解器(如IPOPT,SNOPT或者NPSOL)进行求解。向车速v和横摆角速度w,并将优化得到的纵向车速作为下层基于模型预测的控制器参考车速v,ne(X,Y),其基于运动学的状态方程可以表示如下：为了能够对车辆纵向加速度添加过程约束和纵向车速添加终端约束，将车速v作为状态量，并将纵向加速度作为控制量，即v=a。6初始时刻车辆位于大地坐标系下的坐标原点，经过t时刻后位于点(X,Y)处，当 本文在第三章提出的横纵向解耦的履带车辆轨迹跟踪控制算法在不同的车速和不同的初始条件下均可以保证较好的轨迹跟踪效果，但该算法主要应用于良好路面，对特殊路面的适应性较差。针对以上不足，本文又提出了一种考种特殊路面的轨迹跟踪效果。在此基础上又加入基于伪谱法的纵向速度优化，进一步期望路径同样采用双移线工况，初始状态量设置为[000],控制器采样周期为0.05s,预测时域为20,控制时域为15,权重矩阵参数为：Q=diag(50,100,500),R=diag(500,500)。车辆在初始时刻速度为零，当履带车辆模型态之后，模型预测控制器开始输出控制量进行轨迹跟踪，纵向的期望车速为恒定的黏质土的地面沉陷参数设置如下表1.1所示。土壤粘度土壤内摩擦角(°)效果如图1.1所示。其中，绿色曲线为期望轨迹，蓝色曲线为本章提出的考虑滑移滑由图1.1可以看出在黏质土壤地面条件下不考虑滑移滑转会产生较大的横向误差，而本章提出的控制算法在该路面仍然可以保证良好的轨迹跟踪效果。图1.2为履带车辆在两种控制算法条件下轨迹跟踪的横向偏差，考虑滑移滑转的轨迹的横向偏差最大值为0.0495m,不考虑滑移滑转的车辆轨迹与期望轨迹的横向偏差最大值为0.1352m。因此，本章提出的轨迹跟踪算法在黏质土壤地面条件下能够明8—考虑滑移滑转一不考虑滑移滑转 砂壤土的地面沉陷参数设置如下表1.2所示。土壤粘度土壤内摩擦角(°)在砂壤地面条件下，履带车辆的轨迹跟踪效果如图1.3所示。一期望轨迹一考虑滑移滑转一不考虑滑移滑转由图1.3可以看出在砂壤地面条件下本章提出的控制算法仍然可以保证良好的轨迹跟踪效果。图1.4为履带车辆在两种控制算法条件下轨迹跟踪的横向偏差，考虑滑移滑转的车辆轨迹与期望轨迹的横向偏差最大值为0.0459m,不考虑滑移滑转的车辆轨迹与期望轨迹的横向偏差最大值为0.1245m。本章提出的轨迹跟踪算法在砂壤地面一考虑滑移滑转土壤粘度土壤内摩擦角(°)在雪地条件下，履带车辆的轨迹跟踪效果如图1.5所示。由图1.5可以看出在雪地条件下本章提出的控制算法仍然可以保证良好的轨迹跟踪效果。图1.6为履带车辆在两种控制算法条件下轨迹跟踪的横向偏差，考虑滑移滑转的车辆轨迹与期望轨迹的横向偏差最大值为0.0388m,不考虑滑移滑转的车辆轨迹与期望轨迹的横向偏差最大值为0.1484m,在雪地条件下仍然可以保证良好的轨迹跟图1.7为履带车辆在黏质土、砂壤土以及雪地条件下，采用考虑滑移滑转的模型预测控制算法进行轨迹跟踪控制得到的质心侧偏角一考虑滑移滑转一不考虑滑移滑转—黏质土一雪地本文提出的分层轨迹跟踪控制在上层通过伪谱法获得车速序列vng(t),然后再将其转换为关于车辆位置的期望车速序列vneg(X,Y),根据反馈的车辆位置信息经过最大层的整车控制器VCU,底层控制器通过PID等算法实现主动轮转速的跟随响应，最终实现基于分层控制策略的轨迹跟踪，其基本逻辑框架如图1.9所示。上层：纵向速度规划上层：纵向速度规划纵向参考车速下层：横纵向轨迹跟踪左右侧主动轮转速低层：底盘线性化控制轨迹跟踪控制器条件下对比是否加入纵向速度优化的轨迹跟踪效果，如图1.10所示。一一期望轨迹一未加入纵向速度规划一加入纵向速度规划横一未加入纵向速度规划一加入纵向速度规