【摘 要】
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近年来,随着自动化、计算机、人工智能等高新技术的产生与发展,汽车逐渐与这些高新技术进一步紧密融合,通过这些融合促进了汽车智能化快速发展,同时智能车受到全球汽车行业及相关方面专家学者的研究,使得智能车在全球发展迅猛。轨迹跟踪控制是智能车研究的核心技术之一,其对智能车的实用化起到至关重要的作用。和传统前轮转向（Front-Wheel Steering,FWS）智能车相比,四轮转向（Four-Wheel
【基金项目】
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吉林省科技厅技术攻关项目:基于耦合控制的智能车组群生态协同驾驶（182446GX010149104）；
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近年来,随着自动化、计算机、人工智能等高新技术的产生与发展,汽车逐渐与这些高新技术进一步紧密融合,通过这些融合促进了汽车智能化快速发展,同时智能车受到全球汽车行业及相关方面专家学者的研究,使得智能车在全球发展迅猛。轨迹跟踪控制是智能车研究的核心技术之一,其对智能车的实用化起到至关重要的作用。和传统前轮转向（Front-Wheel Steering,FWS）智能车相比,四轮转向（Four-Wheel Steering,4WS）智能车具有在低速时转弯半径小,灵活度高;在高速时车辆稳定性高等特点。本文以4WS智能车为被控对象,开展轨迹跟踪控制方法研究。为了提高智能车对期望行驶轨迹跟踪精度和车辆稳定性,本文针对4WS智能车,首先搭建了4WS智能车辆模型,并在车辆动力学软件Car Sim中搭建仿真工况,其次分别设计了4WS智能车预瞄和模型预测控制（Model Predictive Control,MPC）轨迹跟踪控制器,最后在联合仿真平台上对所设计的两种控制器进行仿真验证。具体设计内容如下:（1）搭建4WS智能车辆模型。首先对四轮转向（4WS）问题进行描述;其次对4WS智能车进行模型的合理简化,分别搭建车辆侧向及纵向动力学模型,并建立轮胎模型;最后采用Car Sim软件设计不同附着路面的典型仿真工况。（2）进行四轮转向（4WS）智能车预瞄轨迹跟踪控制器设计。首先对轨迹跟踪控制问题进行描述;随后进行基于预瞄的四轮转向轨迹跟踪控制器设计,建立车轮转角和预瞄偏差之间的函数关系,通过控制车轮转角来缩小车辆和轨迹跟踪的误差;最后基于联合仿真平台分别在不同车速和不同附着路面下跟踪所设计的参考轨迹,验证了预瞄轨迹跟踪控制器的有效性。（3）进行四轮转向（4WS）智能车MPC轨迹跟踪控制器设计。为了提高4WS智能车的轨迹跟踪精度和稳定性,本文采用MPC作为轨迹跟踪控制器。首先对MPC原理展开介绍;基于线性化的车辆动力学模型,进行MPC控制算法开发,考虑车辆动态特性以及车辆转向系统约束对轨迹跟踪过程中的控制器状态量与输出量进行约束,以满足轨迹跟踪过程中车辆稳定性与可行性。同时,考虑到在极限工况下车辆的稳定性,对前后轮胎侧偏角进行添加约束,采用Car Sim和MATLAB/Simulink软件搭建联合仿真平台,在所设计的典型仿真工况上,采用所设计的MPC控制器,控制4WS智能车在不同车速和不同附着路面分别进行仿真验证。仿真结果表明,所设计的控制器可以实现车辆精准跟踪参考轨迹,并保证车辆具有良好的稳定性。（4）不同控制器轨迹跟踪仿真结果对比。采用本文所设计的两种控制器,控制4WS智能车分别采取以低速、中高速度行驶在所设计的典型仿真工况下,仿真结果表明,针对四轮转向智能车,本文所设计的两种控制器在轨迹跟踪精度和稳定性方面相比,MPC控制器整体上优于预瞄控制器,但所设计的MPC控制器和预瞄控制器均能有效跟踪参考轨迹,并保证车辆具有良好的稳定性。
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