0 引 言
無(wú)人駕駛汽車是未來(lái)智能交通的重要組成部分，其中車輛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制是關(guān)鍵技術(shù)之一[1,2]。由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)本身具有一定的非線性，并且在工作過(guò)程中存在負(fù)載變化大，易受外界干擾等特點(diǎn)，目前常用的PID控制[3]、滑?？刂芠4]等方法很難得到理想的控制效果.針對(duì)上述問(wèn)題，采用自抗擾控制實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制.自抗擾控制是由中科院系統(tǒng)科學(xué)研究所韓京清研究員提出的一種魯棒非線性控制方法，該控制通過(guò)擴(kuò)張的擾動(dòng)觀測(cè)器實(shí)時(shí)估計(jì)并補(bǔ)償系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)受到的各種“外擾”和“內(nèi)擾”的總和作用，并結(jié)合特殊的非線性反饋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)良好的控制品質(zhì)，具有超調(diào)小、響應(yīng)快、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、算法簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，并且適于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)[5]。
1 無(wú)人駕駛車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)介紹
無(wú)人駕駛車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的作用是根據(jù)路徑規(guī)劃指令，控制前輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，使車輛沿規(guī)劃的路徑行駛.系統(tǒng)組成如圖1所示。系統(tǒng)工作過(guò)程中，轉(zhuǎn)向控制器根據(jù)路徑規(guī)劃指令，生成前輪轉(zhuǎn)角命令信號(hào)。該信號(hào)將與角度傳感器或齒條位移傳感器反饋的實(shí)際前輪轉(zhuǎn)角信號(hào)進(jìn)行比較，利用兩者的差值，通過(guò)一定的控制算法生成轉(zhuǎn)向電機(jī)指令信號(hào)(電壓或電流信號(hào))，指令信號(hào)再通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)車輛方向的改變，整個(gè)系統(tǒng)的控制原理如圖2所示。
2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析
根據(jù)上述轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)進(jìn)一步向轉(zhuǎn)向小齒輪的等效化簡(jiǎn)，得到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程如下：
考慮到運(yùn)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)向電機(jī)進(jìn)行電流閉環(huán)控制，其控制帶寬可達(dá)500 Hz，而轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作帶寬小于10 Hz，因此這里不再考慮轉(zhuǎn)向電機(jī)電磁特性對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的影響，將電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電壓輸入到電機(jī)電磁力矩輸出簡(jiǎn)化為比例環(huán)節(jié)，即：
根據(jù)式(1)、(2)、(3)，并將摩擦阻力矩Tr與Mw氣假設(shè)為線性特性，可得整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳遞函數(shù)如下：
3 二階自抗擾控制器的設(shè)計(jì)[6-8]
由上一節(jié)推導(dǎo)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳遞函數(shù)可知，該系統(tǒng)的已知部分是—個(gè)二階系統(tǒng).根據(jù)自抗擾控制器的選擇原則，控制對(duì)象的最小階數(shù)決定自抗擾控制器的階數(shù)，故這里選擇二階自抗擾控制器作為系統(tǒng)的控制器二階自抗擾控制器由3個(gè)部分組成，即跟蹤微分器、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和非線性組合，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4中，V0為控制目標(biāo)，V1是V0的跟蹤信號(hào)，V2是V0的微分信號(hào);Z1是控制對(duì)象輸出y的估計(jì)信號(hào)，Z2是y微分的估計(jì)信號(hào)，Z3則是對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)和模型不確定性以及外部擾動(dòng)的總體估計(jì);e1、e2是誤差及其微分，u為控制量，b0是對(duì)反饋放大系數(shù)的估計(jì)。
控制器各部分的離散表達(dá)式
(1)跟蹤微分器
其中：h0為濾波因子;r為速度因子;h為積分步長(zhǎng)。
跟蹤微分器是一個(gè)非線性動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)，它能夠快速無(wú)超調(diào)地跟蹤輸入信號(hào)并給出較好的輸入信號(hào)的微分。同時(shí)，通過(guò)對(duì)濾波因子h0和速度因子r的調(diào)節(jié)，可以使得控制目標(biāo)的給出符合系統(tǒng)實(shí)際響應(yīng)特性，從而有效地避免經(jīng)典調(diào)節(jié)理論中因設(shè)定值的突變而造成控制量的劇烈變化以及輸出量的超調(diào)，獲得更為理想的控制特性。
(2)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器
擴(kuò)張狀態(tài)觀察器是自抗擾控制器的核心部分，它采用非線性狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè)，其中的擴(kuò)張的狀態(tài)量是對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)和模型的不確定性等內(nèi)擾以及外部擾動(dòng)的反映.在控制量中，通過(guò)對(duì)擴(kuò)張的狀態(tài)量進(jìn)行補(bǔ)償，可將原來(lái)的控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為線性的積分串聯(lián)型控制系統(tǒng)，大大增強(qiáng)了該控制器對(duì)系統(tǒng)的適應(yīng)性.
(3)非線性組合
非線性組合實(shí)質(zhì)是一種非線性狀態(tài)誤差反饋控制律，它將經(jīng)典PID當(dāng)中的線性加權(quán)轉(zhuǎn)換成反饋效率更高的非線性組合，得到非線性PD控制器，以此提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)。
4 仿真研究
4.1整車模型介紹
為了更好地模擬輪胎回正力在不同工況下對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響，本研究中的整車模型采用非線性七自由度車輛動(dòng)力學(xué)模型[9]，如圖5所示.這里的七自由度是指汽車縱向速度、側(cè)向速度與橫擺角速度3個(gè)整車運(yùn)動(dòng)自由度和4個(gè)車輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)自由度。
其表達(dá)式如式(8)所示。
仿真研究首先檢驗(yàn)了自抗擾控制器的控制能力，在車速為10 km/h的工況下，給車輛以階躍轉(zhuǎn)角信號(hào)200和180。(相當(dāng)于前輪轉(zhuǎn)角1.25度和11.25度)，考察轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輸出響應(yīng)，并與常用的PI控制器進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖6，7所示.從圖中可以看出：①自抗擾控制可以有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制;②由于設(shè)計(jì)了考慮系統(tǒng)自身響應(yīng)能力的過(guò)渡過(guò)程，因而其控制效果好于PI控制，沒(méi)有出現(xiàn)PI控制的超調(diào)現(xiàn)象;③對(duì)不同的轉(zhuǎn)角輸入自抗擾控制的適應(yīng)性好，沒(méi)有出現(xiàn)PI控制中由于控制目標(biāo)的變化而出現(xiàn)動(dòng)態(tài)過(guò)程變差的現(xiàn)象.如圖7中所示，PI控制在轉(zhuǎn)角輸入為180度時(shí)動(dòng)態(tài)過(guò)程振蕩加劇，而自抗擾控制的動(dòng)態(tài)過(guò)程和轉(zhuǎn)角輸入為20度時(shí)幾乎是一樣的。
5 結(jié)論
針對(duì)無(wú)人駕駛車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點(diǎn)，在分析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了二階自抗擾控制器來(lái)控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角.采用七自由度非線性車輛模型，在Madab/Smulink環(huán)境下進(jìn)行了仿真研究。研究結(jié)果表明：
(1)自抗擾控制器可用于無(wú)人駕駛車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制，具有較高的控制精度和很寬的控制范圍;
(2)自抗擾控制器具有很強(qiáng)的擾動(dòng)抑制能力，可有效提高系統(tǒng)的魯棒性;
(3)使用自抗擾控制器無(wú)須獲得控制對(duì)象的精確模型，簡(jiǎn)化了控制器的設(shè)計(jì)，提高了控制器的實(shí)際使用價(jià)值。仿真過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)了自抗擾控制器的一些問(wèn)題：①控制參數(shù)較多，調(diào)節(jié)比較困難;②控制器的輸出有一定的抖動(dòng).如何有效地解決上述問(wèn)題，使自抗擾控制器能用于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)際控制，將是下一步研究的重點(diǎn)。
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