摘 要

随着汽车技术不断进步和相关配套设施的进一步落实，自动驾驶汽车已经开始走进了我们的生活。而轨迹跟踪技术是自动驾驶技术的重要组成部分，由于车辆是具有很强非线性的复杂系统，而且动力学模型复杂，故导致在轨迹跟踪控制设计中轨迹跟踪控制的研究存在很多困难，使车辆准确的跟踪参考轨迹是实现自动驾驶技术的基础。

因而本文结合差动控制与主动转向各自控制策略的优势，以建立目标函数的方法进行建模仿真，以提高轨迹跟踪控制的精度和准确度为目的，进行车辆的的协调轨迹跟踪控制研究以及Carsim/Simulink联合环境的仿真工作。

首先进行基于主动转向的轨迹跟踪控制研究，建立车辆动力学模型和轮胎模型的建立，设计动力学控制系统和控制器算法的优化，完成主动转向轨迹跟踪控策略的设计工作。其次，由于车辆存在非线性特性，差动控制可以产生的单独的滑动转向，因此对基于差动控制的轨迹跟踪策略进行研究。利用变参数比例积分微分PID控制器控制左右轮的转矩，通过分配不同的转矩产生滑动转向，完成对差动控制轨迹跟踪的研究。最后，设计协调主动转向和差动控制的轨迹跟踪控制策略，通过设计目标函数，确定权重参数，将两种轨迹跟踪策略的权重进行协调，研究权重系数对轨迹跟踪的影响。在MATLAB/Simulink和Carsim联合仿真环境中进行仿真验证，验证其有效性和可靠性，实现了有效提高车辆的转向响应并改善车辆的轨迹跟踪精度的目标，同时具有较好的可行性。

关键词：轨迹跟踪研究；主动转向；差动控制；协调控制；Matlab/Simulink-Carsim联合仿真

Abstract

With the continuous improvement of automobile technology and the implementation of related facilities, self-driving cars have begun to enter our lives.The tracking technology is an important part of the automatic driving technology. Since the vehicle is a complex system with strong nonlinearity, the research of the trajectory tracking control in the trajectory tracking control is always difficult.the vehicle accurately tracks the reference trajectory The foundation of driving technology.

So, the result is to combines the advantages of the respective control strategies of differential control and active steering to set up the objective function method to improve the accuracy and accuracy of the trajectory tracking control. The research is aimed to conduct coordinated trajectory tracking control research for the vehicle and the Carsim / Simulink joint environment.

Firstly, research on trajectory tracking control based on active steering, establishment of vehicle dynamics model and tire model and design transformation of dynamics control system, and design of trajectory tracking control strategy based on active steering Secondly, since the sliding steering generated by differential control is independent of active steering, the trajectory tracking strategy based on differential control is studied. The variable parameter PID controller is used to differentially control the torque of the left and right wheels to produce sliding steering, and the research on the trajectory tracking of the differentially controlled vehicle is completed. By designing the objective function, the weight parameters are determined, the weights of the two trajectory tracking strategies are coordinated, and the influence of the weight coefficient on trajectory tracking is studied. Through simulation experiments in the MATLAB / Simulink and Carsim joint simulation environment to verify the effectiveness and reliability. it has good feasibility.

Key Words: Trajectory tracking research; active steering; differential control; coordinated control; Matlab / Simulink-Carsim joint simulation

目 录

摘 要 III

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 论文主要内容 2

第2章 基于主动转向的车辆轨迹跟踪控制研究 4

2.1 主动转向模型预测轨迹跟踪控制原理 4

2.2 车辆动力学模型的构建 4

2.3 模型预测控制器的原理及设计 8

2.3.1 线性动力学模型的转化与建立 8

2.3.2 目标函数的建立与控制器设计转化求解 10

2.4 本章小结 13

第3章 基于差动控制的车辆轨迹跟踪控制研究 14

3.1 差动控制轨迹跟踪策略的设计 14

3.2 差动控制轨迹跟踪策略的建模与组成 16

3.2.1 变参数PID控制器 16

3.2.2 一阶惯性传递函数电机环节 17

3.3 本章小结 18

第4章 基于协调控制的车辆轨迹跟踪控制研究 19

4.1 协调控制轨迹跟踪策略的设计 19

4.2 Carsim/Simulink联合仿真车辆模型的搭建 20

4.2.1 Carsim软件及整车模型的建立 20

4.2.2 联合仿真控制器模型的搭建 21

4.3 协调控制轨迹跟踪策略的仿真 21

4.3.1 目标函数权重系数的影响与选取 21

4.3.2 协调控制轨迹跟踪的仿真分析 22

4.4 本章小结 26

第5章 总结与展望 27

5.1 全文总结 27

5.2 工作展望 27

参考文献 29

致谢 30

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

当下社会汽车数量的不断增长，各种传感器、计算机技术和先进的汽车控制算法的进步，自动驾驶技术也得到了进步和研究，并开始进入我们的生活，开始为我们带来一些便利。近年来，自动驾驶汽车已经成为汽车行业的主流研究方向。该科技可以有效提高汽车的操纵稳定性和安全性，同时提高道路利用率和降低运输成本，使自动驾驶车辆和技术成为未来智能交通的重要发展方向^[1]。

自动驾驶技术的一项重要技术为车辆工作器控制，该技术完成车辆的路径跟踪工作。因此，实现自动驾驶车辆的有效稳定控制策略具有深远的意义。由于车辆与强非线性和复杂系统高度耦合，在设计轨迹跟踪控制算法时，往往面临动力学模型非常复杂且无法准确表达的问题，导致轨迹跟踪控制研究一直是一个难题，使车辆准确跟踪参考轨迹是实现主动控制的基本保证。因此，本文将对车辆纵向和横向动力学模型的建立以及动力学控制系统的设计进行研究。

在自动驾驶技术中，轨迹跟踪控制策略的建立和仿真是研究的热点之一。协调控制基于主动转向和差动控制技术，该技术随着各种传感器技术、信息技术和车辆控制技术的快速发展，在主动转向和差动控制的研究进展下，以汽车为中心的协调控制技术将是现代交通系统和未来智能交通系统的重要技术之一^[2]。对现有的主动转向轨迹跟踪控制模型和微分控制轨迹跟踪控制模型进行了研究，了解了它们的原理，为构建协调轨迹跟踪控制策略奠定了模型基础和技术支持。

综上所述，自动驾驶汽车具有很高的研究价值和深远的市场应用前景。对于自动驾驶技术，稳定且有效的控制车辆轨迹路径特别是是轨迹精确跟踪，具有重要和深远的意义。该技术能够提高汽车的行驶安全性，同时还可以改进车辆的操纵稳定性。因此，对协调控制轨迹跟踪算法的研究能够保证自驾车在冰雪和高速行驶等复杂路况下仍具有良好的稳定性和安全性，对自动驾驶技术具有较强的理论研究价值和应用意义^[3]。本次课题进行协调主动转向与差动控制的轨迹跟踪研究工作，在该策略中以转向轮转角来设计主动转向轨迹跟踪策略，辅以差动控制的滑动转向对前者主动转向控制进行补偿，从而通过设计目标函数，确定权重参数，建立协调控制轨迹跟踪策略和模型，同时在MATLAB/Simulink和Carsim联合仿真环境中验证模型的有效性和可行性，实现在不同工况条件下，改善车辆的转向响应和轨迹跟踪策略，保证驾驶员及车辆稳定安全的行驶。