本發明涉及車輛控制，特別涉及一種重載車輛線控轉向主動容錯控制方法與系統。

背景技術：

1、重載車輛作為能源開采、礦產運輸等領域的核心作業裝備，其自動駕駛技術是實現高危工況安全防護與作業效能提升的關鍵突破口。作為車輛橫向控制的核心執行機構，線控轉向系統的功能安全性能直接決定著整車橫向-橫擺-側傾復合動力學控制精度。然而在工程實踐中，自動駕駛重載車輛的線控轉向系統可能存在執行性能限制，主要表現為車輪轉角與期望指令間的偏差，最終導致顯著的橫向路徑跟蹤誤差。這一現象可能源于線控轉向系統中的角位移傳感器系統測量誤差，也可能由齒輪或齒條等機械部件之間的間隙引起。此外，該偏差也可能源于車輛裝配過程中的誤差，甚至是在惡劣作業環境下外力碰撞導致的壓縮變形、機械磨損或者單側輪胎胎壓突變等突發因素。在重載工況下輕則引起控制精度降低、作業效率下降，重則誘發車輛失穩甚至側翻事故，顯著增加自動駕駛系統的安全風險系數。

2、如何對自動駕駛重載車輛線控轉向系統的性能限制進行精準評估，并對偏差因素進行溯源修正或者補償抑制，是降低行駛風險、提高運行效率的關鍵。工程中常用的方法是對車輛進行四輪定位，以消除部分轉向偏差。然而，針對大批量重載車輛的離線標定模式存在兩大固有缺陷：一是需中斷作業流程進行人工檢測，難以適應連續化生產需求；二是無法感知動態工況下的實時性能限制，制約了自動駕駛系統的大規模部署應用。為了解決上述局限性，當前研究主要從控制算法層面提出兩類在線解決方案：被動魯棒容錯控制策略和主動補償容錯控制策略。

3、被動魯棒容錯控制策略一般是先通過經驗知識獲取轉向系統性能限制的邊界，之后利用該邊界信息設計魯棒容錯控制器，抑制性能限制注入對閉環控制系統的不利影響。然而，通過經驗知識設定線控轉向性能限制邊界，若設置得過于緊密，則可能無法涵蓋性能限制的所有潛在取值，增加閉環系統失穩的風險；若設置得過于寬松，則據此設計的控制器不可避免地具有保守性，不利于提升控制精度。因此，上述魯棒容錯控制策略需要合理地對性能限制進行假設，較難兼顧強魯棒性和低保守度，不太適用于行駛環境復雜多變的工況。

4、主動補償容錯控制策略通常包括一個估計器或觀測器，用于實施更新轉向系統性能限制，而后基于該限制的估計值進行控制器設計。例如，文獻[1]fekih?a,devariste?d.afault-tolerant?steering?control?design?for?automatic?path?tracking?inautonomous?vehicles[c]//2013american?control?conference.ieee,2013:5146-5151.設計了自適應診斷觀測器來獲取對轉向系統性能限制的估計，之后將其有狀態反饋控制相結合，實現主動補償控制；文獻[2]zhang?l,wang?z,ding?x,et?al.fault-tolerantcontrol?for?intelligent?electrified?vehicles?against?front?wheel?steeringangle?sensor?faults?during?trajectory?tracking[j].ieee?access,2021,9:65174-65186.利用擴展卡爾曼濾波實現對真實車輛轉向角的估計，而后結合模型預測控制器實現主動容錯控制。

5、上述主動補償控制策略能夠在一定程度上實現對線控轉向系統的執行性能限制實時估計和補償，但是存在以下局限性：1、卡爾曼濾波類的估計器在主動補償控制策略中十分常見，但其最優性依賴于線性模型和高斯噪聲假設。該假設在實際車輛控制系統重一般難以滿足，因此無法保證估計值的最優性；2、一些觀測器同樣能實現轉向性能限制估計，但是在估計誤差收斂過程中可能存在超調、震蕩現象，利用這些估計值開展主動補償控制器設計可能會對系統穩定性產生不利影響。

技術實現思路

1、(一)要解決的技術問題

2、基于此，本發明提供了一種重載車輛線控轉向主動容錯控制方法與系統，以解決背景技術中所提到被動魯棒容錯控制策略難以實現低保守度和強魯棒性的統一，和現有的主動補償控制策略無法保證估計值的最優性，且較難處理系統約束的問題。

3、(二)技術方案

4、為了達到上述目的，一方面，本發明提供了一種重載車輛線控轉向主動容錯控制方法，包括：

5、s1：建立離散化的車輛運動學模型；

6、s2：根據所述模型的執行性能限制，設計基于滾動時域的估計器；

7、s3：根據所述估計器的最優轉向估計值和歷史最終期望轉向控制量，得到控制補償量；

8、s4：設計基于路徑跟蹤的模型預測控制器；

9、s5：根據所述模型預測控制器的最優期望控制量和所述控制補償量，得到最終期望轉向控制量；

10、s6：根據所述最終期望轉向控制量實現對車輛進行主動補償容錯控制；

11、在s2中，將k時刻組合慣導測量出的車輛位姿狀態記為并用ne表示估計時域；將送入一個固定容量為ne+1的儲存器，剔除k-ne-1時刻的位姿狀態此時與[k-ne,k-1]時刻的狀態一起組成了歷史車輛位姿狀態序列

12、將k-1時刻所求得的最終期望轉向控制量記為uf(k-1)；將uf(k-1)送入一個固定容量為ne的儲存器，剔除k-ne-1時刻的最終期望轉向控制量uf(k-ne-1)；此時uf(k-1)與[k-ne,k-2]時刻的控制量一起組成了歷史最終期望轉向控制量序列

13、針對線控轉向系統的執行性能限制，構建以下滾動時域估計問題：

14、

15、其中，代價函數jnmhe的第一項懲罰估計狀態與測量狀態之間的偏差；第二項懲罰估計轉向角與期望轉向角之間的偏差；第三項是到達成本；s1、s2和w為合適維度的權重矩陣；第一個約束表示車輛標稱運動學模型；第二個約束是車輛執行器飽和約束，表示所估計出的真實轉向角應當處于線控轉向器所能達到的極限范圍[σmin,σmax]之內；第三個約束表示線控轉向器的性能限制估計值應當處于一個合理的范圍[uc,min,uc,max]之內，其中uc,min和uc,max表示控制補償量的最小和最大值。

16、進一步地，在s3中，求解滾動時域估計問題，獲得最優解序列并將其作為固定時域長度內的最優轉向估計值序列即：

17、

18、結合儲存器內歷史最終期望轉向控制量序列可以得出控制補償量uc的解算公式：

19、

20、進一步地，在s4中，遍歷由路徑規劃器依據測量車輛位姿狀態生成的參考路徑點序列獲取距離車輛質心坐標(xc,yc)最近的參考路徑點，記為參考匹配點p0；然后，沿參考路徑以當前速度v行駛一個時間步長t，得到下一個投影點p1；通過重復該過程，在預測控制時域np內生成一組參考匹配點

21、根據車輛質心位置(xc,yc)和參考匹配點，可以計算橫向誤差ey和航向角誤差eψ：

22、

23、其中(xr,yr)為參考匹配點的坐標，ψr為參考匹配點切線的航向角。假設控制誤差e＝[ey,eψ]t，將上式簡化為e(k)＝g(ζ(k),ζr(k))；

24、建立以下基于路徑跟蹤的模型預測控制器：

25、

26、s.t.ζ(k|k)＝ζ(k),

27、ζ(k+i+1|k)＝f(ζ(k+i|k),u(k+i|k)),

28、

29、u(k-1|k)＝u*(k-1|k-1),

30、

31、其中，np表示預測控制時域，表示終端約束集合；代價函數jnmpc中第一項為軌跡跟蹤誤差代價，第二項為轉向角增量變化代價，第三項為終端代價；q、r、p為合適維度的權重矩陣；該模型預測控制器包含以下八項約束方程：第一個約束為狀態初始化約束，表示每次優化求解前都將更新當前時刻的狀態；第二個約束是車輛運動學約束；第三個約束是路徑跟蹤誤差計算約束；第四、五個約束是轉向角控制增量的計算約束；第六個約束是控制補償限制約束，保證作用于車輛轉向角控制量不違反輸入飽和約束，其中δmin、δmax表示執行器所允許的最小和最大轉向角，uc,min和uc,max表示控制補償量的最小和最大值；第七個約束是轉向角增量限制約束，其中δδmin和δδmax表示一個時間步長t內所允許的轉向角最大變化量；第八個約束為終端約束。

32、進一步地，在s5中，求解模型預測控制器問題，將所求得最優控制序列中的第一個元素作為k時刻的最優期望控制量ud(k)：

33、ud(k)＝u*(k|k)

34、計算k時刻的控制補償量uc(k)，然后根據下式計算最終期望轉向控制量uf(k)：

35、uf(k)＝ud(k)-uc(k)。

36、進一步地，在s1中，建立離散化的車輛運動學模型如下所示：

37、

38、其中，表示離散時間點；(x,y)表示大地坐標系下車輛后軸中心位置的橫縱向坐標；ψ表示車輛的航向角；v表示車輛的縱向速度；t表示離散時間步長；l表示軸距；δf表示前輪轉角；將上式簡寫為以下形式：

39、

40、其中，ζ表示車輛狀態，即ζ＝[x,y,ψ]t；u表示控制量，即車輛前輪轉角δf；表示從0到無窮的正整數集合。

41、進一步地，將組合慣導的安裝位置與車輛后軸中心的距離記為l'，建立組合慣導位置與車輛后軸中心位置的關系：

42、

43、其中，(xs,ys)表示組合慣導的位置坐標；

44、將車輛質心位置與組合慣導安裝位置的距離記為l”，建立車輛質心位置與組合慣導安裝位置的關系如下：

45、

46、其中，(xc,yc)為車輛質心位置坐標。

47、另一方面，本發明提供了一種重載車輛線控轉向主動容錯控制系統，包括依次連接的車輛系統、感知模塊、規劃模塊和控制模塊；

48、車輛系統包含執行器，用于根據控制模塊輸出的最終期望轉向控制量uf，使得執行器作出響應，從而改變車輛狀態；

49、感知模塊包括組合慣導，用于實時獲取車輛位姿狀態車輛位姿狀態包括車輛縱向速度v、組合慣導的位置坐標(xs,ys)、車輛的航向角ψ；

50、規劃模塊包括路徑規劃器，用于根據感知模塊輸出的車輛位姿狀態生成參考路徑點序列[ζr]，并將[ζr]傳遞給控制模塊；

51、控制模塊包括延時器、估計器、控制器和補償量解算單元；

52、其中，控制器包括模型預測控制器，用于接收規劃模塊輸出的參考路徑點序列[ζr]和感知模塊輸出的車輛位姿狀態并生成期望控制量ud；延時器用于暫存上一次的最終期望轉向控制量uf，并傳遞給估計器中的儲存器使用；

53、估計器包括儲存器和滾動時域估計器，儲存器用于接收感知模塊輸出的實時車輛位姿狀態和控制模塊輸出的歷史最終期望轉向控制量uf，并輸出固定長度的歷史最終期望轉向控制量序列[uf]和歷史車輛位姿狀態序列滾動時域估計器根據儲存器的輸出信息，輸出一段時域內的車輛真實轉向估計值序列

54、補償量解算單元用于根據歷史最終期望轉向控制量序列[uf]和車輛真實轉向估計值序列解算出控制補償量uc；然后結合uc和期望控制量ud輸出當前時刻的最終期望轉向控制量uf。

55、(三)有益效果

56、由上述技術方案可知，本發明提出的一種重載車輛線控轉向主動容錯控制方法與系統，其有益效果在于：

57、1、本發明提供的基于滾動時域估計器能夠顯式的處理系統約束，保證對線控轉向系統性能限制的估計值始終處于合理范圍，避免對閉環控制系統造成不利影響；而且無需任何嚴苛的假設，能夠保證一段時域內的估計值最優性，相較于現有估計方法更加精準、平滑。

58、2、利用所述估計值獲取固定時域內的執行器性能限制，與模型預測控制器相結合，不僅能抵消掉轉向性能限制造成的系統偏差，而且能夠抑制模型失配對于路徑跟蹤控制的不利影響，顯著提高路徑跟蹤精度和行駛安全性。