鉸接式無軌車輛路徑跟蹤與操縱穩(wěn)定性集成控制研究

鉸接式無軌車輛路徑跟蹤與操縱穩(wěn)定性集成控制研究摘要：本研究旨在提出一種鉸接式無軌車輛的路徑跟蹤與操縱穩(wěn)定性集成控制方法。首先，針對無軌車輛鉸接結(jié)構(gòu)特點，建立基于轉(zhuǎn)向比和導(dǎo)角的非線性動力學(xué)模型，并設(shè)計一種基于狀態(tài)反饋的線性二次調(diào)節(jié)器。其次，在路徑跟蹤方面，采用PID控制器進行轉(zhuǎn)向控制，利用指數(shù)滑動模式控制器進行速度控制，并利用模糊邏輯控制器進行轉(zhuǎn)向和速度的加權(quán)控制。最后，為保證車輛的操縱穩(wěn)定性，設(shè)計了一種基于LQR的操縱穩(wěn)定控制器，并利用反饋線性化方法來消除非線性的操縱動力學(xué)影響。仿真結(jié)果表明，本研究所提出的方法可以有效地實現(xiàn)鉸接式無軌車輛的路徑跟蹤和操縱穩(wěn)定性控制。

關(guān)鍵詞：鉸接式無軌車輛；路徑跟蹤；操縱穩(wěn)定性；集成控制；仿真分析。

1、引言

近年來，鉸接式無軌車輛因其在狹小空間內(nèi)的優(yōu)越機動性能而備受關(guān)注。但由于鉸接機構(gòu)所引入的非線性和動力學(xué)耦合特性，其操縱與控制變得異常復(fù)雜，給鉸接式無軌車輛的全自動控制和智能化研究帶來了極大的挑戰(zhàn)。路徑跟蹤和操縱穩(wěn)定性是鉸接式無軌車輛控制中的兩個關(guān)鍵問題。傳統(tǒng)的控制方法往往是將路徑跟蹤和操縱穩(wěn)定性作為兩個獨立的問題分開設(shè)計控制器，這樣的方法在解決問題時會出現(xiàn)相互影響的問題，降低了控制效果。

因此，本研究對鉸接式無軌車輛的路徑跟蹤與操縱穩(wěn)定性進行了集成控制設(shè)計，旨在提出一種在可行的時間內(nèi)同時保障鉸接式無軌車輛路徑跟蹤和操縱穩(wěn)定的控制方案。

2、鉸接式無軌車輛的建模

本文利用車輛的構(gòu)型參數(shù)和牽引的動力參數(shù)建立起考慮了懸掛的鉸接式無軌車輛動力學(xué)模型。對于該模型，本文采用了非線性的建模方法，因為鉸接式無軌車輛存在鉸接的非線性和運動耦合的非線性。

在鉸接式無軌車輛的建模中，本文考慮了鉸接角度對整車的轉(zhuǎn)向控制的影響，并采用導(dǎo)角法建立了鉸接式無軌車輛的運動學(xué)模型。為了進一步改進操縱控制方式，本文采用了基于狀態(tài)反饋的線性二次調(diào)節(jié)控制，以使鉸接式無軌車輛實現(xiàn)高效、低延遲的控制。

3、鉸接式無軌車輛的路徑跟蹤控制

路徑跟蹤控制器是鉸接式無軌車輛控制的核心部分，它不僅要求車輛能夠快速響應(yīng)來自環(huán)境的變化，還要求鉸接式無軌車輛能夠很好地捕捉路徑和沿路徑行駛。

為了實現(xiàn)鉸接式無軌車輛的路徑跟蹤控制，本文提出了一種基于PID控制器的控制方法，其中包括了根據(jù)路徑信息計算的轉(zhuǎn)向角偏差和速度偏差的控制律。此外，為了更好地控制車輛的速度，本文還采用了指數(shù)滑動模式控制器，以實現(xiàn)高性能的路徑跟蹤控制。

4、鉸接式無軌車輛的操縱穩(wěn)定控制

鉸接式無軌車輛在高速運動時，難以控制其方向和減速，從而會影響其操縱和穩(wěn)定性。為有效地控制鉸接式無軌車輛的操縱穩(wěn)定性，本文提出了一種基于LQR的控制方法，并采用反饋線性化對非線性操縱動力學(xué)進行了消除。

本文的設(shè)計策略是應(yīng)用LQR控制器將車輛操縱響應(yīng)的特性和操縱穩(wěn)定控制效果結(jié)合起來。通過對模型進行線性化，將原模型導(dǎo)入到LQR控制中，以實現(xiàn)高性能、低延遲的操縱穩(wěn)定控制。同時，通過反饋線性化控制，使得LQR控制器可以消除非線性的操縱動力學(xué)影響，并穩(wěn)定整個系統(tǒng)。

5、仿真分析

本文在Matlab/Simulink軟件環(huán)境下對所提出的集成控制方案進行了仿真分析。將仿真的路徑曲線和速度信號輸入到運動控制系統(tǒng)中，以驗證控制方案的有效性。仿真結(jié)果表明，所提出的控制方案可以實現(xiàn)鉸接式無軌車輛的路徑跟蹤和操縱穩(wěn)定性控制，提高了鉸接式無軌車輛的運動性能。

6、結(jié)論

本研究提出了一種鉸接式無軌車輛路徑跟蹤與操縱穩(wěn)定性集成控制方法。該方法在考慮到非線性鉸接機構(gòu)和動力學(xué)耦合特性的同時，將路徑跟蹤控制和操縱穩(wěn)定控制集成在一起，通過控制器的加權(quán)控制，使得鉸接式無軌車輛達到了良好的路徑跟蹤和操縱穩(wěn)定性控制性能。仿真結(jié)果表明，所提出的方法可以很好地控制鉸接式無軌車輛的行駛，提高其運動性能和安全性7、進一步的研究方向

雖然本研究提出了一種有效的鉸接式無軌車輛路徑跟蹤與操縱穩(wěn)定性集成控制方法，但是仍有以下進一步的研究方向：

（1）進一步改進模型的精度：提高模型的精度可以更好地反映實際系統(tǒng)的特性，從而提高控制系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。

（2）研究復(fù)雜路況下的控制方法：在實際應(yīng)用中，車輛往往會遇到復(fù)雜的路況，如坡道、彎道、障礙物等，需要研究不同路況下的控制方法，以實現(xiàn)更高的安全性和可靠性。

（3）研究多車協(xié)同控制方法：實際場景中，車輛往往不是獨立行駛，需要研究多車協(xié)同控制方法，以提高車隊的整體性能和效率。

（4）研究在不同環(huán)境中的應(yīng)用：鉸接式無軌車輛適用于多種環(huán)境，如城市道路、公共交通、物流運輸?shù)?，需要研究在不同環(huán)境下的應(yīng)用和控制方法。

綜上所述，鉸接式無軌車輛路徑跟蹤與操縱穩(wěn)定性集成控制是鉸接式無軌車輛領(lǐng)域的重要研究方向之一。本研究提出的方法為鉸接式無軌車輛的控制提供了新思路和新方法，對于鉸接式無軌車輛的控制和應(yīng)用具有重要意義（5）研究能源管理策略：鉸接式無軌車輛的能源管理對于其運行效率和經(jīng)濟性至關(guān)重要，需要研究不同的能源管理策略，以最大限度地提高能源利用效率，降低運行成本。

（6）研究人機交互技術(shù)：隨著智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，人機交互技術(shù)已經(jīng)成為鉸接式無軌車輛領(lǐng)域的一個重要研究方向。需要研究不同的人機交互技術(shù)，以提高車輛的駕駛體驗和安全性。

（7）研究智能化應(yīng)用：鉸接式無軌車輛的智能化應(yīng)用是未來的發(fā)展方向，需要研究不同的智能化應(yīng)用，如自主駕駛、智能交通等，以提高車輛的智能化水平和運行效率。

綜上所述，鉸接式無軌車輛領(lǐng)域的研究具有廣闊的應(yīng)用前景和研究空間。未來需要進一步深入探究鉸接式無軌車輛的控制技術(shù)和智能化應(yīng)用，以適應(yīng)不斷變化的市場需求和技術(shù)趨勢此外，還需要注意以下幾個方面的研究：

（1）研究鉸接式無軌車輛的結(jié)構(gòu)優(yōu)化：結(jié)構(gòu)優(yōu)化是提高車輛運行效率和經(jīng)濟性的關(guān)鍵，需要對車輛的結(jié)構(gòu)進行深入研究，以提高車輛運載能力和穩(wěn)定性。

（2）研究車輛的靜態(tài)與動態(tài)分析：車輛的靜態(tài)與動態(tài)分析是評估車輛性能的重要手段，需要研究車輛的靜態(tài)和動態(tài)特性，以提高車輛的安全性和舒適性。

（3）研究鉸接式無軌車輛與城市交通的整合：鉸接式無軌車輛作為一種新型的城市交通工具，需要與城市交通系統(tǒng)進行整合，以提高整個城市交通系統(tǒng)的運行效率和可持續(xù)性，需要深入研究城市交通規(guī)劃與鉸接式無軌車輛的聯(lián)動發(fā)展。

（4）研究鉸接式無軌車輛的環(huán)保效益：環(huán)保效益是鉸接式無軌車輛相對于傳統(tǒng)公交車的優(yōu)勢之一，需要深入研究鉸接式無軌車輛的環(huán)保技術(shù)和環(huán)保效益，以推廣鉸接式無軌車輛的應(yīng)用。

總之，未來鉸接式無軌車輛領(lǐng)域的研究需要綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)保和社會發(fā)展等