第3章：车辆横向控制

news2024/11/20 12:44:08

3.1 车辆横向运动学模型

注：上一篇博客讲解了车辆的纵向运动控制，这一篇博客将要讲解的是车辆的横向运动控制；横向运动控制主要是控制车辆一直保持在期望的轨迹上行驶（即通过打方向盘保证车辆的横向运动方向符合预期），同时要保证对车辆的横向控制（打方向盘的程度）满足车辆的动力学特性；

3.1.1 自行车模型

注：如果想控制车辆的运动，那首先要对车辆的运动建立一个数据化的模型，自行车模型是一个非常常见且简单的车辆模型，我们通过自行车模型，来建立车辆的横向运动控制模型（运动学模型）

$G$ ：车辆质心
$l=l_{f}+l_{r}$ ：车辆纵向轴距（ $l_{f}$ 为质心离前轮的轴距， $l_{r}$ 为质心离后轮的轴距）
$V$ ：车辆的质心速度，代表车辆在行驶过程中的实际速度
$\psi$ ：横摆角（车纵轴与X轴的夹角），代表车辆的行驶方向
$\beta$ ：质心侧偏角（车纵轴与车速 $V$ 之间的夹角）
$\delta _{f}$ ：前轮转角（后轮转角 $\delta _{r}$ 图中未体现）

在通过自行车模型建立车辆运动学模型的时候，做出的假设：

忽略车辆在垂直方向（Z轴）上的运动，我们对车辆的描述是在一个二维平面上进行的；
假设车辆的两个前轮/两个后轮的转角和转速是相同的，这样我们可以将车辆的两个前轮/后轮用一个前轮/后轮来代替，因为两个前轮/后轮的性质是相同的，这样就可以将一个四轮车模型简化为一个两轮车模型；（而实际上两个轮胎的转角是不相同的）
忽略了轮胎受到的侧向力，即假设前轮转角 $\delta _{f}$ 和前轮轮速 $v _{f}$ 的方向是一致的，后轮也是这样；不过这个假设成立的条件为低速行驶，因为只有在低速行驶的时候，轮胎产生的侧向力很小可以忽略，所以可以大致认为前轮转角 $\delta _{f}$ 和前轮轮速 $v _{f}$ 的方向一致；
假设车辆的行驶速度的变化也是缓慢的（即加速度很小），这样我们就可以忽略掉车辆前后轴的载荷转移；
假设整车以及悬架系统是刚性的，即车轮是没有滑移运动的，因此可以使用横摆角代表车辆的实际运动方向；

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注：运动学模型仅在低速环境下有效（假设3），如果想要建立高速情况下的车辆横向控制模型，就必须考虑轮胎侧向力，这个时候需要使用车辆动力学模型；

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总结：

低速行车使用运动学模型作为车辆的横向运动控制模型
高速行车使用动力学模型作为车辆的横向运动控制模型