1、2023 年（第 45 卷）第 8 期汽车工程Automotive Engineering2023（Vol.45 ）No.8车辆队列抗扰抗内切协同路径跟踪控制*边有钢1，2，张田田1，谢和平1，3，秦洪懋1，2，杨泽宇1，2（1.湖南大学机械与运载工程学院，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082；2.湖南大学无锡智能控制研究院，无锡 214115；3.徐州徐工矿业机械有限公司，徐州 210009）摘要 本文研究过弯场景下车辆队列的抗扰抗内切协同路径跟踪控制方法。首先，基于前车直接跟随式方案，采用圆弧曲线跟踪路径代替一般直线跟踪路径，构建车辆队列过弯抗内切策略，以降低车辆队列过弯
2、时的整体跟踪误差；其次，设计卡尔曼滤波器和龙伯格观测器，以解决跟随车位置状态噪声及航向状态噪声或不易量测的问题；然后，设计协同路径跟踪控制器，并基于李雅普诺夫稳定性理论导出系统稳定的充分条件，指导控制器参数设计；最后，通过数值仿真和实车试验验证控制器设计的可行性和有效性。关键词：智能网联汽车；路径跟踪控制；协同控制；抗扰控制Anti-disturbance and Anti-corner-cutting Control for Collaborative Path Tracking of Vehicle PlatoonBian Yougang1，2，Zhang Tiantian1，Xie He
3、ping1，3，Qin Hongmao1，2&Yang Zeyu1，21.College of Mechanical and Vehicle Engineering，Hunan University，State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body，Changsha410082；2.Wuxi Intelligent Control Research Institute of Hunan University，Wuxi214115；3.Xuzhou XCMG Mining Machinery Co
4、.，Ltd.，Xuzhou210009Abstract The anti-disturbance and anti-corner-cutting collaborative path tracking control method for a vehicle platoon under the turning scenario is studied in this paper.Firstly,based on the predecessor-following topology scheme，a platoon turning anti-corner-cutting strategy is c
5、onstructed by using circular-arc curve tracking path to replace the general straight-line tracking path,alleviating the overall tracking error of the vehicle platoon during turning.Secondly,a Kalman filter and a Luenberger observer are designed to address the problem of position noise and heading no
6、ise of the following vehicle or difficult measurement.Then,a collaborative path tracking controller is designed.By using the Lyapunov stability theory,sufficient conditions for system stability are derived for controller parameter design.Finally,the feasibility and effectiveness of the designed cont
7、roller are validated through numerical simulation and real-vehicle experiments.Keywords：intelligent and connected vehicle；path tracking control；collaborative control；anti-disturbance control前言车 辆 编 队 行 驶 是 智 能 交 通 系 统（intelligent transportation systems，ITS）的一项创新技术1 ，具有优化交通效率、节省能源消耗以及提高乘坐安全性和舒适性等优点2-
8、4。车辆队列包括纵向控制和横向控制两大系统，现有大量研究主要集中在队列纵向控制，相比之下，在某些交通场景下，如变道、转向中涉及的横向控制很少被研究5-7。doi：10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.08.003*国家自然科学基金（52002126，52272415，52202493）、湖南省自然科学基金（2021JJ40065）和无锡市科技攻关基础研究（K20221059）资助。原稿收到日期为2023年05月05日，修改稿收到日期为2023年06月16日。通信作者：秦洪懋，副研究员，博士，E-mail：。2023（Vol.45）No.8边有钢，等：车辆队列抗扰抗内切协同
9、路径跟踪控制队列路径跟踪控制是车队系统的一个关键模块。由于跟随车传感定位方案的多样化，队列路径跟踪控制方案也呈现多样化特征，在基于前车信息的过弯工况下车辆队列路径跟踪控制场景中，现有的主流控制方案有3类8-10：基于结构化道路标识定位的跟踪控制、基于前车历史轨迹的跟踪控制和前车直接跟随的跟踪控制。基于结构化道路标识的队列路径跟踪控制可以通过检测道路标线或预埋磁钉实现自车横向定位，利用车道保持、自适应巡航等技术实现车队横纵向控制。文献 11 中基于摄像头的图像处理算法进行车道检测，基于检测信息开发横向控制器，进而实现带有预瞄功能的横向控制。但该方法在队列车辆距离很近时无法实现车道标线的准确识别；
10、另外，车道标线可能不清晰或者存在被泥土或雨雪覆盖甚至不存在的情况（如交叉路口、农村道路），应用场景受到很大限制。文献 12 中使用磁标记系统进行车道保持控制，但利用预埋磁钉的方法只能实现车辆下方位置检测和定位，没有引入车辆前方信息，相较于基于前视道路标线的方法，该方法控制效果稍差；虽然这种方法被证明是可靠和鲁棒的，但由于应用道路需要嵌入磁钉装置，因此不具备实用性，一般只在码头、仓库等特定场景下应用。基于前车历史轨迹的队列路径跟踪控制，跟随车 根 据 前 车 绝 对 定 位 信 息 和 车 车（vehicle-to-vehicle，V2V13 ）通信技术，记录前车行驶路点并对前车轨迹进行重建，跟
11、随车的跟踪性能与前车轨迹重建精度密切相关，传感器噪声和车间短距离跟踪往往会降低重建路径的可靠性和准确性14 。文献15 中通过V2V通信获得前车轨迹采样点信息，采用最小二乘法拟合得到由圆弧和直线段组成的跟随期望轨迹。文献 16 中基于V2V通信获得前车实时路径，采用三次均匀B样条曲线插值方法得到平滑的后车目标路径。文献 17 中基于前车速度、自车与前车的距离以及记录的前车路径，使用二次规划方法生成一个曲率连续的参考轨迹，该方法忽略了道路环境结构，考虑了自车动力学和运动学约束，能够确保规划轨迹的可行性和安全性。文献 18 中设计了一种以队列稳定性为约束的线性前馈加反馈的控制器以保证安全车间距，在
12、此基础上，基于车载通信模块传输的前车历史运动轨迹，提出一种轨迹估计方法，实现对前车轨迹重建，所提方法在直线道路或道路曲率恒定的工况下具有良好的跟踪效果，但是很难应用于道路曲率变化的工况。此类方法能够实现对前车的稳定跟随，但是需要依赖绝对精确的定位信息，因此难以应用于定位信号不稳定或受遮挡的场景。前车直接跟随的车辆队列路径跟踪控制无需绝对定位信息，也不需要安装特定的道路定位设施，仅通过车载传感器或车车通信的方式获取前车状态信息，并基于自车与前车的相对状态信息直接控制车辆与前车横纵向保持特定距离行驶。相比于上述两种方案，该方案取消了诸多应用限制，能够适应更一般的非结构化道路应用场景。文献 19 中
13、提出了一种考虑车辆动力学特性的横向队列控制系统，该系统包括同时转向和顺序转向两种横向控制策略，实现了一般道路曲率场景下的队列变速度稳定行驶。但由于跟随车直接跟随前车而不是跟随圆弧路径，导致传感器一旦感知到与前车航向不同时，就会立即控制跟随车转向，从而导致过早转向，最终导致“抄近道”的现象，并且随着车队规模的扩大，车间距的增加，车队整体过弯横向跟随误差也会不断积累。文献 20 中在车车间虚构一种可变刚度的连接杆，连接杆每块切片的柔韧性随着道路曲率的变化而变化，所提方法一定程度上缓解了内切现象。文献21 中提出针对三轮车队列的横纵向系统控制方法，车队过弯行驶时，通过延长跟随车跟踪点的方式缓解内切行
14、为，实现了恒定道路曲率下的车队小误差跟踪。文献 22 中设计了一种带有航向误差观测器的跟随车扩展前视点的跟随策略，实现道路变曲率下抗内切跟踪控制的同时考虑了航向状态存在噪声或难以量测的问题，但该方法未考虑系统位置状态存在噪声的情况。实际应用环境复杂，工况恶劣，系统除了存在一定噪声外可能还会存在航向角状态不易量测的情况。因此，本文提出了一种复杂工况下抗扰抗内切的车辆队列协同路径跟踪控制方法，主要贡献如下：（1）提出了一种车辆队列抗内切控制策略。采用圆弧跟踪路径代替一般直线跟踪路径的方法设计队列跟驰策略，并将该策略融入到控制器设计，缓解队列跟随车辆过弯转向过早进而导致整体跟驰误差过大的现象。（2）
15、该控制方法兼顾了系统位置状态存在的噪声和航向状态存在的噪声或不易量测的情况。相较于文献 22 在队列路径跟踪控制中不仅考虑了系统航向状态存在噪声或不易量测的情况，还考虑了系 1321汽车工程2023 年（第 45 卷）第 8 期统位置状态存在噪声的情况，基于卡尔曼滤波构建位置状态滤波器，提高了所提方法在复杂工况下的适应性，进一步扩展了应用场景。（3）该控制方法仅依靠车载传感器（如摄像头、激光雷达等）或车车通信获取相邻车辆相对状态偏差信息，实现队列高性能路径跟踪控制，摆脱了对结构化道路和绝对定位信息的依赖，可以作为现有方法的一种补充。1车辆队列过弯控制问题建模1.1场景描述车辆队列过弯行驶，如图
16、 1 所示，队列中共有N+1辆车，第一辆车（即领航车）用0表示，跟随车依次用1到N表示。每辆跟随车仅通过车载传感器或 V2V通信获得前车信息及与前车的位置和航向偏差信息，基于这些信息，跟随车按期望跟车间距跟随前车行驶。1.2车辆建模考虑跟随车i的状态Xi=xiyiiviT，前车i-1的状态Xi-1=xi-1yi-1i-1vi-1T，其中，i-1、vi-1分别为前车i-1的横摆角速度、纵向速度。令si=sin i，ci=cos i，可构建车辆预测模型：xi=viciyi=visici=-isisi=ici（1）取状态量i=xiyicisiT，将式（1）写成状态空间形式：i=Ai+Buiyi=Ci（2）其中：A=00vi0000vi000-i00i0；B=0000C=10000100考虑噪声的车辆真实模型可进一步表示为cali，k+1=()AT+I i，k+wi，kyi，k+1=Ci，k+1+i，k+1（3）式中wi，k、i，k+1为系统噪声，一般采用高斯白噪声模拟。2抗扰滤波器与观测器设计为进一步提高控制方法的鲁棒性和普适性，本节基于卡尔曼滤波（Kalman filtering，KF）设