基于增益调度输出反馈的车辆路径跟踪控制策略

摘要

【目的】随着自动驾驶技术的飞速发展，高精度路径跟踪控制已成为自主地面车辆的关键技术。然而，实际应用中车辆横向速度通常难以直接测量，导致依赖全状态反馈的传统控制方法性能受限。同时，车辆动力学的高度非线性、行驶工况的时变性与外部扰动等因素，进一步对控制器的跟踪精度与鲁棒性提出了严峻挑战。为解决上述问题，本文设计了一种在横向速度不可测情况下，仍能保证自主地面车辆具备高精度、高稳定性与强鲁棒性的路径跟踪控制器。【方法】首先建立车辆动力学模型，在此基础上提出一种融合增益调度与鲁棒H_∞理论的车辆路径跟踪控制策略。该策略通过三大核心设计形成协同作用：采用仅利用系统可测输出量的输出反馈结构，摆脱了对横向速度等不可测状态信息的依赖；引入增益调度技术，通过构建以纵向速度为调度变量的参数依赖函数，在线动态调整控制器增益，以适应车辆不同行驶状态下的动力学特性变化；嵌入H_∞控制理论，通过优化系统性能指标，有效抑制模型不确定性、参数摄动与外部扰动的不利影响，确保闭环系统具备良好鲁棒性。【结果】为验证本文所设计控制器的有效性，设计典型行驶工况下的硬件在环仿真测试实验。结果表明，与传统控制器相比，设计的控制器横向误差与航向角误差降低30%以上，控制精度得到大幅提升；车辆关键状态量（横向速度和偏航率）响应平滑，其最大值被严格限制在稳定的物理极限范围内，有效保障了行驶过程中的横向稳定性。【结论】将增益调度策略与鲁棒输出反馈控制相结合，是解决自主地面车辆路径跟踪控制中状态不可测、参数时变与外部扰动问题的有效途径。本文设计的控制器不仅在理论上保证了系统的闭环稳定性，更显著提升了路径跟踪的综合性能，为自主地面车辆的实际应用提供了可靠的技术支撑。

关键词

自主地面车辆 / 路径跟踪 / 输出反馈 / 增益调度 / H_∞控制 / 鲁棒性 / 非线性 / 外部干扰