基于前轮转角补偿的牵引车-飞机系统运动学模型及轨迹跟踪控制方法

孙艳坤; 颉鑫龙; 张威

交通信息与安全 ›› 2025, Vol. 43 ›› Issue (5) : 79 -92.

孙艳坤, 颉鑫龙, 张威

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摘要

传统的牵引车-飞机系统运动学模型在低速滑行牵引工况下精度不足，导致轨迹跟踪控制误差大、响应慢，难以满足新型离港方式对轨迹精度和安全性的高要求。为提升运动学模型精度与轨迹跟踪性能，研究了基于牵引车前轮转向角补偿函数的运动学模型补偿方法。以威海广泰AM210无杆牵引车和B737-800飞机为研究对象，先建立传统的牵引车-飞机系统运动学模型，然后将传统运动学模型与Trucksim车辆模型进行开环联合仿真对比分析，通过引入补偿函数来补偿2种模型之间的轨迹偏差，同时设计了基于非线性模型预测控制（nonlinear model predictive control,NMPC）的牵引车-飞机系统轨迹跟踪控制器。以双移线工况作为参考轨迹，搭建MATLAB/Simulink与Trucksim闭环联合仿真模型，并将NMPC控制器与传统比例积分微分控制（proportional integral derivative,PID）的轨迹跟踪控制器进行轨迹仿真对比分析，验证NMPC控制器的优越性。进一步在2 m/s和4 m/s牵引车速度下分别对基于传统、补偿后的运动学模型的NMPC控制器跟踪性能进行评估并且分析存在不同初始偏差下对牵引车-飞机系统轨迹跟踪性能的影响。仿真结果显示：在2 m/s和4 m/s牵引车速度下基于补偿后的运动学模型的NMPC控制器可以使跟踪峰值误差分别降低61.93%和41.63%，均方根误差分别降低56.14%和37.69%。在存在的初始偏差情况下，基于NMPC的轨迹跟踪控制器能够使系统在30 s内完成对初始偏差（横向偏差0.5～1 m、航向角偏差0.05～0.1 rad）的修正，无超调现象。