本发明属于智能交通，具体涉及一种角模块构型四轮转向车辆的实时运动控制系统及方法。
背景技术：
1、将四轮独立驱动、独立转向、独立制动、主动悬架集成于一体的智能车辆角模块系统，能够精准高效的执行车辆行驶任务，是智能车辆的最佳载体。角模块取消了机械连接，减少了大量的机械传动部件，优化整车布置空间，支持车辆各动力单元独立控制，具有驱动力大、动力响应快、传动效率高、便于软件定义与冗余可靠设计等显著优势，极大提升车辆了的安全性、舒适性和操纵性能。由于有更多的自由度，基于角模块的智能车辆也衍生出了新的功能，能够实现四轮转向、原地调头、蟹行机动、横向平移、八字制动等复杂的行驶轨迹控制，更加适用于拥挤的城市交通环境。充分利用角模块构型车辆的附加自由度，独立控制每个车轮的转角，可以提高车辆航向变化的响应性，使车辆具有更加良好的路径跟踪性能和操纵稳定性。
2、自动驾驶运动控制的实时性直接影响着车辆的安全性、行驶效率和乘客体验，是自动驾驶系统中至关重要的一环。只有具备良好的实时性，才能确保车辆能够在复杂多变的道路环境下稳健、高效地行驶。然而目前的四轮转向控制方法中，过多的转角/转矩控制输入增加了整车控制难度，导致控制系统计算量大，降低了控制实时性，无法保证自动驾驶的安全。亟需研究面向角模块构型四轮独立转向智能车辆的安全高效运动控制系统。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种角模块构型四轮转向车辆的实时运动控制系统及方法，其技术目的是解决角模块构型智能车辆在路径跟踪时的准确性问题，以及角模块构型车辆底盘控制的实时性问题。
2、实现本发明目的的技术解决方案为：角模块构型四轮转向车辆的实时运动控制系统，包括路径跟踪控制器、前馈-反馈前后轴车轮转角分配控制器和阿克曼四轮转角分配控制器；
3、路径跟踪控制器采用模型预测控制方法结合车辆动力学模型，求解出角模块构型智能车辆跟踪目标轨迹的最优转角控制量即最优目标转角；前馈-反馈前后轴车轮转角分配控制器以车辆行驶稳定性为目标，将路径跟踪控制器计算的最优车辆转角作为前轴目标转角，然后将前轴转角作为比例前馈，将车辆横摆角速度作为比例反馈，计算得到后轴目标转角；阿克曼四轮转角分配控制器根据阿克曼转向原理，将前/后轴的目标转角分配到角模块构型智能车辆四个独立转向的车轮，实现车辆的转向控制。
4、进一步的，路径跟踪控制器的模型预测控制器如下：
5、
6、式中，np为预测时域，nc为控制时域，t为系统当前时刻，q和r为权重矩阵，ρ为权重系数，ε为松弛因子，δu为控制量增量，a为动力学模型雅可比矩阵，umin和umax为控制量极限值，ut为当前时刻控制量，δumin和δumax为控制量增量极限值，yhc为硬约束输出，yhc,max和yhc,min为硬约束极限值，ysc为软约束输出，ysc,min和ysc,max为软约束极限值。
7、进一步的，前馈-反馈前后轴车轮转角分配控制器将路径跟踪控制器求解出的最优目标转角δ*作为前轮转角δf，采用基于前轮转角比例前馈与横摆角速度比例反馈的综合控制计算后轮转角，即其中k1为前馈环节比例系数，k2为反馈环节比例系数；前馈和反馈环节比例系数取值如下：
8、
9、式中ccf为前轮的侧偏刚度，ccr为后轮的侧偏刚度，a为车辆质心到前轴距离，b为车辆质心到后轴距离，m为车辆质量，为车辆纵向速度。
10、进一步的，阿克曼四轮转角分配控制器利用阿克曼转向原理，将前馈-反馈前后轴车轮转角分配控制器计算的前后轮转角分别作为前轮平均转角和后轮平均转角，车辆实际四个车轮的转角δi与单轨模型前后转角δf、δr之间的关系如下式：其中i＝fl、fr、rl、rr，分别表示前左轮、前右轮、后左轮、后右轮：
11、
12、式中，w为车辆轮距，l为车辆轴距。
13、一种基于上述的系统实现角模块构型四轮转向车辆实时运动控制的方法，包括如下步骤：
14、s1：车辆行驶时，路径跟踪控制器接受参考路径指令与车辆状态信息；
15、s2：路径跟踪控制器根据参考路径指令与车辆状态信息，结合车辆非线性动力学模型与模型预测控制器，求解出车辆最优目标转角δ*，然后将车辆最优目标转角δ*发送给前馈-反馈前后轴车轮转角分配控制器；
16、s3：前馈-反馈前后轴车轮转角分配控制器根据车辆最优目标转角δ*和车辆纵向速度vx、横摆角速度ω，以车辆行驶稳定性为目标进行前馈反馈控制，计算前后轴转角δf，δr，然后将前后轴转角发送给阿克曼四轮转角分配控制器；
17、s4：阿克曼四轮转角分配控制器根据前后轴转角以及阿克曼转向原理，将单轴转角分配到左右轮，得到车辆四轮转角δfr、δfl、δrr、δrl，然后将四轮转角发送给受控的四轮独立转向机构；
18、s5：受控的四轮独立转向机构将车辆状态信息反馈给路径跟踪控制器和前馈-反馈前后轴车轮转角分配控制器，重复步骤s1-s4，车辆状态信息不断更新，直至系统认为车辆处于停止状态。
19、进一步的，步骤s1中的参考路径指令包括参考横向位置yref和参考航向角车辆状态信息包括车辆横纵向速度vx,vy、车辆质心位置坐标x,y、车辆航向角横摆角速度ω。
20、进一步的，步骤s2具体为：
21、建立车辆三自由度动力学模型：
22、
23、式中ccf为前轮的侧偏刚度，ccr为后轮的侧偏刚度，clf为前轮的纵向刚度，clr为后轮的纵向刚度，sf为前轮滑移率，sr为后轮滑移率，δf为车辆前轮转角，a为车辆质心到前轴距离，b为车辆质心到后轴距离，iz为车辆转动惯量；
24、系统的状态量为系统的控制量为udyn＝δf，输出量由此得到非线性模型：
25、
26、将非线性模型进行离散化与线性化，得到线性时变模型，将模型中的控制变量增量δu(k)作为新的控制变量，构造含有δu(k)的模型u(k)＝u(k-1)+δu(k)，同时将和y作为输出变量，得到如下状态方程：
27、
28、式中，
29、对输出量及控制量进行约束，得到路径跟踪的模型预测控制器如下：
30、
31、路径跟踪控制器计算出最优转角控制量δ*，然后将最优转角控制量发送给前馈-反馈前后轴车轮转角分配控制器。
32、进一步的，步骤s3具体为：
33、前馈-反馈前后轴车轮转角分配控制器将路径跟踪控制器求解出的最优转角控制量作为前轮转角δf，计算后轮转角时采用基于前轮转角比例前馈与横摆角速度比例反馈的综合控制，即其中k1为前馈环节比例系数，k2为反馈环节比例系数；
34、理想状态下，车辆转向时的质心侧偏角应为0，即车辆行驶方向与车辆的航向保持一致，基于质心侧偏角β的定义得：
35、
36、式中x和y为车辆的纵向和横向位移；
37、单轨车辆的二自由度模型如下：
38、
39、式中ccf为前轮的侧偏刚度，ccr为后轮的侧偏刚度，clf为前轮的纵向刚度，clr为后轮的纵向刚度，为车辆航向角，a为车辆质心到前轴距离，b为车辆质心到后轴距离，iz为车辆转动惯量；
40、将单轨车辆的二自由度模型进行拉普拉斯变换，将代入，得到车辆质心侧偏角对前轮转角的响应，即：
41、
42、令上式为零，即令式中分子中s项的系数以及常数项为零，得前馈和反馈环节比例系数取值如下：
43、
44、进一步的，步骤s4具体为：
45、阿克曼四轮转角分配控制控制器，利用阿克曼转向原理，使车辆在转弯时所有车轮的垂线均能指向圆心，在不计轮胎侧偏时，得到转向轮纯滚动、无侧滑转向的内、外轮转角条件；
46、将前馈-反馈前后轴车轮转角分配控制器计算的前后轮转角分别作为前轮平均转角和后轮平均转角，由内、外轮转角条件得：
47、
48、由上式得到la、lb：
49、
50、从而得到车辆实际四个车轮的转角δi，与单轨模型前后转角δf、δr之间的关系为：
51、
52、式中，w为车辆轮距，l为车辆轴距；
53、将车辆四轮转角δfr、δfl、δrr、δrl发送给受控然后将四轮转角发送给受控的四轮独立转向机构，实现对车辆的实时控制。
54、本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
55、本技术的一种角模块构型四轮转向车辆的实时运动控制系统及方法，在路径跟踪模块，采用模型预测控制方法求解出最优的车辆目标转角；在车辆控制模块，设计前馈-反馈控制器将最优车辆转角分配到前/后轴，并设计转角分配控制器将前后轴的目标转角分配到四个独立转向的车轮。
56、本技术所述控制系统及方法减少了控制系统计算量，降低了角模块车辆控制难度，提升了控制实时性，保证了角模块车辆的行驶安全。
1.角模块构型四轮转向车辆的实时运动控制系统，其特征在于，包括路径跟踪控制器、前馈-反馈前后轴车轮转角分配控制器和阿克曼四轮转角分配控制器；
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，路径跟踪控制器的模型预测控制器如下：
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，前馈-反馈前后轴车轮转角分配控制器将路径跟踪控制器求解出的最优目标转角δ*作为前轮转角δf，采用基于前轮转角比例前馈与横摆角速度比例反馈的综合控制计算后轮转角，即其中k1为前馈环节比例系数，k2为反馈环节比例系数；前馈和反馈环节比例系数取值如下：
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，阿克曼四轮转角分配控制器利用阿克曼转向原理，将前馈-反馈前后轴车轮转角分配控制器计算的前后轮转角分别作为前轮平均转角和后轮平均转角，车辆实际四个车轮的转角δi与单轨模型前后转角δf、δr之间的关系如下式：其中i＝fl、fr、rl、rr，分别表示前左轮、前右轮、后左轮、后右轮：
5.一种基于权利要求1-4任一项所述的系统实现角模块构型四轮转向车辆实时运动控制的方法，其特征在于，包括如下步骤：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤s1中的参考路径指令包括参考横向位置yref和参考航向角车辆状态信息包括车辆横纵向速度vx,vy、车辆质心位置坐标x,y、车辆航向角横摆角速度ω。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤s2具体为：
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤s3具体为：
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤s4具体为：
