FRONTIER DISCUSSION | 前沿探讨
张新锋　王雪钢
鹤壁职业技术学院 河南省鹤壁市 458030
摘 要： 智能汽车的控制系统从环境感知传感器获得路况信息，通过计算进行动作决策、运动规划，控制智能行驶。
对汽车的运动分析、动力分析，得到控制量，是局部路径规划的基础。
关键词：智能汽车　运动分析　动力分析　运动规划
1　智能汽车控制部分的组成
智能汽车控制部分主要由环境感知传感器、控制单元、执行器组成。
环境感知传感器有超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达、视觉传感器、导航定位系统等，把获取的车辆位置、导航路线、车辆周围的道路、行人、其他车辆、障碍物、交通标志等信息传递给控制单元。环境
感知传感器是智能汽车控制部分的信息来源，是智能控制的基础。
控制单元通过接受环境感知传感器的信息，进行运算处理。首先由导航定位系统的信息、当前位置、目的地位置，进行全局路径规划，到一条最优路径。其次是根据路况信息进行行为决策，实现停车等待、避让、跟踪、变道、超车、弯道行驶等行为选择。第三是根据当时的位置、状态进行运动规划，计算速度、侧向力、加速度、转向角、转向角速度等，保持车身为稳定、舒适、安全。
执行器有驱动电机、转向器、制动器等，根据控制单元的指令，实现起步、加速、转向、制动、停车等功能的实现。2　汽车的运动分析
汽车的运动分析，要了解汽车在坐标系
OXY中的位移与汽车车速、横摆角和前轮
转角之间的关系，如图1所示，图中x
f
和y重庆二手货车交易市场
f
表示汽车前轮中心在坐标系中的坐标；x和
y表示汽车后轮中心在坐标系中的坐标；θ
为汽车横摆角；δ为汽车前轮转角；L为汽
车轴距。
图1　汽车的运动分析
Y
y
y
国产车排行
x x X
L
δ
θ
f
f
汽车后轮沿X轴的速度、沿Y轴的速度
与θ有关，满足约束
汽车前轮沿X轴的速度、沿Y轴的速度
与(θ+δ)有关，满足约束
前轮坐标可以用后轮坐标和轴距L表示为
cos
sin
f
f
x x L
y y L
θ
θ
=+
=+
v为车速，后轮在x轴上的分速度、在
y轴上的分速度为
与车身垂直方向上的速度是汽车的横向
速度，大小为vtanδ，可以求得横摆角速度
为
由以上分析，得到汽车运动学模型
智能汽车的路径跟踪控制过程中，一般
[x，y，]为状态量，[v，]为控制量，则汽
车运动学模型可以转换为如下形式
lotus汽车
3　汽车的动力分析
假设汽车沿轴的纵向速度不变，只有沿
Motion Control of Smart Cars
Zhang Xinfeng　Wang Xuegang
Abstract： T he control system of a smart car obtains road condition information from environmental sensing sensors, makes action decisions, motion planning, and controls smart driving through calculations, which is the basis of local path planning to obtain the control amount from the motion a
nalysis and dynamic analysis of the car.
Key words：smart car, motion analysis, dynamic analysis, motion planning
26AUTO TIME
AUTO TIME
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ｙ轴的侧向运动和绕z 轴的横摆运动二个自由度。
简化后的汽车如图2所示，yf F 、yr F 分别为前轮和后轮的侧向力；xf F 、xr F 分别为前轮和后轮的纵向力；f α、r α分别为前轮侧偏角和后轮侧偏角；x v 为汽车质心前进速度(常
数)；y v 为汽车质心侧向速度；ω为汽车横摆角速度；f l 为汽车质心至前轴距离；r l 为汽车质心至后轴距离；δ为前轮转向角。
f
v δ
f
αyf
F xf
F x
v y
v f
l r
l yr
F xr
F r
α图2　二自由度汽车动力分析
根据牛顿定律，汽车质心处侧向加速度与质量的关系得到
                (1)
根据转动惯量与转动角加速度的关系，得到
假设δ很小，cosδ≈1，所以
            (2)
汽车质心处侧向加速度为a y =v y +v x ω=y+xω
假设轮胎侧向力处于线性范围内，汽车前轮和后轮侧向力分别为
r
r yr f f yf K F K F αααα==式中，f K α、r K α分别为前轮和后轮综合侧偏刚度。
假设f α、r α、δ都很小，x v 为定值，tan f α≈f α，tan r α≈r α，可以导出汽车前轮和后轮的侧偏角分别为
x
r x y r x f x y f v l v v v l v
江南奥拓改装v ωαδωα−=−+
=x
r
x
y
r x
f x
y v l v v v l v v ωαδω−=
−
+
=带入（1）、（2）得到汽车动力学方程
为
（3）
矩阵形式为
（4）
建立坐标系，车辆的纵向与X 轴夹角（横
摆角）为θ，实际汽车在车道上平稳行驶时，横摆角θ较小。在坐标系下汽车速度为
研究汽车横向控制时，参考轨迹纵向速
度不变，选取状态变量为x n =[,,
,
],
控制量为前轮转角δ，输出量为[]Y y n ,θ=。
限号天津则得到状态方程为
4　智能汽车的运动规划与控制
实现智能汽车的运动控制，就要进行运动规划，运动规划也叫做局部路径规划。局部路径是汽车即将行驶状态的集合，每个路径点的坐标和切向方向就是汽车的位置和航向，路径点的曲率半径就是汽车转弯半径，且满足位置、航向和曲率变化的连续性。规划出来的局部路径具备对全局路径的跟踪能
力与避障能力。
运动规划的本质是，在一定约束条件下，完成某个区域或范围内时间、空间状态下的路径、速度优化。其中，得到的轨迹包含了
车辆到达每个位置时的时间、该位置上的行驶速度，以及加速度、曲率、曲率的高阶导数等以及其他与时间相关的运动变量信息。
运动规划必须考虑车辆运动学和动力学特性，并对模型进行简化，使控制车辆变得更容易。运动规划对车辆行驶起着精确导航作用，其任务就是出一系列控制输入，驱
动车辆从初始状态运动到目标状态，并且在运动过程中避免和障碍物发生碰撞。
前面的推导可知，前轮转角与车辆侧向加速度正相关，而前轮转角与方向盘转角的关系由转向系传动比决定。因此一定车速下
方向盘转角越大侧向加速度就越大，侧向加速度的约束可以转化为一定车速下对方向盘转角范围的约束。
参考文献：
飞度轿车[1]余伶俐.《智能驾驶技术》.机械工业出版社2020.5.
[2]刘少山.《无人驾驶》.机械工业出版社2019.1.
[3]养世春.《自动驾驶》.清华大学出版社2020.