车辆动力学及控制（拉贾马尼）
本文主要介绍了车辆动力学及控制，主要内容包括车辆侧向动力学、自动车道保持的转向控制、车辆纵向动力学、车辆纵向控制、自适应巡航控制等等。汽车先进技术译从车辆动力学及控制(美) Rajesh Rajamani著王国业江发潮等译机械工业出版社本书主要讨论了足以体现车辆动力学特征的,而且能够满足设计车辆控制系统需要的车辆动力学模型,给出了这些模型的特性,和由这些模型开发出的实际汽车控制系统的基本结构。本书涵盖了巡航控制、自适应巡航控制、制动防抱死系统、车道自动保持系统、高速公路自动行驶、横摆稳定性控制、发动机控捌、被动悬架、主动悬架和半主动悬架、轮胎模型以及轮胎路面参数识别,书中特别介绍了几种目前科研中经常采用的轮胎模型。本书可供汽车行业和大专院校里从事控制系统研究的工程师和专家们参考,也可用作汽车专业研究生的教材。Vehicle Dynamics and ControlRajesh RajamaniOriginal ISBN 9780-387-26396-9Translation from the English language edition:Vehicle Dynamics and Control by Rajesh RajamaniCopyright Rajesh Rajamani 2006Published by Springer Science Business Media, InAuthorized Simplified Chinese edition is published by cmP,All Rights Reserved本书中文简体版由 Springer出版社授权机减工业出版社独家出版发行版权所有,侵权必究。北京市版权局著作权合同登记号:01-2009-3284图书在版编目(CI)数据车辆动力学及控制/(美)拉贾马尼( Rajamani,R)著:王国业,江发潮等译北京:机械工业出版社,2010.11(汽车先进技术译丛书名原文: Vehicle Dynamics and ControlIsBN9787-11l-31283-3I.①车…Ⅱ.①拉…②王…③江…Ⅲ①汽车—动力学Ⅳ.①U461.1中国版本图书馆CI数据核字(2010)第132639号机被工业出版社(北京市百万庄大街22号邮政编码10007)策划编辑:徐巍责任编辑:刘煊版式设计:霍永明责任校对:刘怡丹封面设计:鞠杨责任印制:杨曦北京中兴印刷有限公司印刷2011年1月第1版第1次印刷169mm×239mm,19印张·369千字00g1—3000册标准书号:ISBN978-7-111-31283-3定价:5900元凡购本书,如有缺页、倒页、脱页,由本社发行鄧调换电话服务网络服务社服务中心:(010)88361066销售一部:(010)68326294门户网:htp://w.cmpbook.com销售二部:(010)88379649教材网http://www.cmpedu.com读者服务部:(010)68993821封面无防伪标均为盗版译者的话本书论述了能足以体现车辆动力学特征、满足车辆控制系统设计需要的车辆动力学模型的建立方法以及车辆动力学控制系统的设计。本书较其他同学论若具有深入、系统和实用的特点,是一本既有理论研究意义又有实际应用价值的参考书。Rajamani教授是明尼苏达大学机减工程系先进控制和微型传感器实验室主任, IEEE/ ASME学报编委。我们关注 Rajamani教授的研究是从2002年他发表的“基于GPS实时识别轮胎-路面摩擦系数”的文章开始的, Rajamani教授长期从事车辆控制技术领域的研究,发表重要论文70余篇,涉及到本书内容的主要方面。2006年我们在网上查到此书,看后觉得此书具有理论研究和实际应用价值,对我国从事车辆动力学及其控制领域的科研人员会有具体指导和帮助,于是有了翻译此书的想法。翻译和出版工作得到机械工业出版社汽车分社的大力支持,在此表示由衷感谢。本书第1章、第2章、第3章、第6章、第7章、第8章由王国业翻译,第4章、第5章、第9章、第10章由江发潮翻译;第11章、第12章、第13章第14章由侯春敏翻译,李淑艳老师审译了部分章节,樊月珍老师参与了本书的部分翻译工作。全书终稿由中国农业大学余群教授审阅,叶阳、曾蔚英、付燕荣、李元、章娟丽、刘恩托、朱妮、付晓丹、肖龙等参与了本书的部分翻译整理工作,在此表示感谢由于水平所限,本书难免有翻译不当之处,欢迎读者提出宝贵意见。译者言作为一名车辆工程专业研究生的指导教师,我经常觉得需要一本对有关汽车控制系统的研究成果及其应用进行总结,以及建立开发这些系统所需的车辆动力学模型的论著。已经出版的为数不多的几本介绍车辆动力学的论著已远远不能满足当今车辆控制系统工程师的需要。车輛控制系统工程师们需要既简单又足以体现车辆动力学特征的,最主要地还要满足设计车辆控制系统需要的车辆动力学模型。本书将试图介绍这样的模型,以及由这些模型开发出的实际汽车控制系统。本书涵盖了巡航控制、自适应巡航控制、制动防抱死系统、车道自动保持系统、高速公路自动行驶、横摆稳定性控制、发动机控制、被动悬架、主动悬架和半主动悬架、轮胎模型以及轮胎一路面参数识别。本书特别介绍了几种在文献中经常采用的轮胎模型。随着汽车在全球范围内应用日广,发展能够更好地适应公路系统,更节能、更舒适、更安全,同时对环境的破坏达到最小的交通体系就显得更加重要。为了达到这诸多方面的,甚至互相冲突的要求,现代汽车越来越倚重于综合应用传感器、调节器和反馈控制的电子控制系统。本书适合供那些在汽车行业和大专院校里从事这类控制系统研究的工程师和专家们参考,同时也适合作为车辆动力学和控制方向的研究生教材。在本书出版后如果发现有排版错误和其他错误将会在下面的网址上及时改Eohtlp://www.menet,utmulledu/wrajamani/vde.htrula如果读者发现了这些错误能够告知我们,我们将会很感激。Rajesh Rajamani译者的话前言第1章概论画画画画画画画b画面晶面量垂西酯面鲁1.1驾驶员辅助系统n■t非自聊t·虚章。售日·申量F·鲁,,·鲁费鲁日···。里自甲日····翻1.2主动稳定性控制系统……1.3平顺性……1.4用于解决交通堵塞的技术着福日画_a自面a自ma曲自at_幽由■面。■1虚自面_虚虚曲自鲁1.4.1自动化公路系统……··。如口·着。中自··由·非·“非·自非abt·士;普1.4.2“交通友好”的自适应巡航系统1.4.3窄型工勤车辆倾斜控制日章∮,面P鲁曹鲁鲁·音·曾1.5排放和燃油经济性……画··。画看·画翻福而福藤·酯番酯串■着昌■备晶鲁音看串看非。着自着即息是t自自1.5.1混合动力汽车…1.5.2燃料电池汽车咖_物鲁咖D自t曲自电P翻4567888参考文献第2章车辆侧向动力学画“面垂“垂画“由音晋音画面音“请普非音番自面音“普普香F;新鲁音曹鲁鲁鲁鲁2.1商业应用开发中的汽车侧向运动控制系统2.1.1车道偏离预警系统2.1.2车道保持系统122.1.3横摆稳定控制系统132.2车辆侧向运动的运动学模型……………………………………………142.3两轮车辆侧向动力学的模型…2.4相对旋转坐标系中点的运动222.5关于路面误差力学模型的讨论……………………………;……232.6动力学模型中的横摆角速度和侧偏角的讨论………2627从车辆坐标系到地面坐标系………………272.8路面模型中:要幽妻脂中着康曹垂萨曹萨者要p曹普鲁,中曹沿。围自·看_“翻d垂垂更吾道垂音自垂曹业函,2.9本章小结参数表参考文献32Ⅵ车辆动力学及控制第3章自动车道保持系统的转向控制·着费·新单和着群;音「+吾吾吾请·非非自音343.1状态反馈343.2动力学方程的稳态误差……………………363.3稳态转向…………………………………393.3.1稳态转向的转向角393.3.2方向角误差能否达到零值…423.3.3非零方向角误差的影响=“m“++..=4·:.:.;4:·:···罗3.4考虑不同的纵向速度433.5输出反馈3.6全反馈闭环系统………………………443.7比例控制闭环系统分析473.8带超前补偿器的回路分析……523.9带超前补偿器的仿真性能……553.10闭环系统性能分析……………………………………563.10.1随车速的性能变化…563.10.2随传感器位置的性能变化…583.1I带超前传感器测量的补偿器设计………593.12本章小结…………………………………………………………60参数表61参考文献∵…………………62第4章车辆纵向动力学4.1整车纵向动力学644.1.1空气阻力■■面654.1.2轮胎纵向力……………………………………………………………664.1.3纵向轮胎力和滑动率之间的依赖关系684.1.4滚动阻力∴………………--4694.1.5法向载荷的计算…………………………………………………714.1.6轮胎有效半径计算4.2传动系统动力学…………………734.2.1变矩器………………………………………………………744.2.2传动系的动力学模型754.2.3发动机动力学…………………74.2.4轮胎动态性能774.3本章小结………………"78參数表目录Ⅶ参考文献自要面世曾曾t世d百哥;,.79第5章车辆纵向控制815.1引言……………………………………………………815.1.1自适应巡航控制系统…815.1.2避撞系统…画福音画看新面晶825.1.3自动化公路系统5.2纵向自动控制的优点……………………835.3巡航控制系统士由…845.4巡航控制系统的上层控制器…………855.5巡航控制系统的下层控制器e:曹e4吾垂普看!串·垂事当星量■看『四■鲁875.5.1根据期望加速度计算发动机转矩…8755.2发动机控制………………鲁量吾日8956防抱死制动系统……895.6.I目的…………………曹音一t自普曹晋普推會鲁量曾·曹曾曹鲁·中·香5.6.2ABS的功能925.6.3基于减速度门限值的算法……………………………………………935.6.4其他ABS控制算法………9656.5关于ABS的近期研究出版物…975.7本章小结…………………………………………97参数表………………………………………………………97参考文献第6章自适应巡航控制…11006.1引言1016.2车辆跟随准则…………1026.3控制系统结构……………………………1036,4车队的稳定行驶1046.5固定车距与自主控制…1046.6固定时距控制策略的自主控制…曹曹看鲁费普音·中自鲁音曹鲁鲁鲁鲁鲁吾平6.6.1基于CTG车距控制策略的车队稳定行驶……1076.6.2典型的延迟值1096.7过渡控制……………………11167.1过渡控制器的必要性…………………………………………………11167.2通过R-R图设计转换控制器…1126.8下层控制器…11569本章小结………………………………………116Ⅷ蠡车辆动力学及控制参数表鲁翻…116参考文献…………………………………117第6章附录…………………………………118第7章车队的纵向控制………………1217.1自动化髙速公路系统……………………12172自动化高速公路系统中的车辆控制……………………1217.3纵向控制结构…1227.4车辆跟随准则……………………1237.4.1单个车辆的稳定行驶…1237.4.2车队的稳定行驶1247.5信号及系统范数的背景2447.5.1信号的范数………………………1247.5.2系统的范数……………………………1257.5.3利用诱导范数矸究信号放大257.6保证车队稳定行驶的设计方法………1277.7固定车距的自主控制…………………………………………………1277.8采用无线通信的固定车距控制策略7.9实验结果………b。都…………1317.10下层控制器………………………………………………………1327.11参数未知车辆的自适应控制13311.1重新定义符号…………………………1337.11.2自适应控制器………………………………………1347.12本章小结………………………………………………………………136参数表··,·翻·137参考文献…………138第7章附录…垂最车·………………139第8章电子稳定性控制………………………1418.1引言……………………141音·非·。·。。非4··非·。非非m中··,·即··量着,··音章·8.1.1稳定性控制原理1418.1.2汽车厂商开发的稳定性控制系统1428.1.3稳定性控制系统的种类…………………………………………………1428.2差动制动控制系统…s………14382.1车辆动力学模型……1438.2.2控制系统架构………………………………………………1458.2.3理想的横摆角速度中自鲁··即··中·鲁··中·更·鲁·鲁助··使曹·中兽,46
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VINS论文推倒及代码解析
VINS 的功能模块可包括五个部分:数据预处理、初始化、后端非线性优化、闭环检测及闭环优化。代码中主要开启了四个线程,分别是:前端图像跟踪、后端非线性优化(其中初始化和 IMU 预积分在这个线程中)、闭环检测、闭环优化。、总体框架Measurement PreprocessingInitializationCamera(30hz)Feature Detectionnd rackerVisual-lnertialInitializedis- onlySfMAlignmentIMU (100hMU Pre-integrationLocal Visual-Inertial: OldestSliting WindowNewestNonli+、 Keyframe?OptimizationBundle Adjustment II Loop detectionwith RelocalizationStates from Loop ClosureFealure retrievel oop Deleted二二1---11------22===Global Pose Graph4-DoF Pose Graph OptimizationKeyframe DatabaseOptimization图1VINS框架ⅵINS的玏能模块可包括五个部分:数据预处理、初始化、后端非线性优化、闭环检测及闭环优化。代码中主要开启了四个线稈,分别是:前端图像跟踪、后端非线性伉化(其中初始化和IMU预积分在这个线程中)、闭环检测、闭环优化各个功能模块的作用上要有:1.I图像和MU预处理●图像:提取图像 Harris角点,利用金字塔光流跟踪相邻帧,通过 RANSAC去除异常点,最后将跟踪到的特征点push到图像队列中,并通知后端进行处理●IU:将IMU数据进行积分,得到当前时刻的位置、速度和旋转(PVQ),同时计算在后端优化中将用到的相邻帧的预积分增量,及预积分误差的 Jacobian矩阵和协方差项。1.2初始化首先,利用SFM进行纯视觉佔计滑窗內所有帧的位姿及3D点逆深度,最后与IMU预积分进行对齐求解初始化参数1.3后端滑窗优化将视觉约束、IMU约束和闭环约束放在·个大的目标函数中进行非线性优化,求解滑窗内所有帧的PVQ、bias等。L M States in the sliding windowIMU:k States from loop clos1Camera:冷 MU measurements>visual measurements★ Catur图2滑窗优化示意图14闭环检测和优化利用D)BoW进行闭环检测,当检测成功后进行重定位,最后对整个相机轨迹进行闭环优化。U预积分VisionIMUVision图3MU预积分示意图21当前时刻pVQ的连续形式将第k唢和第kl帧之间的所有IMU进行积分,可得第kHI帧的位置、速度和旋转(PVQ),作为视觉估计的初始值,这里的旋转采用的四元数。v△t+k+1∈[k,k+1]rW(at-ba ) -owletbk JtE[k, k+1]n(,-bdt∈[k,k+1]其中,a2和O为ⅠMU测量的加速度和角速度,是在Body自身坐标系, world坐标系是IMU所在的惯导系,上式的旋转公式推导可参考附录10.1。22当前时刻PVQ的中值法离散形式公式(1)给出的是连续吋刻的相机当前PVR的达代公式,为了跟代码致,下面给出基于中值法的公式,这与 Estimator:; processIMg(O函数中的Ps]、Rs]和Vs是一致的,IMU积分出来的第j时刻的物理量可以作为第j帧图像的初始值。tr t+a26t(2)ka,St其中q(a1-ba)-g"+q:+1(a+1-ba)(a;+o;+1)2.3两帧之间PVQ增量的连续形式通过观察公式(1)可知,IvU的预积分需要依赖与第k帧的ν和R,当我们在后端进行非线性优化时,需要迭代更新第κ唢的ν和R,这将导致我们需要根据每次迭代后值重新进行积分,这将非常耗吋。因此,我们考虑将优化变量从第k帧到第κ+1帧的IU预积分项中分离开来,通过对公式(1)左右两侧各乘Rb,可化简为:R(+p2k-=2△)+ak+1b其中DtElk, k+1t∈[k,k+1R k(at-bar)ldt)Wendtt∈[kk+1这样我们就得到了连续时刻的MU预积分公式,可以发现,上式得到的MU预积分的值只与不同时刻的a2和o相关。这里我们需要重新讨论下公式(5)预积分公式,以ab,为例,我们发现它是与MU的bias相关的,而bias也是我们需要优化的变量,这将导致的问题是,当每次迭代时,我们得到一个新的bias,又得根据公式(巧5)重新对第k帧和第k+1帧之间的IMU预积分,非常耗时。这里假设预积分的变化量与bias是线性关系,可以写成:ab,+/6n6ba+/16b+8 8ba +p(6)k+1sb24两帧之间PVQ增量的欧拉法离散形式面给出离散时刻的IMU预积分公式,首先按照论文中采用的欧拉法,给出第i个MU时刻与第i1个IMU时刻的变量关系为b+1k+的6t+元R(P)(1+R(P")(a2-bbn)δt25两帧之间PⅤQ增量的中值法离散形式卜面给出代码中采用的基」中值法的IMU预积分公式,这与 Estimator: processIMUO函数中的 Integration Base: push backo上是一致的。注意这里跟公式(2)是不一样的,这里积分出来的是前后两顿之间的IU增量信息,而公式(2)给出的当前帧时刻的物理量信息+1+B k St +=a, &tbb+1Bi + au1其中a,=slqilai-bai)+qiDi t aitl2.6连续形式下PVQ增量的误差、协方差及 JacobianIMU在每个吋刻积分出来的值是有误差的,下面我们对误差进行分析。首先我们直接给出在t时刻误差项的导数为:sa00016a000000-82(066hkR;0006|=00-(a-bh)0-1192k|+|000|mLL000016ba00101n000018b000F+ozk+ Gt其中:F25×15,G215×2,62x1,n12×,上式推导可参考附录102。下面我们讨论它的作用,将其可以简写为:6之k=F62z+Gtnt根据导数定义可知:62b=1m24-6262+8=62+628t=(+F6t)6z+(Gt6t)nt(11)这里我们对公式(1)的IMU误差运动方程再说明,将上式和EKF对比可知,上式恰好给出了如EKF一般对非线性系统线性化的过程,这里的意义是表示下一个时刻的IMU测量误差与上一个时刻的成线性关系,这样我们根据当前时刻的值,可以预测出下一个时刻的均值和协方差,而公式(1)给出的是均值预测,协方差预测公式如下Pb+6=(1+Ft)P(+Fl6t)7+(G,t)Q(G18t)ot(12)上式给出了协方差的选代公式,初始值Pk=0。其中,Q为表示噪声项的对角协方差矩阵000003000另外根据(11)式可获得诀差项的 Jacobian的迭代公式:(I+F26t)(14)其中 Jacobian的初始值为bk=12.7离散形式的PVQ增量误差分析我们首先直接给出PVQ增量误差在离散形式下的矩阵形式,为了与代码一致,我们修改下变量顺序,这和代码中 midPointIntegration(函数是一致的。(但不知为何计算的V中与前四个噪声项相关的差个负号?)1t fo660f106t‖loeBk+1=0f211f20016bδb0[6b102001rnot000kRkotk+1(15006t0n0000δt其中,推导可参考附录10.3:stE(ak-ba)02-4B+1(kk+121k+1b.)6t|6t2(Rr+ rk+18t2Stn=71=Rk+1(a+1-b)6tWr+ wf1=Ik+11+Gb。)δt-Rn+1(ak+121=-2配+1Stl st21(RK+Ruts)4rula1RrotstStR+1(a1R,+114/+11t28离散形式的PVQ增量误差的 Jacobian和协方差将公式(15)简写为:k+1F15×158215×1+V15×13Q则 Jacobian的迭代公式为k+15×15=F/k(16)其中, Jacobian的初始值为/k=l。这里计算出来的k+1只是为了给后面提供对bias的acoblar。协方差的迭代公式为P+15×15=FPFr+vQv(17)其中,初始值P=0。Q为表示噪声项的对角协方差矩阵:00000000aa000Q18×180a00(18)000000三、后端非线性优化31状态向量状态向量共包括滑动窗口内的n+l1个所有相机的状态(包括位置、朝向、速度、加速度计bias和陀螺仪bias)、 Camera到IMU的外参、m+1个3D点的逆深度X=[xr=pw,vb bpc,q3.2目标函数吗+(喻,2)+2(19)其中三个残差项即误差项分别为边缘化的先验信息、IMU测量残差、视觉的重投影残差。三种残差都是用马氏距离表示。根据《十四讲》中高斯牛顿法,若要计算目标函数的最小值,可以理解为,当优化变量有一个增量后,目标函数值最小,以IU残差为例,可写成如下所示:nin lre2bk, X+8Xrk x)+HSⅩDk+1oXk+1k+1其中HB,为B关于 XIK Jacobian,将上式展开并令关于6X的导数为0,可得增量δx的计算公式:H k 8X=k+1TB那么,公式(28)可写成+∑+∑Tk∑1rc上式中,B为MU预积分噪声项的协方差,P为vual观测的噪声协方差。当MU的噪声协方差P越大时,其信息矩阵Pk,将越小,意味着该MU观测越不可信,换句话说,因MU噪声较大,越不可信IMU预积分数据,而更加相信 visual观测。注意,这里的IMU和vsua协方差的绝对值没有意义,因为考虑得是两者的相对性可将上式继续简化为:(Ap+AB +Acox=bp +bB +bc其中,Ap,AB和Ac为 Hessian矩阵,上述方程称之为增量方程。33MU约束1)残差:两帧之间的PVQ和bias的变化量的差△tx+k+1bk qbk+1bR+1 xyz+g"△t)-Bk(20)sbbbb其中各增量关于bias的 Jacobian可从公式(16)的大 Jacobian中的相应位置获得。上面与代码中 Integration base: evaluateD对应,2)优化变量pb, 0W, Svb ,8ba:,bor Opb,, 80W ,Swb,, bakr, Sba3)Jacobian:计算 Jacobian时,残差对应求偏导对象分别为p6e,6vB,6h,ba],6b,6b
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