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💥1 概述
基于MATLAB的铰接式重型车辆稳健路径跟踪控制研究
摘要
铰接式重型车辆因铰接结构导致运动特性复杂，路径跟踪控制难度大。本文针对该问题，通过建立精确的车辆运动学与动力学模型，结合模型预测控制（MPC）与滑模控制（SMC）的混合控制策略，在MATLAB环境下实现铰接式重型车辆的稳健路径跟踪控制。仿真结果表明，所提方法在高速、低速及复杂曲率路径下均能显著提升跟踪精度与稳定性，为工程应用提供可靠技术支撑。
一、引言
铰接式重型车辆（如铰接卡车、拖挂车）凭借大载重量与灵活转向能力，广泛应用于矿山运输、机场地勤等场景。然而，其铰接结构导致车辆运动呈现强非线性、时变性与强耦合性，传统控制方法难以满足复杂工况下的路径跟踪需求。本文聚焦于铰接式重型车辆的路径跟踪控制问题，通过建立高精度模型与鲁棒控制算法设计，结合MATLAB仿真验证，提出一种适应多工况的稳健控制策略。
二、铰接式重型车辆动力学建模
2.1 车辆结构与坐标系定义
铰接式车辆由前车体与后车体通过铰接点连接，前车体通过转向机构控制方向，后车体被动跟随。定义全局坐标系 OXY，前车体质心坐标为 (xf,yf)，后车体质心坐标为 (xr,yr)，铰接角为 ϕ（前车体航向角 θf 与后车体航向角 θr 之差）。
2.2 运动学模型
忽略车辆侧滑与垂直方向运动，基于几何关系建立运动学方程：
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2.3 动力学模型
考虑轮胎侧偏力与铰接点约束力，基于牛顿-欧拉法建立动力学方程：
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三、路径跟踪控制策略设计
3.1 路径参数化与误差模型
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3.2 混合控制策略设计
3.2.1 模型预测控制（MPC）
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3.2.2 滑模控制（SMC）
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3.2.3 混合控制输出
最终前轮转向角为MPC输出与SMC补偿量的叠加：
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四、MATLAB仿真验证
4.1 仿真参数设置
- 车辆参数：Lf=4m，Lr=3m，mf=8000kg，mr=6000kg。
- 路径参数：三次样条曲线，曲率范围 [−0.1,0.1]。
- 控制参数：MPC预测时域 N=10，采样时间 Ts=0.1s；SMC参数 λ=0.5，ϵ=1.0，k=0.2。
4.2 仿真场景
- 场景1：低速工况（v=5m/s），大曲率路径（κmax=0.1）。
- 场景2：高速工况（v=15m/s），小曲率路径（κmax=0.02）。
- 场景3：变曲率路径，包含急弯与直道切换。
4.3 仿真结果
- 横向误差：在三种场景下，混合控制策略的横向误差均小于0.1 m，较纯MPC控制提升30%以上。
- 航向误差：航向误差稳定在 ±1∘ 以内，显著优于传统PID控制。
- 鲁棒性：在轮胎侧偏刚度降低20%的扰动下，混合控制仍能保持路径跟踪精度，而纯MPC控制出现明显振荡。
五、结论
本文针对铰接式重型车辆的路径跟踪控制问题，提出了一种基于MPC与SMC的混合控制策略。通过建立高精度车辆模型与误差动力学模型，结合MATLAB仿真验证，结果表明该策略在多工况下均能实现高精度、强鲁棒的路径跟踪，为铰接式车辆的自动化与智能化控制提供了理论支持与工程参考。未来工作将聚焦于实时性优化与硬件在环（HIL）测试，推动算法的工程应用。
📚2 运行结果
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🎉3 参考文献
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[1]于蓬,杨君,王健,王金波,郑金凤.车辆高速避让路径跟踪控制策略[J].内燃机与动力装置资料获取，更多粉丝福利，MATLAB|Simulink|Python资源获取【请看主页然后私信】
