PreScan快速入门到精通第二十二讲驾驶员模型之路径跟踪
22.1 PreScan路径跟踪路径跟踪驾驶员模型是一个Simulink子模块，它将轨迹（路径+速度曲线）转化为车辆动力学模型的转向角输入。油门、刹车和初始速度也被控制，但这些与轨迹速度曲线无关。为了获得平稳的转向，在速度曲线编辑器中至少使用100 Hz的轨迹步进频率和100 Hz的Simulink更新率以及15m/s的速度（默认值）。在用户指定的动力学或第三方车辆动力学的情况下，建议使用带预瞄的路径跟踪器。使用方法：要配置路径跟随者参数，请双击块。会出现一个对话框，允许用户设置。轨迹名称：默认值为PreScan GUI中定义的执行器活动轨迹。实际上用户可以选择实验中所有现有的轨迹。可调整的转向增益因子。每辆车都有不同的转向行为。对于马自达来说这个值是1，奥迪8 1.1，雅力士1.1，本田泛欧0.05等。这个参数的默认值是1。执行器转向位置点。如果为0，则执行器COG是跟随轨迹行驶的。X移位是以actor局部坐标系为基准。可调式转向增益系数的默认值为1，但是，为了避免摩托车的侧倾角（滚动），该值必须手动设置。例如，Honda Pan欧洲摩托车需要0.05的转向增益。在路径跟踪块的下方显示是：
路径跟踪器输入参数 描述 单位TrajOffset_x,y,Y全球坐标系的轨迹起始位置。这些值由PreScan自动填充，并与执行器活动轨迹相关。[m,m,deg]执行器偏移量_左 (+)/右(-)执行器与选定轨迹的垂直偏移。
[m]位置 x,y,Y执行器实际位置，x、y位移和颚部Y旋转[m,m,deg]初始速度执行器初始速度[m/s]期望速度执行器期望的速度，在一定范围内达到设定值。[m/s]路径跟踪器输出参数 描述 单位d_steeringwheel方向盘转角[deg]Throttle节气门开度0-100%[%]Brake pressure制动踏板深度 0-100%[%]v0初速度[m/s]Auto_GearShift自动变速器挡位:[0] = 空挡[1] = 驱动档[-]Actor/Traj_distance执行器重心与最近轨迹点之间的距离。
[m]Actor/Traj_angle执行器纵轴与轨迹切线在最近点的夹角。
[deg]使用实例路径跟随模块块的输入和输出端口自动连接，如下图所示：默认情况下，初始速度和期望速度的值取自执行器的速度编辑器的初始速度。如果改变了速度曲线的初始速度，并且重新生成了模型，那么路径跟随者的输入值也会改变。通过断开这些信号，可以使用其他的初始速度和期望速度。
速度编辑器中的初始速度
路径跟踪器使用：设置期望速度路径跟随器在前进和/或静止状态下工作。22.2 带有预瞄功能的路径跟踪系统理论带预瞄的PathFollower是基于最优预览控制理论。它计算出最佳的前轮转向角，以最小化行为人位置（车辆重心）和参考路径的横向误差。它近似于人类驾驶员的平均行为。
该算法使用10个预览点来计算方向盘角度。预览距离的计算方法是将行为人速度（米/秒）乘以 "预览时间"（默认为1秒）。这实际上是车辆在1秒的预览时间内移动的距离。10个横向误差(e_Latm)的计算方法是首先找到轨迹上最近的点(pvpref , m)，然后计算该点到行为体纵轴的距离。带预览的路径跟踪器是一个Simulink块，它将轨迹（路径+速度曲线）转化为车辆动力学模型的转向角输入。油门、刹车和初始速度也被控制，但这些与轨迹速度曲线无关。注1：为了获得平稳的转向，建议在速度曲线编辑器中的轨迹步频为100赫兹，Simulink更新率为100赫兹，速度为15m/s（默认值）。也支持可变速度。为了进一步提高转向角的平滑度，可以将速度曲线编辑器中选择的速度降低到例如1m/s。仿真运行时间不会改变。请注意，因此在GUI中生成轨迹将需要更多的时间。注2：当车辆到达参考轨迹终点时，它将根据最后两个参考轨迹点，继续沿着外推路径行驶。使用方法预扫描图形用户界面在 "Actor's Object "配置对话框中选择"Driver Model "选项卡，然后选择 "PathFollowerwith preview"。单击 "Customize "按钮，以便修改Path Follower参数。会显示一个带有参数的对话框。
路径跟踪器，带预瞄参数参数 描述 单位预瞄时间该控件可通过将预览时间乘以当前速度来确定前方的距离。预览时间的实际值约为1秒。路径跟随者 "转向角输出与预览时间成反比。较短的预览时间，如0.5秒，可以用来获得响应的转向，使车辆保持在参考路径上。然而，对于快速的路径变化，较短的预览时间可能会导致过于激进的转向，从而导致车辆失控。较长的预览时间反而会产生较平稳的转向，但导致与参考路径的偏差较大。[s]延迟时间模拟人类驾驶员的神经肌肉延迟的参数。[s]低速限制如果车速降至此限值以下，则预览距离为指定预览时间乘以低速限值。[km/h]最大方向盘角度率指定方向盘向任一方向转动的最大角速度。[deg/s]减频系数该参数用于设置比Simulink编译表更低的横向控制器工作频率。横向控制器的工作频率只能使用正整数值来降低，如果编译表的频率是1000Hz，那么降低系数4将导致 "带预览横向控制器的路径跟随者 "的频率为250Hz。如果编译表的频率是1000Hz，那么减少系数4将导致 "带有预览侧向控制器的路径跟随器 "的频率为250Hz。[-]结果频率Path Follower with Preview 侧向控制器频率=Simulink频率/频率系数Simulink模型'带预览的路径跟踪器'Simulink模型位于Actor块的下方，通过双击Path Follower块，会出现一个对话框，显示参数。通过双击Path Follower块，会出现一个显示参数的对话框，这些参数由PreScanGUI自动填充。这些参数是由PreScan GUI自动填充的。
路径跟踪器有两个标签：控制器参数和系统参数。在 "控制器参数 "中，可以访问纵向PID控制器的参数和积分抗饱和参数。使用以下控制器结构：
其中，可配置的参数为：P为比例增益I、整体收益D为导数收益AWU 为积分抗饱和参数。按复位PID按钮可将参数重置为原始值。在 "系统参数 "选项卡上，可以找到以下参数。轨迹名称：默认值是在PreScan GUI中定义的执行器活动轨迹。车辆质量车辆围绕偏航轴的惯性前轴到重心的距离（a）车辆轮基（a+b）最大方向盘角度预览时间延迟时间低速极限最大方向盘角度率侧向控制器频率=(Simulink频率)/降频系数。侧向控制器模块，位于带预瞄功能的路径跟踪器内（见下图），以该频率执行。纵向控制器参数：PID控制器，积分抗饱和（AWU）。
路径跟随内部的预瞄模块在用户指定的动力学和CarSim的情况下，与车辆动力学相关的路径跟随参数可以由用户在PreScanGUI对话框（见下面的对话框）中手动填写，方法是选择执行器对象配置菜单，然后选择动力学选项卡，最后按"自定义 "按钮。默认值继承自简单动力学。
下面显示了 "带预瞄的路径跟随者 "Simulink块
路径跟踪器预览输入参数 描述 单位TrajOffset_x,y,Y全球（世界）坐标系的轨迹起始位置。这些值由PreScan自动填充，并与执行器活动轨迹相关。[m,m,deg]ActorOffset_Left (+)/Right(-)执行器与所选轨迹的垂直偏移。:
[m]position x,y,Y执行器的实际位置。X、Y位移和绕Z旋转（Rotz）。[m,m,deg]Initial velocity执行器的初始速度。[m/s]Desired VelocityActor期望速度。执行器在一定范围内达到设定值。[m/s]velocity执行器实际速度（actor actual velocity）。[m/s]vx执行器实际速度X分量，在执行器坐标系中。[m/s]vyActor实际速度Y分量，在执行器坐标系中。[m/s]Yaw rate车手偏航率。[m/s]Cornering Stiffness Tires Front转弯时每弧度滑移角的前轮胎刚度。(左、右合并)[N/rad]Cornering Stiffness Tires Rear过弯时后胎刚度，每弧度滑移角。(左、右合并)[N/rad]Steering ratio方向盘角度与车轮角度之比。[-]在用户指定的动力学和CarSim的情况下，路径跟随者 "常数 "块的值可以由用户在PreScan GUI对话框中手动填写（见上面的对话框），作为<轮胎前部转向刚度>、<轮胎后部转向刚度>和<转向比>的输入。默认值继承自Simple Dynamics。路径跟踪器预瞄输出参数 描述 单位delta_steerwheel方向盘转角[deg]Throttle0-100%的节流阀。[%]Brake pressure制动功率，以0-制动最大压力为基准。[bar]v0初始速度[m/s]Auto_GearShift自动变速箱挡位:[0] = neutral[1] = drive[-]Actor/Traj_distance执行器重心与最近轨迹点之间的距离。
[m]Actor/Traj_angle执行器纵轴与轨迹切线在最近点的夹角。
[deg]22.3 使用实例Path follower with preview "块的输入和输出端口自动连接，如下图所示。默认情况下，Initial Velocity和Desired Velocity的值取自actor的Speed Profile的InitialSpeed。如果改变了速度曲线的初始速度，并且重新生成了模型，那么路径跟踪器的输入值也会改变。通过断开这些信号，可以使用其他的初始速度和期望速度。
速度曲线初始速度
路径跟踪器，使用预瞄：设置期望速度示例图