引用論文

Zhou, X., Liu, R., Zhou, J. et al. Robust Tube-MPC Trajectory Tracking Control for Four-Wheel Independent Steering Vehicles on Intermittent Snowy and Icy Roads. Chin. J. Mech. Eng. 38, 65 (2025). https://doi.org/10.1186/s10033-025-01232-8

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研究背景及目的

線控四輪獨立轉向（4WIS）車輛能夠獨立控制每個車輪的轉向角度，實現同向、逆向、原地等多種轉向模式，拓展了車輛的運動空間。該系統通過靈活調整各輪轉向角，優化車輛的轉向中心和橫向動力學特性：在低速時（如蟹行轉向或原地轉向）可大幅減小轉彎半徑，而在高速時（如同向轉向）能增強行駛穩定性，全面提升車輛軌跡跟蹤的精度、靈活性和適應性。然而，在間歇性的冰雪道路上，由于路面附著系數、輪胎側偏剛度的時變特性以及冰雪積累導致的道路不規則性，給4WIS控制引入了多重不確定性，影響4WIS車輛的軌跡跟蹤性能。為此，本研究提出了一種基于管道模型預測控制的軌跡跟蹤控制方法，使4WIS車輛能夠在間歇冰雪道路上穩定、精確地跟蹤期望軌跡，同時有效抑制路面不平和參數變化的干擾。

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試驗方法

本研究以4WIS車輛為研究對象，針對間歇冰雪路面條件下的車輛軌跡跟蹤控制問題展開研究。基于車輛動力學理論建立了4WIS車輛橫向二自由度動力學模型，設計了雙向長短期記憶（Bi-LSTM）神經網絡，實現了不同道路附著系數下輪胎側偏剛度的在線實時估計，解決時變附著系數和側偏剛度的不確定性問題。在此基礎上，提出了一種融合滑模控制（SMC）與管道模型預測控制（Tube-MPC）的復合控制策略：通過設計標稱系統控制律，并結合基于滑模面和趨近律的輔助管最小控制單元，在保證系統魯棒性的同時最小化軌跡跟蹤誤差。硬件在環試驗結果表明，該控制策略提升了4WIS車輛在間歇冰雪路面多重不確定性擾動下的行駛穩定性和軌跡跟蹤精度。

圖1 研究框架

圖2 硬件在環試驗平臺

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結果

本研究通過硬件在環實驗，全面評估了所提出的融合滑模控制（SMC）與管道模型預測控制（Tube-MPC）的復合控制策略在冰雪路面下的軌跡跟蹤性能。硬件在環實驗結果表明，所提的控制策略在多種復雜工況下均展現出顯著優勢：在常規冰雪路面（少量積雪μ=0.7）條件下，相較于傳統MPC和Tube-MPC方法，最大橫向跟蹤誤差分別降低0.19m和0.05m，航向角偏差分別降低1.12°和0.33°。在更具挑戰性的低附著路面（μ=0.4）工況，相較于傳統方法，最大橫向跟蹤誤差分別降低0.54m和0.08m，航向角偏差分別降低3.89°和1.22°，且提升幅度明顯優于常規冰雪路面場景。在變附著系數（μ=0.3-0.8）的間斷冰雪路面復雜工況下，該方法在穩定性控制方面的優勢更加明顯，相較于傳統方法，該方法在跟蹤過程的質心側偏角分別降低0.14°和0.05°，橫擺角速度分別降低2.27°/s和0.52°/s，有效避免了車輛側滑風險。

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結論

通過Bi-LSTM網絡實時估計輪胎側偏剛度，結合SMC的抗干擾特性和Tube-MPC的優化能力，形成了針對冰雪路面多重不確定性的解決方案，不僅顯著提升了車輛在間歇冰雪路面的軌跡跟蹤精度，還改善了車輛在極端工況下的行駛穩定性，為智能車輛在冬季極端環境下的安全行駛提供了可靠的技術保障。

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前景與應用

在民用領域，該技術可提升車輛在冰雪等極端路況下的行駛安全性，可為寒區物流運輸車輛開發智能防滑控制系統，降低冬季事故率；在特種車輛方面，適用于極地科考車、軍用偵察車等需要在復雜冰雪環境中作業的特種車輛，提高其機動性與任務可靠性。

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[1] C Rother, Z Zhou, J Chen. Development of a four-wheel steering scale vehicle for research and education on autonomous vehicle motion control. IEEE Robotics and Automation Letters, 2023, 8(8): 5015-5022.

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[4] J Zhang, W Sun, H Du. Integrated motion control scheme for four-wheel independent vehicles considering critical conditions. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2019, 68(8): 7488-7497.

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作者團隊介紹

周小川，南京航空航天大學能源與動力學院助理研究員、江蘇省卓越博士后。近年來，主持國家自然科學基金青年基金、中國博士后基金面上項目、國家資助博士后研究人員計劃、中央高校基本科研業務費項目等課題；在IEEE TTE、IEEE TITS、IEEE TVT、Applied Energy、Energy、CJME等行業權威期刊發表SCI論文12篇，授權中國、美國、日本、韓國、歐洲等發明專利15件，作為主要完成人獲得江蘇省科學技術一等獎、中國機械工業科學技術一等獎等科研成果獎勵。主要研究方向為汽車線控底盤優化設計與控制、智能網聯汽車決策規劃、空地無人系統等。

王春燕，南京航空航天大學能源與動力學院副院長，教授、博士生導師，江蘇省青藍工程中青年學術帶頭人。近5年，主持國家重點研發計劃課題、國家自然科學基金面上項目、江蘇省科技重大專項（千萬級）、江蘇省重點研發計劃重點項目等20余項國家和省部級課題。在IEEE TIE、IEEE TMECH、IEEE ITS、MSSP、Energy等國內外重要學術期刊上發表論文70余篇，授權國家發明專利200余項、國際PCT專利15項，制定團體標準3項。獲得江蘇省科學技術一等獎、中國機械工業科技進步一等獎、中國發明協會發明創業獎創新獎一等獎。主要研究方向為智能汽車及其協同控制技術、空地混合動力系統等。

趙萬忠（通訊作者），教育部長江學者特聘教授，南京航空航天大學基礎科研與人文社科處處長、教授、博士生導師，兼任汽車節能環保國家工程研究中心副主任，江蘇省車輛分布式驅動與智能線控工程研究中心主任，車輛工程國家一流專業負責人、江蘇省品牌專業負責人。主持國家重點研發計劃、國防重點項目、國家自然科學基金重點類項目、江蘇省科技重大專項等科研項目70余項。以通訊作者/第一作者發表SCI論文120余篇，以第一作者在Springer出版社出版專著2部；授權發明專利300余件，國際PCT專利29件（含美國、歐盟、日本、韓國）；以第一完成人獲江蘇省科學技術一等獎、中國機械工業科學技術一等獎等省部級一等獎3項。以第一指導教師指導“互聯網+”創新創業大賽國賽金獎5項、多次獲評教育部優秀創新創業指導教師，以第一完成獲江蘇省教學成果獎（實踐教學）一等獎3項。目前主要從事智能網聯汽車線控底盤、智能網聯汽車決策與控制、空地無人平臺驅動控制等領域的教學與科研工作。

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[4] Y Chu, C Wang, X Zhou, Z Zhang, et al. Instantaneous Center of Rotation Tracking Control of Four-Wheel Independent Steering Vehicles Under Large-Curvature Turning Conditions. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2024, 25(11): 17965-17978.

作 者：周小川

責任編輯：謝雅潔

責任校對： 向映姣

審 核：張 強

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