金牛财富南京航空航天大学赵万忠教授团队：冰雪路面下的四轮转向车辆鲁棒轨迹跟踪控制|CJME论文推荐

引用论文金牛财富

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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关于文章

研究背景及目的

线控四轮独立转向（4WIS）车辆能够独立控制每个车轮的转向角度，实现同向、逆向、原地等多种转向模式，拓展了车辆的运动空间。该系统通过灵活调整各轮转向角，优化车辆的转向中心和横向动力学特性：在低速时（如蟹行转向或原地转向）可大幅减小转弯半径，而在高速时（如同向转向）能增强行驶稳定性，全面提升车辆轨迹跟踪的精度、灵活性和适应性。然而，在间歇性的冰雪道路上，由于路面附着系数、轮胎侧偏刚度的时变特性以及冰雪积累导致的道路不规则性，给4WIS控制引入了多重不确定性，影响4WIS车辆的轨迹跟踪性能。为此，本研究提出了一种基于管道模型预测控制的轨迹跟踪控制方法，使4WIS车辆能够在间歇冰雪道路上稳定、精确地跟踪期望轨迹，同时有效抑制路面不平和参数变化的干扰。

试验方法

本研究以4WIS车辆为研究对象，针对间歇冰雪路面条件下的车辆轨迹跟踪控制问题展开研究。基于车辆动力学理论建立了4WIS车辆横向二自由度动力学模型，设计了双向长短期记忆（Bi-LSTM）神经网络，实现了不同道路附着系数下轮胎侧偏刚度的在线实时估计，解决时变附着系数和侧偏刚度的不确定性问题。在此基础上，提出了一种融合滑模控制（SMC）与管道模型预测控制（Tube-MPC）的复合控制策略：通过设计标称系统控制律，并结合基于滑模面和趋近律的辅助管最小控制单元，在保证系统鲁棒性的同时最小化轨迹跟踪误差。硬件在环试验结果表明，该控制策略提升了4WIS车辆在间歇冰雪路面多重不确定性扰动下的行驶稳定性和轨迹跟踪精度。

图1 研究框架

图2 硬件在环试验平台

结果

本研究通过硬件在环实验，全面评估了所提出的融合滑模控制（SMC）与管道模型预测控制（Tube-MPC）的复合控制策略在冰雪路面下的轨迹跟踪性能。硬件在环实验结果表明，所提的控制策略在多种复杂工况下均展现出显著优势：在常规冰雪路面（少量积雪μ=0.7）条件下，相较于传统MPC和Tube-MPC方法，最大横向跟踪误差分别降低0.19m和0.05m，航向角偏差分别降低1.12°和0.33°。在更具挑战性的低附着路面（μ=0.4）工况，相较于传统方法，最大横向跟踪误差分别降低0.54m和0.08m，航向角偏差分别降低3.89°和1.22°，且提升幅度明显优于常规冰雪路面场景。在变附着系数（μ=0.3-0.8）的间断冰雪路面复杂工况下，该方法在稳定性控制方面的优势更加明显，相较于传统方法，该方法在跟踪过程的质心侧偏角分别降低0.14°和0.05°，横摆角速度分别降低2.27°/s和0.52°/s，有效避免了车辆侧滑风险。

结论

通过Bi-LSTM网络实时估计轮胎侧偏刚度，结合SMC的抗干扰特性和Tube-MPC的优化能力，形成了针对冰雪路面多重不确定性的解决方案，不仅显著提升了车辆在间歇冰雪路面的轨迹跟踪精度，还改善了车辆在极端工况下的行驶稳定性，为智能车辆在冬季极端环境下的安全行驶提供了可靠的技术保障。

前景与应用

在民用领域，该技术可提升车辆在冰雪等极端路况下的行驶安全性，可为寒区物流运输车辆开发智能防滑控制系统，降低冬季事故率；在特种车辆方面，适用于极地科考车、军用侦察车等需要在复杂冰雪环境中作业的特种车辆，提高其机动性与任务可靠性。

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关于作者

作者团队介绍

周小川，南京航空航天大学能源与动力学院助理研究员、江苏省卓越博士后。近年来，主持国家自然科学基金青年基金、中国博士后基金面上项目、国家资助博士后研究人员计划、中央高校基本科研业务费项目等课题；在IEEE TTE、IEEE TITS、IEEE TVT、Applied Energy、Energy、CJME等行业权威期刊发表SCI论文12篇，授权中国、美国、日本、韩国、欧洲等发明专利15件，作为主要完成人获得江苏省科学技术一等奖、中国机械工业科学技术一等奖等科研成果奖励。主要研究方向为汽车线控底盘优化设计与控制、智能网联汽车决策规划、空地无人系统等。

王春燕，南京航空航天大学能源与动力学院副院长，教授、博士生导师，江苏省青蓝工程中青年学术带头人。近5年，主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目、江苏省科技重大专项（千万级）、江苏省重点研发计划重点项目等20余项国家和省部级课题。在IEEE TIE、IEEE TMECH、IEEE ITS、MSSP、Energy等国内外重要学术期刊上发表论文70余篇，授权国家发明专利200余项、国际PCT专利15项，制定团体标准3项。获得江苏省科学技术一等奖、中国机械工业科技进步一等奖、中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖。主要研究方向为智能汽车及其协同控制技术、空地混合动力系统等。

赵万忠（通讯作者），教育部长江学者特聘教授，南京航空航天大学基础科研与人文社科处处长、教授、博士生导师，兼任汽车节能环保国家工程研究中心副主任，江苏省车辆分布式驱动与智能线控工程研究中心主任，车辆工程国家一流专业负责人、江苏省品牌专业负责人。主持国家重点研发计划、国防重点项目、国家自然科学基金重点类项目、江苏省科技重大专项等科研项目70余项。以通讯作者/第一作者发表SCI论文120余篇，以第一作者在Springer出版社出版专著2部；授权发明专利300余件，国际PCT专利29件（含美国、欧盟、日本、韩国）；以第一完成人获江苏省科学技术一等奖、中国机械工业科学技术一等奖等省部级一等奖3项。以第一指导教师指导“互联网+”创新创业大赛国赛金奖5项、多次获评教育部优秀创新创业指导教师，以第一完成获江苏省教学成果奖（实践教学）一等奖3项。目前主要从事智能网联汽车线控底盘、智能网联汽车决策与控制、空地无人平台驱动控制等领域的教学与科研工作。

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