基于模型預(yù)測(cè)控制的路徑跟蹤控制器模型仿真

李家齊

摘 要：文章建立車輛二自由度運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并將車輛二自由度運(yùn)動(dòng)微分方程離散化、線性化，設(shè)計(jì)了一種基于模型預(yù)測(cè)算法的軌跡跟蹤控制器，并且在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上制定合理的約束函數(shù)和控制規(guī)則，從而兼顧路徑跟蹤的準(zhǔn)確性和車輛的穩(wěn)定性。采用Carsim& Simulink平臺(tái)對(duì)算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明基于模型預(yù)測(cè)控制的軌跡跟蹤控制器在5m/s以下時(shí)能夠較好地跟蹤預(yù)設(shè)軌跡。關(guān)鍵詞：自動(dòng)駕駛;路徑跟蹤;模型預(yù)測(cè)控制中圖分類號(hào)：U471.15 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）01-42-04

Abstract： In this paper， the two-degree-of-freedom kinematics model of vehicle is established， and the differential equation of vehicle two-degree-of-freedom model is discretized and linearized. A trajectory tracking controller based on model prediction algorithm is designed， and a reasonable constraint function is established based on the experiment， attempting to balance the accuracy of path tracking and vehicle stability. The algorithm is verified by Carsim& Simulink platform. The results show that the trajectory tracking controller based on model predictive control can track the preset trajectory better when it is below 5m/s.Keywords： Automatic driving; Path tracking; Model predictive controlCLC NO.： U471.15? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）01-42-04

前言

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)最基本的執(zhí)行部分是運(yùn)動(dòng)控制模塊，它關(guān)系到安裝自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的車輛能否準(zhǔn)確地執(zhí)行上層模塊所給定的任務(wù)。智能車輛在行進(jìn)過(guò)程中會(huì)受到路面不平、風(fēng)力等外部影響，并且無(wú)人駕駛車輛本身的系統(tǒng)具有高度不確定性，是一個(gè)非線性的系統(tǒng)，在自動(dòng)駕駛車輛行駛過(guò)程中，車輛系統(tǒng)的參數(shù)不斷發(fā)生變化，并且有的參數(shù)無(wú)法直接測(cè)量得到。

因此，在模型參數(shù)不確定或變化的情況下，通過(guò)復(fù)雜車輛模型來(lái)設(shè)計(jì)性能良好的控制器比較困難[1]。由于完全車輛模型較為復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用與簡(jiǎn)化后模型效果相差不大，因此在有關(guān)車輛仿真研究中對(duì)車輛模型簡(jiǎn)化可以有效地減少計(jì)算量，同時(shí)保證計(jì)算精度[2]。

1 建立模型

1.1 車輛動(dòng)力學(xué)模型

要用于車輛軌跡跟蹤控制器的模型需要比局部路徑規(guī)劃所用的模型更加精確，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，同時(shí)保證一定的精度，我們采用二自由度車輛動(dòng)力學(xué)模型，如圖1所示。

對(duì)圖1所示的車輛模型進(jìn)行分析，并結(jié)合圖2，得：

3 結(jié)論

本文通過(guò)構(gòu)建多約束的線性時(shí)變系統(tǒng)描述非線性路徑跟蹤問(wèn)題，針對(duì)預(yù)測(cè)時(shí)域范圍內(nèi)對(duì)車速、路徑跟蹤性能進(jìn)行仿真，通過(guò)動(dòng)態(tài)改變控制器的預(yù)測(cè)時(shí)域變化率與參考速度變化率等參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)車輛運(yùn)動(dòng)軌跡，并將軌跡與實(shí)際軌跡對(duì)比，得到車輛基于路徑跟蹤橫向誤差大約為2.095m，該系統(tǒng)在能夠滿足自動(dòng)駕駛汽車直線行駛車道保持和轉(zhuǎn)彎跟隨彎道路徑的需求下，顯著提高車輛軌跡跟蹤響應(yīng)速度，并且在速度波動(dòng)時(shí)仍能較好的跟蹤規(guī)劃軌跡。

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