原文传递
模型预测控制在轨迹规划和车辆控制中的应用研究
| 论文题名： | 模型预测控制在轨迹规划和车辆控制中的应用研究 |
| 关键词： | 模型预测控制;实时优化;车道保持;速度跟踪;轨迹规划 |
| 摘要： | 自动驾驶的研究已经越来越深入，现在的自动驾驶落地一般采用层级式解决方案。这意味着将自动驾驶转化为一个个小的子系统，而轨迹规划和跟踪控制两个子系统是在其中占有十分重要的地位，对其进行研究具有极其重要的意义。本文围绕轨迹规划和运动控制，从车辆横向动力学模型和纵向逆模型构建出发，基于三种预测控制方法，在车辆车道保持、快速转弯和最小单圈时间等方面展开。主要研究内容如下: 1.首先，为了预测控制的需要，从横纵向分开控制的策略出发，构建了车辆的横向偏差模型和纵向逆模型。其中，车辆横向偏差模型采用自行车两轮模型，在车辆运动几何的关系条件下，先构建出车辆的运动学模型，然后通过轮胎侧向力和侧偏角在小角度的近似关系，构建出车辆的横向偏差动力学模型。车辆纵向逆模型的构建是为了之后的纵向速度跟踪做铺垫，首先根据期望加速度的正负逻辑判断使用驱动还是制动模式，然后分别通过力矩关系，传动关系等内容，将两种模式的车辆纵向控制逆模型构建出来。 2.为了实现车辆车道保持，设计了一种基于预测函数控制的前轮车辆车道保持方法。此方法通过车辆的横向偏差模型构建预测的一致点，并通过合理的衰减系数构建了整个预测函数控制方法的求解过程，然后通过Matlab/Simulink与CarSim联合仿真进行实验验证。为了实现快速转弯，设计了一种基于曲线插值和广义预测控制的快速转弯方法。此方法首先通过一个数值优化问题求得期望轨迹的离散点，然后通过曲线插值方法拟合得到期望轨迹，之后通过广义预测控制的轨迹跟踪器跟踪期望轨迹实现快速通过弯道的预期效果。为了实现纵向速度跟踪，设计了一种预测函数控制和逆模型结合的速度跟踪控制器。此方法在构建纵向逆模型之前加入一个预测函数控制器，弥补了纵向逆模型的构建不准的偏差，进行了实验验证速度跟踪效果。 3.为了实现最短单圈时间，提出了一种基于模型预测的最短单圈轨迹规划方法和基于双模模型预测控制的轨迹跟踪器的方法。首先通过车辆运动学模型构建线上模型预测轨迹规划，同时考虑计算时间，对线上规划的优化问题求解做出了一些权衡性的改进，这些改进包括了数值求解时的初始猜测，预测步长的选择以及构建优化问题方法的选择，然后通过双模模型预测控制的对参考轨迹进行稳定跟踪，最后进行仿真测试实验。 |
| 作者： | 李威 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 谢磊;刘之涛 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 浙江大学 |
| 学位年度： | 2021 |
检索历史
应用推荐
