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基于自适应MPC的无人矿卡轨迹跟踪控制
| 论文题名： | 基于自适应MPC的无人矿卡轨迹跟踪控制 |
| 关键词： | 无人驾驶矿用卡车;轨迹跟踪;路面附着系数估计;自适应模型预测控制 |
| 摘要： | 无人驾驶矿用卡车（矿卡）对于提高矿山行业生产效率和安全性有重要意义，轨迹跟踪控制是矿卡无人驾驶的关键技术。常规车辆轨迹跟踪控制适用于道路条件理想或者参数变化较慢的情况。而矿卡工作环境恶劣，受道路表面材料和状态等因素影响，路面附着系数容易发生突变，具有不确定性，不及时修正系统参数容易导致矿卡控制精度降低，引发安全事故，对常规轨迹跟踪控制方法提出挑战。因此，本文针对矿区路面附着系数突变对无人矿用卡车带来的挑战，基于自适应模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)研究无人矿卡轨迹跟踪问题，主要研究工作如下： (1)建立矿卡动力学模型和矿区道路环境模型。首先，基于刷子模型建立三轴矿卡动力学模型，该模型的特点是全面刻画路面附着系数与矿卡运动状态的关系；其次，分析矿区道路路面材质和状态，对矿区道路进行建模，阐明路面附着系数突变工况。通过对矿卡和矿区道路进行分析与建模，为道路突变工况下的矿卡轨迹跟踪控制研究提供基础。 (2)针对纵向速度恒定的工况，提出一种在线参数估计与预测控制相结合的轨迹跟踪控制方法。首先，利用传感器识别道路工况以建立自主切换策略，判断道路是否存在突变工况；然后，基于最小二乘算法，对突变工况和非突变工况采取不同的估计方案进行道路参数估计；最后，利用估计结果自适应更新预测模型，提出基于自适应MPC的轨迹跟踪控制方法。仿真结果表明，本文所提方法在突变工况下能对矿卡实现高精度的轨迹跟踪效果，对矿区路面附着系数突变工况具有较强的自适应能力，有利于改善无人矿卡系统的安全性能。 (3)针对纵向速度可变的工况，提出一种纵向速度设定、在线参数估计与预测控制相结合的矿卡轨迹跟踪控制算法。首先，提出一种基于路面附着系数的矿卡纵向速度设定方法，采用自主切换策略进行纵向速度设定；然后，基于自主切换策略采取不同的估计初值对模型参数进行估计；最后，利用纵向速度设定值和参数估计结果自适应更新预测模型，提出基于自适应MPC的变速轨迹跟踪控制方法。仿真结果表明，本文所提方法对突变工况具有较强的自适应能力，运行效率优于纵向速度设定值恒定的控制方法。 |
| 作者： | 陈佳怡 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 杨春雨 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 中国矿业大学(江苏) |
| 学位年度： | 2022 |
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