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原文传递一种无人驾驶汽车模型预测控制器设计方法

专利名称：	一种无人驾驶汽车模型预测控制器设计方法
摘要：	本发明公开了一种无人驾驶汽车模型预测控制器设计方法，步骤(1)、建立轮胎侧偏角模型α；步骤(2)、设计基于侧偏角补偿和圆弧预测的模型预测控制器；步骤(3)、根据车辆的速度以及圆弧的圆心和半径预测下一时刻的输出；步骤(4)、根据预测输出和给定的参考输出构造优化问题；步骤(5)、求解优化问题(8)，得到控制时域内每个采样时刻的最优控制量U^(k)，并将U^(k)的第一个分量施加到系统上。本发明的“前轮侧偏角补偿”快速获得车辆的前轮偏角，大幅提高运动学模型在恶劣天气下以及高速行驶状态下的精度；“圆弧预测”可以弥补预测过程中对模型线性化引起的状态误差，从而提高基于运动学模型的MPC的预测准确度，进而提高控制精度、扩大适用范围。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	天津;12
申请人：	天津大学
发明人：	左志强;杨孟佳;王一晶
专利状态：	有效
发布日期：	2019-01-01T00:00:00+0800
申请号：	CN201810935984.0
公开号：	CN109017808A
代理机构：	天津市北洋有限责任专利代理事务所 12201
代理人：	李素兰
分类号：	B60W50/00(2006.01)I;B;B60;B60W;B60W50;B60W50/00
申请人地址：	300072 天津市南开区卫津路92号
主权项：	1.一种无人驾驶汽车模型预测控制器设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：步骤(1)、建立前轮轮胎侧偏角模型α；步骤(2)、设计基于侧偏角补偿和圆弧预测的模型预测控制器，具体步骤包括：(21)、进行前轮侧偏角补偿，根据当前车辆的速度v和前轮偏角δ，通过查表法获得车辆前轮侧偏角δ的估计值，从而对前轮偏角δ进行补偿，得到车辆前轮的实际行进方向与车辆纵轴之间的夹角δ′：δ′＝δ+α (1)其中，δ′为车辆前轮的实际行进方向与车辆纵轴之间的夹角，δ为车辆的前轮偏角，α表示估计的前轮侧偏角；(22)、在车辆按照近似圆弧的轨迹前进的过程中，获得车辆在行驶状态下行驶轨迹的半径和圆心；当δ′＝0时，判定车辆沿着直线运动；当δ′≠0时，判定车辆沿着圆弧运动，圆弧的半径通过车辆前后轴之间的距离L和δ′计算得到：其中，R为车辆行驶轨迹的半径，L为车辆前后轴之间的距离；圆心通过车辆当前的航向角和圆弧的半径获得：其中，x₀为圆心的横坐标，y₀为圆心的纵坐标，x为车辆质心的横坐标，y为车辆质心的纵坐标，为车辆的航向角，π为圆周率；步骤(3)、根据车辆的速度以及圆弧的圆心和半径预测下一时刻的输出：当δ′(k)＝0时，下一时刻的输出为：其中，k表示当前采样时刻，k+1表示下一采样时刻，v(k)为当前车辆的速度，T为采样周期，为车辆的航向角；当δ′(k)≠0时，下一时刻的输出为：其中，R(k)为圆弧的半径，为车辆在一个采样周期内沿着圆弧转过的圆心角；将式(2)和(3)代入式(5)得到：循环使用上述圆弧预测方法，得到车辆在预测时域内的预测输出：其中，“k+n\|k”,n＝0,1,2,…表示在第k个采样时刻通过预测得到的第k+n个采样时刻的值，为系统的输出，上标“T”表示矩阵的转置；步骤(4)、根据预测输出和给定的参考输出构造优化问题：满足：u(k‑1\|k)＝u(k‑1)umin≤u(k+i\|k)≤umaxΔu(k+i\|k)＝u(k+i\|k)‑u(k+i‑1\|k),i＝0,…,NpΔumin≤Δu(k+i\|k)≤Δumax,i＝0,…,Nc‑1Δu(k+i\|k)＝0,i＝Nc,…,Np其中，N_p为系统的预测时域，N_c为系统的控制时域，二者满足N_c≤N_p，η_r为给定的参考输出，u＝δ′为被控系统的控制输入，k表示第k个采样时刻，U(k)＝[u(k\|k),u(k+1\|k),…,u(k+N_c‑1\|k)]^T为控制时域内系统在每个采样时刻的控制输入，“\|\|\|\|²”表示矩阵的欧几里得范数，Q为输出误差的权重矩阵，R为控制增量的权重矩阵，S为控制量的权重矩阵，P为侧偏角的权重矩阵；Δu(k)为第k个采样时刻的控制增量，满足Δu(k)＝u(k)‑u(k‑1)，为了保证车辆行驶平稳性并且满足车辆本身物理约束，Δu和u分别被限制在[Δu_min,Δu_max]和[u_min,u_max]内；此外，在时间段内，假设控制量u是一个定值；步骤(5)、求解优化问题(8)，得到控制时域内的最优控制量U(k)，并将U(k)的第一个分量作为被控系统当前时刻的控制量，即：u(k)＝u(k\|k) (9)其中，上标“”表示最优量，u(k)表示控制器求得的当前时刻最优控制量，u(k\|k)为优化问题(8)的最优解U(k)＝[u(k\|k),u(k+1\|k),…,u(k+Nc‑1\|k)]T的第一个分量。
所属类别：	发明专利