基于模型預(yù)測(cè)控制的無人駕駛車輛軌跡跟蹤控制算法研究

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1、基于模型預(yù)測(cè)控制的無人駕駛車輛軌跡跟蹤控制算法研究第1章緒論1.1課題研究背景和意義隨著高速公路迅速發(fā)展以及車輛保有量的增加，因雨雪惡劣天氣造成的滑移、超速行駛偏離車道產(chǎn)生碰撞和側(cè)翻以及高速疲勞駕駛等因素造成的交通事故持續(xù)增加。雖然目前大部分民用車輛廣泛應(yīng)用了主動(dòng)安全技術(shù)，如智能剎車輔助、電子穩(wěn)定系統(tǒng)等，但在高速路滑等極端條件下并不能保證車輛的安全。顯然，傳統(tǒng)的車輛被動(dòng)安全和常規(guī)主動(dòng)安全技術(shù)并不能滿足現(xiàn)代交通日益發(fā)展的要求。隨著計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)、傳感器技術(shù)和車輛控制技術(shù)的進(jìn)展，基于高效環(huán)境感知的輔助駕駛技

2、術(shù)或全自動(dòng)駕駛技術(shù)迅速發(fā)展，以主動(dòng)控制為核心的先進(jìn)車輛安全技術(shù)必將是現(xiàn)代交通系統(tǒng)和未來高度智能化交通系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。未來智能車輛的發(fā)展目標(biāo)之一是在高速條件下保證車輛具有良好的穩(wěn)定性和安全性。實(shí)現(xiàn)全自主無人駕駛車輛在高速和冰雪等復(fù)雜路面安全穩(wěn)定的軌跡跟蹤控制具有十分重要的意義。軌跡跟蹤控制系統(tǒng)是無人駕駛車輛實(shí)現(xiàn)智能化和實(shí)用化的必要條件?，F(xiàn)有的絕大部分無人駕駛車輛軌跡跟蹤控制算法僅考慮了車輛在常速下的非完整約束，這顯然無法滿足未來無人駕駛車輛高速行駛的控制需求。高速行駛時(shí)車輛在緊急轉(zhuǎn)向或低附著路面上變道、緊

3、急避障時(shí)，輪胎附著力常常達(dá)到飽和，輪胎側(cè)偏力接近附著極限；在彎道行駛中易發(fā)生因前軸側(cè)滑而失去軌跡跟蹤能力的車道偏離現(xiàn)象或因后軸側(cè)滑甩尾而失穩(wěn)現(xiàn)象，是經(jīng)常發(fā)生的危險(xiǎn)狀況，如圖1.1所示。當(dāng)大多數(shù)滑移事故發(fā)生時(shí)，即使熟練的駕駛員也經(jīng)常無法控制車輛穩(wěn)定行駛。如果軌跡跟蹤控制系統(tǒng)能通過預(yù)測(cè)來滿足滑移、側(cè)傾等動(dòng)力學(xué)約束，并通過主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向控制車輛，在保證車輛穩(wěn)定性的前提下跟蹤規(guī)劃軌跡，則可有效地避免事故。而這種預(yù)測(cè)的有效性必須建立在以車輛動(dòng)力學(xué)模型和輪胎動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)的控制方法上。車輛動(dòng)力學(xué)模型和輪胎模型的分析對(duì)解

4、決上述問題具有十分關(guān)鍵的作用。以6自由度車輛動(dòng)力學(xué)模型和輪胎模型作為預(yù)測(cè)模型，在保證車輛穩(wěn)定性的前提下，充分利用車輛在極限工況下的橫向操縱能力，實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤。..1.2無人駕駛車輛軌跡跟蹤控制算法研究概述無人駕駛車輛是未來智能交通系統(tǒng)的有機(jī)組成部分，而車輛自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在無人駕駛車輛控制中占有非常重要的地位[3]。軌跡跟蹤控制是自動(dòng)轉(zhuǎn)向過程中的基本控制問題之一，它要求無人駕駛車輛在指定的時(shí)間到達(dá)給定的或規(guī)劃的軌跡點(diǎn)。由于車輛是一個(gè)強(qiáng)非線性、高度耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，很難建立精確的車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型，因此無人駕駛車輛

5、的軌跡跟蹤控制始終是一個(gè)難點(diǎn)。目前，已有眾多學(xué)者對(duì)這一問題進(jìn)行了深入研究，提出了諸多方案。文獻(xiàn)[4]中較為全面地總結(jié)了地面無人車輛在軌跡跟蹤控制方面研究的相關(guān)技術(shù)成果。目前所用的跟蹤控制系統(tǒng)通常采用的是分別對(duì)橫向和縱向控制，主要有：比例-積分-微分（ProportionIntegrationDifferentiation,PID）控制、純跟蹤控制、前饋-反饋控制、預(yù)瞄跟蹤最優(yōu)控制、線性二次型調(diào)節(jié)器LQR跟蹤控制器和模型預(yù)測(cè)控制（ModelPredictiveControl,MPC）跟蹤控制器等方法。PID控

6、制器是一種在工程上廣泛應(yīng)用的線性控制器[5,6]。其優(yōu)點(diǎn)是無需建立系統(tǒng)模型，控制參數(shù)可通過試湊法得出；其缺點(diǎn)是試湊控制參數(shù)耗時(shí)，需大量試驗(yàn)工作。其中PI控制器通常應(yīng)用于無人駕駛車輛的縱向跟蹤控制[7]；PD控制器通常應(yīng)用于無人駕駛車輛的軌跡跟蹤控制，即橫向跟蹤控制[8]。PID控制器算法簡單，但控制參數(shù)對(duì)車輛參數(shù)變化非常敏感，例如當(dāng)車速變化時(shí)，需要設(shè)置不同的PID參數(shù)，車輛其它狀態(tài)參數(shù)或者參考路徑參數(shù)的變化也會(huì)引起控制效果的變化。第2章車輛動(dòng)力學(xué)和輪胎模型2.1車輛動(dòng)力學(xué)模型本文研究的基于模型預(yù)測(cè)控制的軌跡

7、跟蹤控制問題，屬于車輛操縱穩(wěn)定性范疇。而車輛操縱穩(wěn)定性分析的重點(diǎn)是研究車輛縱向動(dòng)力學(xué)特性、橫向動(dòng)力學(xué)特性和車輛橫擺動(dòng)力學(xué)特性。本章在車輛動(dòng)力學(xué)建模時(shí)，做如下假設(shè)：（1）假設(shè)車輛只作平行于地面的平面運(yùn)動(dòng)，即車輛沿z軸的位移、繞y軸的俯仰角和繞x軸的側(cè)傾角均為零；（2）忽略輪胎回正力矩的作用；（3）假設(shè)懸架系統(tǒng)和車輛是剛性的，忽略車輛的懸架特性；（4）忽略車輛空氣動(dòng)力學(xué)的影響；（5）假設(shè)車輛為前輪轉(zhuǎn)向，即后輪轉(zhuǎn)角恒為零；（6）假設(shè)前輪左右輪的前輪轉(zhuǎn)角相等。（7）假設(shè)在控制過程中，制動(dòng)力矩bT和發(fā)動(dòng)機(jī)的拖拽扭矩e

8、ngT始終為零；（8）忽略車輛的側(cè)傾和俯仰動(dòng)力學(xué)的影響。.2.2輪胎模型輪胎模型的精確程度直接影響了車輛動(dòng)力學(xué)模型的特性。車輛依靠輪胎與地面之間的相互作用產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。輪胎的側(cè)偏特性是汽車操縱穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，對(duì)汽車的轉(zhuǎn)向特性和行駛穩(wěn)定性有著重要影響[48]。車輛的操縱穩(wěn)定性在很大程度上取決于輪胎的側(cè)偏特性，因此建立精確的輪胎模型是進(jìn)行車輛操縱穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)[49]。輪胎動(dòng)力學(xué)模型主要分為理論模型、自適應(yīng)模型、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>