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采用状态扩展MPC与转角补偿的无人车路径跟踪控制

寇发荣 郑文博 张新乾 杨慧杰 贺嘉杰

寇发荣,郑文博,张新乾, 等. 采用状态扩展MPC与转角补偿的无人车路径跟踪控制[J]. 机械科学与技术,2023,42(9):1533-1541 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220088
引用本文: 寇发荣,郑文博,张新乾, 等. 采用状态扩展MPC与转角补偿的无人车路径跟踪控制[J]. 机械科学与技术,2023,42(9):1533-1541 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220088
KOU Farong, ZHENG Wenbo, ZHANG Xinqian, YANG Huijie, HE Jiajie. Path Tracking Control of Unmanned Vehicle Using State Extended Model Predictive Control and Angle Compensation[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(9): 1533-1541. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220088
Citation: KOU Farong, ZHENG Wenbo, ZHANG Xinqian, YANG Huijie, HE Jiajie. Path Tracking Control of Unmanned Vehicle Using State Extended Model Predictive Control and Angle Compensation[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(9): 1533-1541. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220088

采用状态扩展MPC与转角补偿的无人车路径跟踪控制

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220088
基金项目: 国家自然科学基金项目(51775426)、陕西省重点研发计划项目(2020GY-128)、陕西省科技计划项目(2019JQ-795)及陕西省教育厅科学研究计划项目(19JK0532)
详细信息
    作者简介:

    寇发荣(1973−),教授,博士生导师,研究方向为智能车辆控制,koufarong@xust.edu.cn

  • 中图分类号: U461.99

Path Tracking Control of Unmanned Vehicle Using State Extended Model Predictive Control and Angle Compensation

  • 摘要: 采用传统模型预测控制(MPC)的无人车难以同时保证路径跟踪精度和实时性,针对此问题,本文设计了一种采用状态扩展MPC与转角补偿的路径跟踪控制器。建立了车辆三自由度动力学模型,设计了基于状态扩展的双反馈MPC控制器,并根据车速调整控制器参数;建立了车辆-道路跟踪模型,根据车辆横向和航向偏差设计了转角补偿模糊控制器;利用MATLAB/Simulink和Carsim软件对所设计的路径跟踪控制器进行联合仿真分析。结果表明:相比采用传统MPC控制器的车辆,在中、低车速下,状态扩展MPC控制器的控制增量求解时间平均值降低14%以上,路径跟踪控制器跟踪道路的横向和航向偏差最大值分别降低23%和17%以上,具有较好的路径跟踪性能。
  • 图  1  单轨三自由度车辆模型

    Figure  1.  The single-track three-degree-of-freedom vehicle model

    图  2  路径跟踪控制器框图

    Figure  2.  Path tracking controller block diagram

    图  3  状态扩展MPC控制器框图

    Figure  3.  State-expanding MPC controller block diagram

    图  4  车辆-路径关系模型

    Figure  4.  The vehicle-path relationship model

    图  5  模糊控制曲面

    Figure  5.  Fuzzy control surface

    图  6  不同车速下的控制器计算时间

    Figure  6.  Controller computation time at different vehicle speeds

    图  7  36 km/h路径跟踪精度对比

    Figure  7.  Path tracking accuracy comparison at 36 km/h

    图  8  54 km/h路径跟踪精度对比

    Figure  8.  Path tracking accuracy comparison at 54 km/h

    图  9  72 km/h路径跟踪精度对比

    Figure  9.  Path tracking accuracy comparison at 72 km/h

    表  1  模糊控制规则表

    Table  1.   Fuzzy control rule table

    ye $ {\varphi _{{e}}} $
    NBNMNSZOPSPMPB
    NBPBPBPBPBPMPSPS
    NMPBPBPMPMPSZONS
    NSPBPMPMPSZONMNM
    ZOPMPSPSZONSNMNM
    PSPMPSZONSNMNMNB
    PMPSZONMNMNMNBNB
    PBNSNMNBNBNMNBNB
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    表  2  整车参数

    Table  2.   Vehicle parameters

    参数数值
    整车质量m/kg 1783
    横摆转动惯量Iz /(kg·m2 4175
    前轮侧偏刚度Cf /(N·rad−1 66900
    后轮侧偏刚度Cr /(N·rad−1 62700
    质心距前轴距离a/m 1.232
    质心距前轴距离b/m 1.468
    路面附着系数µ 1
    前轮纵向滑移率sf 0.2
    后轮纵向滑移率sr 0.2
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    表  3  状态扩展MPC控制器参数A

    Table  3.   State-expanding MPC controller parameters A

    参数数值
    离散时间步长T/s 0.05
    预测时域Np 10
    控制时域Nc 5
    输出量误差权重系数矩阵$\bar {\boldsymbol{Q}} $ diag([200,100])
    控制增量权重系数R 5 × 104
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    表  4  状态扩展MPC控制器参数B

    Table  4.   State-expanding MPC controller parameters B

    参数数值
    离散时间步长T/s0.05
    预测时域Np12
    控制时域Nc6
    输出量误差权重系数矩阵$\bar {\boldsymbol{Q}} $diag([200,100])
    控制增量权重系数R1 × 104
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    表  5  双移线工况控制器控制增量求解时间对比

    Table  5.   Comparison of control increment solution time for the double-shift-line working condition

    车速/(
    km·h−1
    指标传统MPC/ms状态扩展MPC/ms改善程度/%
    36平均时间13.5610.5622.1
    最大时间32.5219.1541.1
    54平均时间14.8812.6614.9
    最大时间28.4620.5627.7
    72平均时间17.2112.2029.1
    最大时间37.3320.1446.0
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    表  6  双移线工况横向偏差对比

    Table  6.   Comparison of lateral deviation for the double-shift-line working condition

    车速/
    (km·h−1
    指标控制器
    1/m
    控制器
    2/m
    改善
    程度/%
    36平均偏差0.0860.06227.9
    最大偏差0.5090.38823.8
    54平均偏差0.0840.07214.3
    最大偏差0.6580.46928.7
    72平均偏差0.1250.10714.4
    最大偏差0.7400.51730.1
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    表  7  双移线工况横摆角偏差对比

    Table  7.   Comparison of yaw angle deviation for the double-shift-line working condition

    车速/
    (km·h−1
    指标控制器1/rad控制器2/rad改善程度/%
    36平均偏差0.0130.01023.1
    最大偏差0.0780.05825.6
    54平均偏差0.0150.01126.7
    最大偏差0.0840.06917.9
    72平均偏差0.0180.01327.8
    最大偏差0.0900.07318.9
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  • 收稿日期:  2021-04-26
  • 刊出日期:  2023-09-30

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