基于模型预测控制的无人驾驶车辆轨迹跟踪控制算法研究

发布时间：2017-05-20 04:04

  本文关键词：基于模型预测控制的无人驾驶车辆轨迹跟踪控制算法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：高效稳定的轨迹跟踪控制系统是无人驾驶车辆实现智能化和实用化的必要条件。本课题研究的对象和问题是：高速行驶的无人驾驶车辆，如何通过前轮主动转向实现在冰雪等复杂路面上的轨迹跟踪控制。本文以6自由度车辆动力学模型和魔术公式轮胎模型为基础，应用模型预测控制理论，结合侧偏角软约束，设计基于线性时变模型预测控制算法的轨迹跟踪控制器，通过前轮主动转向控制车辆，在保证车辆稳定性的前提下，，实现轨迹跟踪。 应用魔术公式轮胎模型描述轮胎特性。基于6自由度车辆动力学模型和魔术公式轮胎模型设计预测模型，一方面满足控制算法的实时性要求，另一方面克服高速低附着路面工况下的预测模型失配的影响。 将非线性系统转换为线性时变系统，推导了线性时变模型预测控制（LTVMPC）算法公式，将LTV MPC最优问题转化为便于计算机求解的标准二次规划问题。 结合约束条件和优化目标函数，建立了前轮主动转向LTV MPC轨迹跟踪控制器。同时考虑到车辆高速行驶时的稳定性需求，提出侧偏角软约束。避免了车辆在弯道行驶中因前轴侧滑而失去轨迹跟踪能力或后轴侧滑甩尾而失去稳定性。 通过搭建Simulink/Carsim联合仿真平台，完成了双移线工况下轨迹跟踪控制算法的仿真验证与跟踪性能对比。仿真结果表明，与预瞄跟踪最优控制算法和未考虑侧偏角软约束的前轮主动转向LTV MPC算法比较，考虑侧偏角软约束的前轮主动转向LTV MPC轨迹跟踪控制器综合性能最优。该控制器对解决无人驾驶车辆在高速和冰雪等复杂路面下的轨迹跟踪控制问题具有独特的优势，对路面附着条件、车速变化和参考轨迹具有良好的鲁棒性和适应性。
【关键词】：无人驾驶车辆 模型预测控制 动力学模型 轮胎模型 轨迹跟踪控制
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U463.6
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-7
• 目录7-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 课题研究背景和意义9-11
• 1.2 无人驾驶车辆轨迹跟踪控制算法研究概述11-16
• 1.3 本课题研究内容16-19
• 第2章 车辆动力学和轮胎模型19-35
• 2.1 车辆动力学模型19-24
• 2.2 轮胎模型24-33
• 2.2.1 魔术公式轮胎模型建立25-29
• 2.2.2 轮胎特性仿真分析29-33
• 2.3 本章总结33-35
• 第3章 线性时变模型预测控制问题的转化与求解35-45
• 3.1 非线性模型预测控制35-36
• 3.2 线性时变模型预测控制36-38
• 3.3 预测模型设计38-41
• 3.4 QP 问题转化41-44
• 3.5 本章总结44-45
• 第4章 前轮主动转向轨迹跟踪控制45-85
• 4.0 LTV MPC 控制器设计45-50
• 4.1 车辆稳定性分析50-51
• 4.2 双移线工况下 AFS 轨迹跟踪控制51-54
• 4.3 控制器 A 预瞄跟踪最优控制54-61
• 4.3.1 仿真工况 1：初始车速为 10m/s54-56
• 4.3.2 仿真工况 2：初始车速为 12.15m/s56-58
• 4.3.3 仿真工况 3：初始车速为 12.5m/s58-61
• 4.4 控制器 B 前轮主动转向 LTV MPC 控制器（无侧偏角软约束）61-71
• 4.4.1 仿真工况 1：初始车速为 12.5m/s61-64
• 4.4.2 仿真工况 2：初始车速为 20m/s64-68
• 4.4.3 仿真工况 3：初始车速为 22.1m/s68-71
• 4.5 控制器 C 前轮主动转向 LTV MPC 控制器（侧偏角软约束）71-82
• 4.5.1 仿真工况 1：初始车速为 12.5m/s71-75
• 4.5.2 仿真工况 2：初始车速为 20m/s75-78
• 4.5.3 仿真工况 3：初始车速为 22.1m/s78-82
• 4.6 控制器性能对比82-83
• 4.7 本章总结83-85
• 第5章 总结与展望85-87
• 5.1 本文的研究成果85-86
• 5.2 本文研究的创新点86
• 5.3 未来研究工作展望86-87
• 参考文献87-92
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单92-93
• 致谢93

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 张海涛,何清华,陈欠根;遥控挖掘机器人轨迹跟踪的电液比例控制系统[J];液压与气动;2004年07期

2 李琳辉;连静;王蒙蒙;王文波;吴淑梅;;基于滑转补偿的月球车轨迹跟踪控制算法[J];电机与控制学报;2014年01期

3 邱荷珍;王磊;王洪超;;船舶轨迹跟踪研究综述[J];实验室研究与探索;2014年04期

4 林晓梅,茅乃丰,陈静娴;带电粒子轨迹的随机跟踪与图形分析[J];原子能科学技术;1990年05期

5 陈启军,张宏辉,王月娟,陈辉堂;一种简单的机器人鲁棒自适应轨迹跟踪控制算法[J];华中科技大学学报(自然科学版);2004年S1期

6 刘学明;梁春兰;王学东;;两轮驱动非完整约束机器人轨迹跟踪研究[J];制造业自动化;2013年16期

7 卢红,万钊,常建娥;焊接中特定轨迹跟踪装置的研制[J];仪表技术与传感器;1997年03期

8 牛国臣;党长河;韩伟;高庆吉;;飞机表面爬行机器人轨迹跟踪控制方法研究[J];中国民航大学学报;2007年02期

9 徐照胜;王葵;李碧春;王道斌;;轨迹跟踪控制算法在汽车自动驾驶中的应用[J];仪表技术;2012年09期

10 李茂山;;轨迹跟踪管理对车队的意义和现实应用[J];现代营销(学苑版);2013年05期

中国重要会议论文全文数据库 前9条

1 陈启军;王月娟;;不依赖模型的机器人鲁棒自适应轨迹跟踪[A];2003年中国智能自动化会议论文集（上册）[C];2003年

2 晁红敏;胡跃明;徐建闽;;基于滑模和后推法的自适应轨迹跟踪[A];第二十届中国控制会议论文集（上）[C];2001年

3 雷鸣;王月娟;蒋平;;视觉引导的机器人轨迹跟踪路径规划的一种新方法[A];1994年中国控制会议论文集[C];1994年

4 王仲民;岳宏;刘继岩;;基于复合形法机器人轨迹跟踪模糊控制器优化[A];2005年中国智能自动化会议论文集[C];2005年

5 陈鹏程;纪志成;;动力学层次移动机器人轨迹跟踪控制仿真研究[A];2007中国控制与决策学术年会论文集[C];2007年

6 刘进;;影像合成运动镜头中的轨迹同步技术[A];2009中国电影电视技术学会影视技术文集[C];2010年

7 韩光信;;考虑执行机构动态的WMR轨迹跟踪与镇定统一控制[A];2011年中国智能自动化学术会议论文集（第一分册）[C];2011年

8 廖煜雷;庞永杰;;一类欠驱动机械系统轨迹跟踪的滑模控制方法[A];2011年中国智能自动化学术会议论文集（第一分册）[C];2011年

9 冯驰;徐冉;;水下潜器垂直运动轨迹跟踪研究[A];2010年通信理论与信号处理学术年会论文集[C];2010年

中国重要报纸全文数据库 前2条

1 谭彦叙　王帝;沈阳沈北分局网上“四战法”见成效[N];人民公安报;2009年

2 邓海建;公车监控轨迹能否公之于众[N];青岛日报;2013年

中国博士学位论文全文数据库 前6条

1 王仲民;移动机器人路径规划及轨迹跟踪问题研究[D];河北工业大学;2006年

2 申远;基于小轨迹关联的多人跟踪方法研究[D];北京交通大学;2014年

3 MOHAMMED MOHAMMED SALEH ALL-BAIL;[D];武汉理工大学;2011年

4 尹晓红;自动引导车运动分段控制技术研究[D];合肥工业大学;2011年

5 院老虎;六轮非对称月球车运动控制方法及参数辨识研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

6 黄海;新型仿人假手及其动态控制的研究[D];哈尔滨工业大学;2008年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 刘峰;三维空间任意目标轨迹跟踪最优预见控制的研究[D];武汉理工大学;2003年

2 杨书林;深海集矿机轨迹跟踪算法研究[D];中南大学;2008年

3 刘瑞英;基于小波分析的轨迹跟踪系统的研究[D];山东科技大学;2006年

4 刘国权;机器人视觉焊缝轨迹跟踪及深度信息提取[D];南昌大学;2008年

5 闫红丽;液压轨迹跟踪系统对高频信号响应的研究[D];哈尔滨工业大学;2007年

6 唐飞云;自主导航车轨迹跟踪控制方法研究[D];大连理工大学;2012年

7 牟鹏程;水面无人船轨迹跟踪控制方法研究[D];哈尔滨工程大学;2013年

8 龚建;轨迹跟踪鲁棒最优预见控制及其实验研究[D];武汉理工大学;2007年

9 张译;煤矿救援机器人轨迹跟踪研究[D];西安科技大学;2011年

10 王茂苏;智能系统轨迹跟踪动画仿真研究[D];中南大学;2011年

  本文关键词：基于模型预测控制的无人驾驶车辆轨迹跟踪控制算法研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：380592