CN109808707B - 一种基于随机模型预测的汽车转向控制方法及控制器 - Google Patents
一种基于随机模型预测的汽车转向控制方法及控制器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于随机模型预测的汽车转向控制方法,根据获得的信息进行车辆动力学建模,构建线性的车辆系统;对线性的车辆系统离散化处理;使用双移线作为测试工况,设计轨迹方程;将能够体现驾驶风格的参数量化,并假设保守型和激进型驾驶员的参数服从对应的正态分布,采用随机模型预测控制算法建立考虑驾驶风格的转向模型,并通过最小化目标函数条件期望的方法获得驾驶员的最优控制序列,对汽车进行转向控制。本发明使得车辆可以准确的跟踪参考轨迹,实现精确的车辆控制,提高车辆转弯安全性。
Description
技术领域
本发明属于无人驾驶汽车控制领域,尤其涉及一种基于随机模型预测的汽车转向控制方法及控制器。
背景技术
自主车辆完成各项指定任务时,都必须解决最基本且最重要的轨迹跟踪控制问题。车辆系统是一个高度耦合的复杂非线性系统,实际上存在着相当多的不确定性因素,这会对控制器性能产生严重影响,然而,传统的模型预测控制模型未能考虑这些不确定性因素。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:提供一种基于随机模型预测的汽车转向控制方法及控制器,提高转向控制精度和安全。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为:一种基于随机模型预测的汽车转向控制方法,其特征在于:它包括以下步骤:
S1、获取车辆结构参数信息和车辆运行状态信息;
S2、根据获得的信息进行车辆动力学建模,构建线性的车辆系统;
S3、对线性的车辆系统离散化处理;
S4、使用双移线作为测试工况,设计轨迹方程;将能够体现驾驶风格的参数量化,并假设保守型和激进型驾驶员的参数服从对应的正态分布,采用随机模型预测控制算法建立考虑驾驶风格的转向模型,并通过最小化目标函数条件期望的方法获得驾驶员的最优控制序列,对汽车进行转向控制;
所述的保守型和激进型驾驶员的参数通过实车实验获得。
按上述方法,所述的S2按以下公式进行车辆动力学建模:
其中描述了惯性坐标系与车身坐标系下车辆的位置状态;δf是控制器输出的车辆控制变量;为车辆的横摆角;为车辆的横摆角速度;分别为车辆在车身坐标系下的纵向速度和横向速度;Y为车辆在惯性坐标系下的横向位移;δf为前轮转向角;C1、C2为车辆前后轮的侧偏刚度;a、b分别为质心到前后轴的距离;IZ为车辆的转动惯量;m为车身质量。
按上述方法,所述的S3按以下公式进行离散化:
x2(k+1)=Ak,tx2(k)+Bk,tu2(k)
y(k)=Cx2(k)
其中:
x2(k+1)和x2(k)为k+1时刻和k时刻的状态量;Ak,t为离散化后的系统矩阵,B k,t为离散化后的输入矩阵,u2(k)为控制量,y(k)为输出量,C为输出矩阵,I为单位矩阵,T为采样周期;t为离散时间的采样时刻;A(t)为连续的系统矩阵,B(t)为连续的输入矩阵,k为步长。
按上述方法,所述的轨迹方程如下:
按上述方法,所述的S4选取如下目标函数对系统状态量、控制量及控制增量进行优化:
且
即目标函数可写为:
J(k)=[E(k)+ΘkΔU(k)]TQe[E(k)+ΘkΔU(k)]+ΔU(k)TReΔU(k)
其中:J(k)为目标函数;Np为预测时域;i为第i个步长;η为系统输出量;ηref为系统参考输出量;Nc表示控制时域;Q、R表示系统输出量偏差和控制增量的权重;Δu为控制增量;E(k)=Ψkε(k|k)-Yref(k),表示输出量偏差,其中,Yref(k)为参考轨迹的横向位移;表示在k时刻Nc+1步长内的控制增量的集合;
使用:
N保~(μ保,σ2)
N激~(μ激,σ2)
用于描述驾驶风格的随机化特性;式中,N保和N激分别为保守型和激进型驾驶风格的ay的正态分布函数,μ保为保守型驾驶风格的ay的均值;μ激为激进型驾驶风格的ay的均值;且μ保和μ激通过实车实验数据计算得到;建立所述的目标函数与μ保和μ激的关系式并通过最小化目标函数期望值的方法得到最优控制序列,即:
ΔU*(k)=argminE[J(k)]
式中,arg min表示为函数取最小值时的自变量取值,ΔU*(k)为最优控制序列;
按上述方法,所述的最优控制序列具体按以下公式求解:
令ω(ΔU(k))一阶导数为零,可得到最优控制序列
ΔU*(k)=-(θk TQeθk+Re)-1θk TQeE(E(k));
一种汽车转向控制器,包括存储器,存储器中存有计算机程序,供整车控制器调用,以实现所述的基于随机模型预测的汽车转向控制方法。
本发明的有益效果为:通过建立车辆动力学模型,以动力学模型作为预测模型,然后建立转向控制器,并生成参考轨迹,通过求解目标函数,使得车辆可以准确的跟踪参考轨迹,实现精确的车辆控制,提高车辆转弯安全性。
附图说明
图1为本发明一实施例的原理框图。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明所设计的基于随机模型预测控制方法的汽车转向控制器应满足以下3方面的需求:
(1)无人驾驶车辆的目标是能够安全准确的到达目标点,这就要求无人驾驶车辆能够在不同工况下仍能保证准确平稳的轨迹跟踪。
(2)基于随机模型预测控制算法的轨迹跟踪控制器,需要求在进行控制器设计时将随机化参数考虑在内,并通过最小化目标函数条件期望的方法获得驾驶员的最优控制序列。
(3)约束的极限值要合理设计,需要保证约束值在车辆的运行极限值以内。
综上,本研究针对无人驾驶领域,提出了一种基于随机模型预测控制方法的汽车转向控制器,充分考虑了驾驶风格的随机性对车辆跟踪效果的影响,以此来模拟不同驾驶风格驾驶员的转向技能。
本发明提供一种基于随机模型预测的汽车转向控制方法,如图1所示,包括以下步骤:
S1、获取车辆结构参数信息和车辆运行状态信息,包括车辆轴距、车速、航向角等。
S2、根据获得的信息进行车辆动力学建模,构建线性的车辆系统。
S2按以下公式进行车辆动力学建模:
其中描述了惯性坐标系与车身坐标系下车辆的位置状态;δf是控制器输出的车辆控制变量;为车辆的横摆角;为车辆的横摆角速度;分别为车辆在车身坐标系下的纵向速度和横向速度;Y为车辆在惯性坐标系下的横向位移;δf为前轮转向角;C1、C2为车辆前后轮的侧偏刚度;a、b分别为质心到前后轴的距离;IZ为车辆的转动惯量;m为车身质量。
S3、对线性的车辆系统离散化处理。
S3按以下公式进行离散化:
x2(k+1)=Ak,tx2(k)+Bk,tu2(k)
y(k)=Cx2(k)
其中:
x2(k+1)和x2(k)为k+1时刻和k时刻的状态量;Ak,t为离散化后的系统矩阵,B k,t为离散化后的输入矩阵,u2(k)为控制量,y(k)为输出量,C为输出矩阵,I为单位矩阵,T为采样周期;t为离散时间的采样时刻;A(t)为连续的系统矩阵,B(t)为连续的输入矩阵,k为步长。
S4、使用双移线作为测试工况,设计轨迹方程;将能够体现驾驶风格的参数量化,并假设保守型和激进型驾驶员的参数服从对应的正态分布,采用随机模型预测控制算法建立考虑驾驶风格的转向模型,并通过最小化目标函数条件期望的方法获得驾驶员的最优控制序列,对汽车进行转向控制。所述的保守型和激进型驾驶员的参数通过实车实验获得。
由于转向控制器所设置的控制目标是尽量减小轨迹跟踪偏差,同时需保证车辆的稳定性,所以实际车辆行驶稳定性测试中,大多使用双移线作为测试工况,所述的轨迹方程如下:
shape=6.5,dx1=40,dx2=40,dy1=3.8348,dy2=3.8348,
Xs1=150,Xs2=170
为了保证无人驾驶车辆准确、平稳地跟踪期望轨迹,需要对系统状态量、控制量及控制增量进行优化,选取如下目标函数:
且
即目标函数可写为:
J(k)=[E(k)+ΘkΔU(k)]TQe[E(k)+ΘkΔU(k)]+ΔU(k)TReΔU(k)
其中:J(k)为目标函数;Np为预测时域;i为第i个步长;η为系统输出量;ηref为系统参考输出量;Nc表示控制时域;Q、R表示系统输出量偏差和控制增量的权重;Δu为控制增量;E(k)=Ψkε(k|k)-Yref(k),表示输出量偏差,其中,Yref(k)为参考轨迹的横向位移;表示在k时刻Nc+1步长内的控制增量的集合;
在轨迹跟踪控制器设计的过程中将能够体现驾驶风格的参数量化,并假设保守型和激进型驾驶员的参数服从不同的正态分布,以建立考虑驾驶风格的转向模型,使用:
N保~(μ保,σ2)
N激~(μ激,σ2)
用于描述驾驶风格的随机化特性;式中,N保和N激分别为保守型和激进型驾驶风格的ay的正态分布函数,μ保为保守型驾驶风格的ay的均值;μ激为激进型驾驶风格的ay的均值;且μ保和μ激通过实车实验数据计算得到;建立所述的目标函数与μ保和μ激的关系式并通过最小化目标函数期望值的方法得到最优控制序列,即:
U*(k)=arg min E[J(k)]
式中,arg min表示为函数取最小值时的自变量取值,U*(k)为最优控制序列。
所述的最优控制序列具体按以下公式求解:
令ω(ΔU(k))一阶导数为零,可得到最优控制序列
ΔU*(k)=-(θk TQeθk+Re)-1θk TQeE(E(k))。
本发明还提供一种汽车转向控制器,包括存储器,存储器中存有计算机程序,供整车控制器调用,以实现所述的基于随机模型预测的汽车转向控制方法。
本发明基于随机模型预测控制算法,针对无人驾驶车辆在行车过程中轨迹跟踪控制问题,设计了一种基于随机模型预测控制方法的汽车转向控制器。在分析人、车、路、环境的基础上,考虑人类驾驶员的驾驶风格,并将能够体现驾驶风格的参数随机化处理,在考虑不同驾驶风格驾驶员具有不同的分布特性、不确定性对控制模型产生影响的同时,充分考虑到驾驶员的行为特性,提高其行车安全性与舒适性。与现有的转向控制器进行比较,本发明基于随机模型预测控制方法的汽车转向控制器,具有考虑全面、适应性强、可靠性高等优点。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点,其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施,本发明的保护范围不限于上述实施例。所以,凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰,均在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于随机模型预测的汽车转向控制方法,其特征在于:它包括以下步骤:
S1、获取车辆结构参数信息和车辆运行状态信息;
S2、根据获得的信息进行车辆动力学建模,构建线性的车辆系统;
S3、对线性的车辆系统离散化处理;
S4、使用双移线作为测试工况,设计轨迹方程;将能够体现驾驶风格的参数量化,并假设保守型和激进型驾驶员的参数服从对应的正态分布,采用随机模型预测控制算法建立考虑驾驶风格的转向模型,并通过最小化目标函数条件期望的方法获得驾驶员的最优控制序列,对汽车进行转向控制;
所述的保守型和激进型驾驶员的参数通过实车实验获得;
所述的S2按以下公式进行车辆动力学建模:
其中描述了惯性坐标系与车身坐标系下车辆的位置状态;δf是控制器输出的车辆控制变量;为车辆的横摆角;为车辆的横摆角速度;分别为车辆在车身坐标系下的纵向速度和横向速度;Y为车辆在惯性坐标系下的横向位移;δf为前轮转向角;C1、C2为车辆前后轮的侧偏刚度;a、b分别为质心到前后轴的距离;IZ为车辆的转动惯量;m为车身质量;
所述的S3按以下公式进行离散化:
x2(k+1)=Ak,tx2(k)+Bk,tu2(k)
y(k)=Cx2(k)
其中:
x2(k+1)和x2(k)为k+1时刻和k时刻的状态量;Ak,t为离散化后的系统矩阵,Bk,t为离散化后的输入矩阵,u2(k)为控制量,y(k)为输出量,C为输出矩阵,I为单位矩阵,T为采样周期;t为离散时间的采样时刻;A(t)为连续的系统矩阵,B(t)为连续的输入矩阵,k为步长;
所述的轨迹方程如下:
所述的S4选取如下目标函数对系统状态量、控制量及控制增量进行优化:
且
即目标函数可写为:
J(k)=[E(k)+ΘkΔU(k)]TQe[E(k)+ΘkΔU(k)]+ΔU(k)TReΔU(k)
其中:J(k)为目标函数;Np为预测时域;i为第i个步长;η为系统输出量;ηref为系统参考输出量;Nc表示控制时域;Q、R表示系统输出量偏差和控制增量的权重;Δu为控制增量;E(k)=Ψkε(k|k)-Yref(k),表示输出量偏差,其中,Yref(k)为参考轨迹的横向位移;表示在k时刻Nc+1步长内的控制增量的集合;
使用:
N保~(μ保,σ2)
N激~(μ激,σ2)
用于描述驾驶风格的随机化特性;式中,式中,N保和N激分别为保守型和激进型驾驶风格的ay的正态分布函数,μ保为保守型驾驶风格的ay的均值;μ激为激进型驾驶风格的ay的均值;且μ保和μ激通过实车实验数据计算得到;建立所述的目标函数与μ保和μ激的关系式并通过最小化目标函数期望值的方法得到最优控制序列,即:
ΔU*(k)=argminE[J(k)]
式中,arg min表示为函数取最小值时的自变量取值,ΔU*(k)为最优控制序列,J(k)为目标函数。
3.一种汽车转向控制器,其特征在于:它包括存储器,存储器中存有计算机程序,供整车控制器调用,以实现权利要求1或2所述的基于随机模型预测的汽车转向控制方法。
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