[发明专利]一种基于快速模型预测的汽车轨迹跟踪控制方法

说明书

本发明提供一种基于快速模型预测的汽车轨迹跟踪控制方法，目的是优化模型预测控制的计算，提高模型预测控制的求解速度，包括建立车辆动力学模型、建立基于快速模型预测的汽车轨迹跟踪控制系统、基于系统输出与给定输出构建优化问题、基于Move‑Blocking策略对模型预测控制进行优化计算等步骤，本发明在模型预测控制的基础上，引入Move‑blocking策略将模型预测控制进行优化，减小优化过程的计算复杂度，使其能快速求解，提高汽车控制的实时性，能够在满足约束条件下保证系统输出紧密跟踪期望值，使跟踪精确度更高。

技术领域

本发明涉及一种汽车轨迹跟踪控制方法，特别涉及一种基于快速模型预测的汽车轨迹跟踪控制方法。

背景技术

无人驾驶的主要技术包括感知、决策和控制三个模块，其中无人驾驶车辆轨迹跟踪控制是控制模块的关键技术之一，能够实现车辆从初始的某一位置，快速、稳定、安全地跟踪上由规划算法得到的期望路径。

模型预测控制是首先构建一个系统模型，在每一个采样时刻，根据获得的当前测量信息，根据所构建的系统模型在线求解一个有限时间开环优化问题，并将得到的控制序列的第一个元素作用于被控对象。在下一个采样时刻，重复上述过程：用新的测量值作为此时预测系统未来动态的初始条件，刷新优化问题并重新求解。现有的计算模型精度低，跟踪效果差，虽然模型建立越精确，控制效果越好，但是计算量过大，模型预测控制在线优化过程中的计算过程复杂，导致实时性差。

发明内容

由于模型预测控制优化计算复杂导致实时性差的缺陷，本发明提供一种基于快速模型预测的汽车轨迹跟踪控制方法，引入Move-blocking策略，即在采用输入分块策略对输入序列进行固定分块的基础上，使用移动分块策略，通过变化的blocking矩阵降低控制量的自由度，从而有效降低模型预测控制在线优化过程中的计算复杂度。同时能够在满足约束条件下保证系统输出紧密跟踪期望值。

本发明提供的一种基于快速模型预测的汽车轨迹跟踪控制方法，包括以下步骤：

第一步：建立车辆动力学模型

忽略车辆垂直方向上的运动，忽略空气阻力，使用单轨模型描述车辆的受力，根据牛顿第二定律，得到三个方向上的受力平衡方程：

其中，表示大地坐标系下的汽车的横向速度，表示大地坐标系下的汽车的纵向速度，m表示汽车的质量，v_x表示汽车在车载坐标系下纵向上的速度，表示汽车在车载坐标系下纵向上的加速度，v_y表示汽车在车载坐标系下横向上的速度，表示汽车在车载坐标系下横向上的加速度，θ表示汽车的航向角，表示汽车竖直方向上的角速度，表示汽车竖直方向上的角加速度，F_yf表示前轮侧向上受到的力，F_xf表示前轮切向上受到的力，F_yr表示后轮侧向上受到的力，F_xr表示车轮切向上受到的力，δ表示汽车的前轮偏角，I_z表示汽车的转动惯量，a 表示汽车重心与前轴的距离，b表示汽车重心与后轴的距离；

使用GIM轮胎模型描述轮胎力与车速及行车工况的关系，轮胎力的表示如下：

其中，F_x表示轮胎切向力，F_y表示轮胎侧向力，C_s，C_a分别表示轮胎纵向刚度和侧向刚度，S_s，S_α分别表示轮胎纵向滑移率和横向滑移率，l_n表示轮胎接地线附着域长度的无量纲值，μ_x，μ_y分别表示纵向附着系数和侧向附着系数， F_z表示轮胎垂直载荷，S_sc，S_αc分别表示纵向临界滑移率和侧向临界滑移率；