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基于径向基函数神经网络PID与模型预测控制的车辆轨迹跟踪控制

孙志伟 李聪

孙志伟, 李聪. 基于径向基函数神经网络PID与模型预测控制的车辆轨迹跟踪控制[J]. 上海工程技术大学学报, 2022, 36(2): 148-158. doi: 10.12299/jsues.21-0293
引用本文: 孙志伟, 李聪. 基于径向基函数神经网络PID与模型预测控制的车辆轨迹跟踪控制[J]. 上海工程技术大学学报, 2022, 36(2): 148-158. doi: 10.12299/jsues.21-0293
SUN Zhiwei, LI Cong. Research on trajectory tracking control based on radial basis neural network PID and model predictive control[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2022, 36(2): 148-158. doi: 10.12299/jsues.21-0293
Citation: SUN Zhiwei, LI Cong. Research on trajectory tracking control based on radial basis neural network PID and model predictive control[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2022, 36(2): 148-158. doi: 10.12299/jsues.21-0293

基于径向基函数神经网络PID与模型预测控制的车辆轨迹跟踪控制

doi: 10.12299/jsues.21-0293
基金项目: 国家自然科学基金项目资助(51505275)
详细信息
    作者简介:

    孙志伟(1997−),男,在读硕士,研究方向为无人驾驶. E-mail:1062415711@qq.com

    通讯作者:

    李 聪(1977−),女,副教授,博士,研究方向为汽车新能源技术. E-mail:licong@sues.edu.cn

  • 中图分类号: U461.1

Research on trajectory tracking control based on radial basis neural network PID and model predictive control

  • 摘要:

    为提高无人驾驶车辆的稳定性和鲁棒性,提出一种基于径向基函数神经网络自适应比例积分微分(RBFNN−PID)算法和模型预测控制(MPC)算法相结合的车辆轨迹跟踪控制方法. 基于自适应RBFNN−PID算法、MPC算法以及车辆动力学模型,建立智能车辆纵向速度控制和横向控制的仿真模型并将其结合起来. 在此基础上,以横向MPC控制和LQR−PID控制算法为基准,验证所提出的控制方法在轨迹跟踪方面的优越性. 仿真结果表明,新方法比对照组具有更高的精度. 最后,对新控制方法的硬件在环验证表明,该轨迹跟踪控制算法在轨迹跟踪精度和稳定性方面具有一定的有效性和先进性.

  • 图  1  二自由度动力学模型

    Figure  1.  Two DOF dynamic model

    图  2  基于RBF神经网络PID的纵向控制

    Figure  2.  Longitudinal control based on RBFNN-PID

    图  3  RBFNN-PID速度控制器仿真结果

    Figure  3.  Simulation results of RBFNN-PID speed controller

    图  4  模型预测控制原理

    Figure  4.  Model predictive control principle

    图  5  不同车速下轨迹和横摆角跟踪

    Figure  5.  Trajectory and yaw tracking at different speeds

    图  6  横纵向控制框图

    Figure  6.  Lateral and longitudinal control block diagram

    图  7  横纵向耦合控制器

    Figure  7.  Lateral and longitudinal coupling controller

    图  8  3种控制器仿真对比

    Figure  8.  Simulation comparison of three controllers

    图  9  72 km/h工况下的仿真结果

    Figure  9.  Simulation results at 72 km/h condition

    图  10  72 km/h工况下换道避障仿真结果

    Figure  10.  Simulation results of lane change obstacle avoidance at 72 km/h condition

    图  11  100 km/h工况下换道避障仿真结果

    Figure  11.  Simulation results of lane change obstacle avoidance at 100 km/h condition

    图  12  硬件在环仿真验证

    Figure  12.  Hardware-in-the-loop simulation verification

    表  1  车辆动力学参数

    Table  1.   Vehicle dynamics parameters

    参数数值
    轴距/mm a=1015, b=1895
    车身尺寸/mm L=3850, W=2080
    绕z轴转动惯量/(kg·m2 1536.7
    整车质量/kg 1413
    轮胎侧偏刚度/(N·rad−1 Ccf =−148970, Ccr =−82204
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    表  2  控制器参数

    Table  2.   Controller parameters

    参数数值
    Np30
    Nc15
    T/s0.01
    δf /(°)−15~15
    Δδf /(°)−0.5~0.5
    Qdiag(30,1,5,1)
    R6
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    表  3  车道1前方车辆行驶信息

    Table  3.   Vehicle driving informations ahead of lane 1

    场景状态信息数值
    场景一 车速/(km·h−1) 54
    横向位置/m 0
    纵向位置/m 0
    场景二 车速/(km·h−1) 80
    横向位置/m 0
    纵向位置/m 0
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    表  4  不同车速仿真误差

    Table  4.   Simulation error of different speed

    速度/(km•h−1)轨迹跟踪情况最大横向偏差/m最大航向偏差/rad最大速度偏差/(km•h−1)
    72良好0.060.0040.188
    100良好0.100.0020.150
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-13
  • 网络出版日期:  2022-11-16
  • 刊出日期:  2022-06-30

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