留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于改进的模型预测控制无人驾驶车辆路径跟踪控制

周义棚 李聪 杨威

周义棚, 李聪, 杨威. 基于改进的模型预测控制无人驾驶车辆路径跟踪控制[J]. 上海工程技术大学学报, 2023, 37(2): 164-172. doi: 10.12299/jsues.22-0251
引用本文: 周义棚, 李聪, 杨威. 基于改进的模型预测控制无人驾驶车辆路径跟踪控制[J]. 上海工程技术大学学报, 2023, 37(2): 164-172. doi: 10.12299/jsues.22-0251
ZHOU Yipeng, LI Cong, YANG Wei. Path following control of unmanned vehicle based on improved model predictive control[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2023, 37(2): 164-172. doi: 10.12299/jsues.22-0251
Citation: ZHOU Yipeng, LI Cong, YANG Wei. Path following control of unmanned vehicle based on improved model predictive control[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2023, 37(2): 164-172. doi: 10.12299/jsues.22-0251

基于改进的模型预测控制无人驾驶车辆路径跟踪控制

doi: 10.12299/jsues.22-0251
详细信息
    作者简介:

    周义棚(1996−),男,在读硕士,研究方向为无人驾驶. E-mail:525871528@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

Path following control of unmanned vehicle based on improved model predictive control

  • 摘要: 为提高无人驾驶车辆路径跟踪精度和稳定性,提出一种基于粒子群优化(Particle Swarm Optimization, PSO)和高斯过程回归(Gaussian Process Regression, GPR)的模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)参数自适应方法(PSO-MPC). 使用PSO离线优化MPC参数,利用GPR生成最优参数曲面,可在各种工况下提高无人驾驶车辆路径跟踪的性能. 仿真结果表明,改进的MPC方法在整个路径跟踪过程中能保持车辆稳定性,同时实现良好的路径跟踪精度. 最后,在真实的无人驾驶车辆上验证了改进的MPC方法的有效性.
  • 图  1  考虑路径曲率的车辆横向动力学模型

    Figure  1.  Vehicle lateral dynamics model considering path curvature

    图  2  控制器参数优化

    Figure  2.  Controller parameter optimization

    图  3  PSO优化${N_{\rm{p}}}$${N_{\rm{c}}}$的适应度值

    Figure  3.  Fitness value of PSO at ${N_{\rm{p}}}$ and ${N_{\rm{c}}}$

    图  4  PSO优化$\lambda $的适应度值

    Figure  4.  Fitness value of PSO at $\lambda $

    图  5  最优参数曲面

    Figure  5.  Optimal parametric surface

    图  6  参考路径

    Figure  6.  Reference path

    图  7  20 m/s路径跟踪对比图

    Figure  7.  Path following comparison chart at 20 m/s

    图  8  试验车辆

    Figure  8.  Experimental vehicle

    图  9  参考路径

    Figure  9.  Reference path

    图  10  实车路径跟踪对比

    Figure  10.  Comparison of real vehicle path following

    表  1  MPC控制器参数

    Table  1.   MPC controller parameters

    参数数值
    采样周期$T$/${\rm{s}}$0.05
    前轮转向角控制量$u$/(°)−35 ~ 35
    前轮转向角控制增量$\Delta u$−0.47 ~ 0.47
    下载: 导出CSV

    表  2  车辆参数

    Table  2.   Vehicle parameters

    参数数值
    汽车质量$m$/${\rm{kg}}$1412
    质心到前轴距离${l_{\rm{f}}}$/${\rm{m}}$1.015
    质心到后轴距离${l_{\rm{r}}}$/${\rm{m}}$1.895
    转动惯量${I_{z } }$/(${\rm{kg}} \cdot {{\rm{m}}^2}$)1537
    前轮侧偏刚度${C_{\rm{f}}}$/(${\rm{N}} \cdot {\rm{ra}}{{\rm{d}}^{ - 1}}$)149000
    后轮侧偏刚度${C_{\rm{r}}}$/(${\rm{N}} \cdot {\rm{ra}}{{\rm{d}}^{ - 1}}$)82200
    下载: 导出CSV

    表  3  20 m/s控制器参数

    Table  3.   Controller parameters at 20 m/s

    控制器参数${N_{\rm{p}}}$${N_{\rm{c}}}$$\lambda $
    MPC20205
    PSO-MPC2585.5
    下载: 导出CSV
  • [1] NI J J, CHEN Y N, CHEN Y, et al. A survey on theories and applications for self-driving cars based on deep learning methods[J] . Applied Sciences,2020,10(8):2749. doi: 10.3390/app10082749
    [2] CLEMENTS L M, KOCKELMAN K M. Economic effects of automated vehicles[J] . Transportation Research Record,2017,2606(1):106 − 114. doi: 10.3141/2606-14
    [3] 陈特, 陈龙, 徐兴, 等. 基于 Hamilton 理论的无人车路径跟踪控制[J] . 北京理工大学学报,2019,39(7):676 − 682.
    [4] ZHANG Y H, WANG W D, WANG W, et al. An Adaptive Constrained Path Following Control Scheme for Autonomous Electric Vehicles[J] . IEEE Transactions on Vehicular Technology,2022,71(4):3569 − 3578. doi: 10.1109/TVT.2022.3146134
    [5] SUSUKI R, KAWAI F, NAKAZAWA C, et al. Parameter optimization of model predictive control using PSO[C]//Proceedings of 2008 SICE Annual Conference. Tokyo: IEEE, 2008: 1981 − 1988.
    [6] MOUMOUH H, LANGLOIS N, HADDAD M. Off-line Robustness Improvement of a Predictive Controller Using a Novel Tuning Approach Based on Artificial Neural Network[C]//Proceedings of 2020 IEEE 16th International Conference on Control & Automation (ICCA). Sapporo, Hokkaido: IEEE, 2020: 797 − 802.
    [7] 王银, 张灏琦, 孙前来, 等. 基于自适应 MPC 算法的轨迹跟踪控制研究[J] . 计算机工程与应用,2021,57(14):251 − 258. doi: 10.3778/j.issn.1002-8331.2007-0015
    [8] XU S B, PENG H. Design, analysis, and experiments of preview path tracking control for autonomous vehicles[J] . IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems,2019,21(1):48 − 58.
    [9] HUBER M F. Recursive Gaussian process: On-line regression and learning[J] . Pattern Recognition Letters,2014,45:85 − 91. doi: 10.1016/j.patrec.2014.03.004
    [10] ARANY R R, AUWERAER H V D, SON T D. Learning Control for Autonomous Driving on Slippery Snowy Road Conditions[C]//Proceedings of 2020 IEEE Conference on Control Technology and Applications (CCTA). Montréal: IEEE, 2020: 312 − 317.
    [11] SEEGER M. Gaussian processes for machine learning[J] . International journal of neural systems,2004,14(2):69 − 106. doi: 10.1142/S0129065704001899
  • 加载中
图(10) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  530
  • HTML全文浏览量:  199
  • PDF下载量:  190
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2022-08-15
  • 刊出日期:  2023-06-20

目录

    /

    返回文章
    返回