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基于MPC的轨迹跟踪控制 CarSim

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伴随着自动驾驶技术的进步, 轨迹跟踪控制被公认为汽车控制系统设计中的一项重要技术, 本研究旨在阐述一种基于模型预测控制(MPC)算法的轨迹跟踪控制方法, 并将其应用于CarSim仿真环境中进行验证和分析.

MPC算法是一种基于预测模型的控制决策策略。该算法通过综合考虑系统的动力学特性与约束条件,在每个时间段内计算得到最优的控制输入序列。在轨迹跟踪控制系统中,该方法旨在实现车辆按照预定轨迹行驶的同时具备良好的横向稳定性和纵向跟踪性能。为此需要设计合适的评价标准,并在每个控制周期内计算出最优控制输入值。

首先建立车辆的动力学模型是为了实现状态预测。随后,在CarSim平台中构建车辆的基本物理模型以模拟其运动过程,并通过该平台提供的API接口获取实时状态数据。

随后设定轨迹跟踪器的关键性能参数以量化每次控制指令的效果 常用的关键参数涉及横向偏差和航向角误差等几类 为了满足特定应用需求 可以根据实际情况灵活选定最优组合 并通过建立数学模型来解决相应的优化问题

然后定义约束条件以保证车辆行驶过程中的各种限制得到满足。例如说,在物理层面车辆的加速能力和转向特性可能会受到一些基本规律的制约因此在构建优化模型时需要考虑并纳入这些约束条件

采用数值优化算法(例如非线性规划方法)对动态路径跟踪控制系统进行建模与求解,并获得最优的控制指令序列;接着将这些计算出的最佳指令序列导入CarSim仿真平台进行模拟测试;通过反复计算调整最佳指令序列,并在每次迭代中更新优化参数至最佳状态,在CarSim仿真环境中验证车辆运行效果。

下面是一个简化的轨迹跟踪控制代码示例:

复制代码
 import numpy as np

    
 from casadi import *
    
  
    
 # 定义系统参数
    
 L = 2.5  # 车辆轴距
    
 v_ref = 10  # 参考速度
    
 dt = 0.1  # 控制周期
    
  
    
 # 定义状态变量
    
 x = MX.sym('x')
    
 y = MX.sym('y')
    
 psi = MX.sym('psi')
    
 v = MX.sym('v')
    
 states = vertcat(x, y, psi, v)
    
  
    
 # 定义控制变量
    
 delta = MX.sym('delta')  # 前轮转角
    
 a = MX.sym('a')  # 加速度
    
 controls = vertcat(delta, a)
    
  
    
 # 定义系统动力学方程
    
 xdot = v * cos(psi)
    
 ydot = v * sin(psi)
    
 psidot = v / L * tan(delta)
    
 vdot = a
    
  
    
 rhs = vertcat(xdot, ydot, psidot, vdot)
    
 f = Function('f', [states, controls], [rhs])
    
  
    
 # 定义优化问题
    
 N = 20  # 预测时域
    
 X = MX.sym('X', N+1, len(states))
    
 U = MX.sym('U', N, len(controls))
    
 X_next = np.zeros((N+1, len(states)))
    
  
    
 for k in range(N):
    
     X_next[k+1] = f(X[k], U[k])
    
     cost = (X[k, 0] - X_ref[k, 0])**2 + (X[k, 1] - X_ref[k, 1])**2  # 性能指标
    
     constraint = [-5 <= U[k, 0] <= 5, -3 <= U[k, 1] <= 3]  # 约束条件
    
  
    
 # 定义优化求解器
    
 nlp = {'x': vertcat(X.reshape(-1, 1), U.reshape(-1, 1)), 'f': cost, 'g': vertcat(constraint)}
    
 opts = {'ipopt.print_level': 0, 'print_time': 0, 'ipopt.tol': 1e-3, 'ipopt.hessian_approximation': 'limited-memory'}
    
 solver = nlpsol('solver', 'ipopt', nlp, opts)
    
  
    
 # 初始化状态和控制输入
    
 X_init = np.array([0, 0, 0, v_ref]).reshape(-1, 1)
    
 U_init = np.array([0, 0]).reshape(-1, 1)
    
  
    
 # 求解优化问题并得到最优控制序列
    
 res = solver(x0=vertcat(X_init, U_init))
    
 X_opt = res['x'][:N+1].reshape(-1, len(states))
    
 U_opt = res['x'][N+1:].reshape(-1, len(controls))
    
  
    
 # 应用最优控制输入至系统模型
    
 for k in range(N):
    
     X_next[k+1] = f(X_opt[k], U_opt[k])
    
    
    
    
    代码解读

以以下代码示例为例,在构建该控制策略时需要先定义系统的动力学模型、性能指标以及相应的约束条件,并利用优化算法进行计算求解。从而能够获得一组最优的控制指令序列,并将这些指令随后导入至CarSim仿真平台中以实现车辆路径跟踪为目标的操作过程。

需要注意的是,本文只是对基于MPC的轨迹跟踪控制方法的一种概述,在实际应用中还需考虑的因素更为复杂。因此,在实际系统中实施时需进一步细化和优化相应的控制算法以满足实际需求。

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