[發(fā)明專利]一種基于機(jī)會(huì)約束模型預(yù)測(cè)控制的無(wú)人車避障方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710403342.1
• 申請(qǐng)日: 2017-06-01
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107357168B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-12-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王祝萍;江厚杰;張皓;陳啟軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 同濟(jì)大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04;G05D1/02
• 代理公司: 31225 上海科盛知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 趙志遠(yuǎn)

1.一種基于機(jī)會(huì)約束模型預(yù)測(cè)控制的無(wú)人車避障方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)建立無(wú)人駕駛車輛的動(dòng)力學(xué)模型，描述無(wú)人駕駛車輛動(dòng)力學(xué)特征，無(wú)人駕駛車輛的動(dòng)力學(xué)模型為：

u＝δ_f

其中，x為狀態(tài)向量，u為輸入向量，為車身坐標(biāo)系下的橫向速度，為車身坐標(biāo)系下的縱向速度，為橫擺角，為橫擺角速度，為全局坐標(biāo)系下的橫向速度，為全局坐標(biāo)系下的縱向速度，δ_f為前輪轉(zhuǎn)角，a為質(zhì)心到前軸的距離，b為質(zhì)心到后軸的距離，C_cf為輪胎前輪側(cè)偏剛度、C_cr為輪胎后輪側(cè)偏剛度，m為車輛總質(zhì)量，I_z為車輛的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為橫向加速度，為橫擺加速度；

2)構(gòu)建模型預(yù)測(cè)控制最優(yōu)化問(wèn)題的代價(jià)函數(shù)和約束條件，關(guān)于目標(biāo)位置的代價(jià)函數(shù)為：

minE(h(ΔU,x(t|t),u(t-1|t)))

其中，E(·)表示期望，h(ΔU,x(t|t),u(t-1|t))為關(guān)于目標(biāo)位置的代價(jià)函數(shù)，x_goal為目標(biāo)位置，Q和R均為權(quán)重矩陣，Nc為控制時(shí)域的長(zhǎng)度，Np為預(yù)測(cè)時(shí)域的長(zhǎng)度，ΔU為控制輸入的增量向量，x(t|t)為當(dāng)前時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)，u(t-1|t)為上一時(shí)刻系統(tǒng)輸入，x(t+i|t)為在t時(shí)刻第i個(gè)預(yù)測(cè)時(shí)域的車輛狀態(tài)，Δu(t+i|t)為在t時(shí)刻第i個(gè)預(yù)測(cè)時(shí)域的控制增量；

模型預(yù)測(cè)控制最優(yōu)化問(wèn)題的代價(jià)函數(shù)為：

其中，J(ΔU,x(t|t),u(t-1|t))為優(yōu)化指標(biāo)，μ_i為在第i個(gè)預(yù)測(cè)時(shí)域車輛狀態(tài)信息所服從高斯分布的期望，

約束條件為：

x(t+i+1|t)＝Ax(t+i|t)+Bu(t+i|t)+d(t+i|t),i＝0,1,...N_p-1

x(t|t)～N(μ_t0,Σ_t0)

x_j～N(μ_j,Σ_j)

u(t+i|t)＝u(t+i-1|t)+Δu(t+i|t),i＝0,1,...N_c-1

ΔU(t)＝[Δu(t|t),Δu(t+1|t),…Δu(t+N_c-1|t)]^T

ρ_i,j,k∈{0,1},i∈Z_p,j∈Z_o,k∈Z_v

其中，t為時(shí)間，x(t+i|t)為在t時(shí)刻第i個(gè)預(yù)測(cè)時(shí)域的車輛狀態(tài)，為在t時(shí)刻第i個(gè)預(yù)測(cè)時(shí)域的控制輸入，為在t時(shí)刻第i個(gè)預(yù)測(cè)時(shí)域的控制增量，A、B和d為狀態(tài)空間矩陣，ρ_i,j,k為0-1變量，M為一足夠大的正數(shù)，Z_v為包含定義車身約束的編序的集合，Z_p為包含預(yù)測(cè)時(shí)域序列的集合，Z_o為包含障礙物序列的集合，i、j和k分別為集合Z_p、Z_o和Z_v的元素，s、f_k、b_k均為中間變量，F(xiàn)^-1(α)表示標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布累積函數(shù)的逆函數(shù)，α為給定的置信水平，障礙物位置信息x_j的不確定性描述為高斯分布N(μ_j,Σ_j)，Σ_i為在第i個(gè)預(yù)測(cè)時(shí)域車輛狀態(tài)信息所服從高斯分布的協(xié)方差，lh與lt分別表示車頭與車尾到質(zhì)心的縱向距離，w表示車輛寬度，μ_t0,Σ_t0為高斯分布N(μ_t0,Σ_t0)的均值和方差，μ_j、Σ_j為高斯分布N(μ_j,Σ_j)的均值和方差，n_Δu為控制輸入增量的數(shù)目，n_u為控制輸入的數(shù)目；

3)求解模型預(yù)測(cè)控制最優(yōu)化問(wèn)題，獲取無(wú)人車避障的最優(yōu)路徑。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于機(jī)會(huì)約束模型預(yù)測(cè)控制的無(wú)人車避障方法，其特征在于，所述的步驟2)中，將關(guān)于目標(biāo)位置的代價(jià)函數(shù)作為模型預(yù)測(cè)控制的代價(jià)函數(shù)，并將無(wú)碰撞機(jī)會(huì)約束作為約束條件。