[發明專利]基于并行牛頓求解的車輛橫縱耦合非線性模型預測控制器

有效

• 申請號: 202011381810.8
• 申請日: 2020-12-01
• 公開（公告）號: CN112462612B
• 公開（公告）日: 2021-11-30
• 發明（設計）人: 許芳;張君明;郭中一;曲逸;陳虹
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 北京華際知識產權代理有限公司 11676
• 代理人: 俞璇

本發明公開了基于并行牛頓求解的車輛橫縱耦合非線性模型預測控制器,控制器由車輛3自由度動力學模型得到橫縱耦合的非線性控制模型，采用前輪轉向角與前后輪驅動力作為控制量，根據模型預測控制算法，考慮車輛物理約束并構造代價函數。本發明主要針對車輛路徑跟蹤控制問題，利用車輛動力學得到橫縱耦合的控制模型，以此模型設計非線性模型預測控制器，利用并行牛頓法實現非線性控制器的快速求解。車輛橫縱耦合路徑跟蹤非線性模型預測控制器，是通過車輛三自由度動力學模型推導得出，考慮了橫縱向間的相互影響，以此模型設計非線性預測控制器，保留了車輛系統的非線性，保證了模型精度。

技術領域

本發明涉及智能車輛自動駕駛領域的橫縱向耦合控制系統及其快速計 算方法，具體涉及基于并行牛頓求解的車輛橫縱耦合非線性模型預測控制 器。

背景技術

自動駕駛系統主要包括三個部分：感知、規劃和控制，其中，車輛路 徑跟蹤控制系統作為核心環節之一，具有很強的研究意義與應用價值。路 徑跟蹤控制根據規劃系統給定的期望行駛路徑和車輛實時反饋的狀態信 息，通過控制相應的底盤執行器，實現對期望路徑的精確跟蹤。因此，如 何設計控制器，使車輛能夠快速的實現對期望路徑的跟蹤，保證實時性的 同時，盡可能更多的包含車輛的動態特性，從而滿足更多行駛工況的需求， 一直是車輛路徑跟蹤控制中需要重點考慮的核心問題。針對車輛路徑跟蹤 控制，主要有以下問題：

1.車輛系統的結構復雜，尤其是在復雜的極限工況下，表現出強非線 性、多維運動高度耦合等特點，基于車輛線性模型建立的控制器忽略了很 多動態特性，難以滿足系統的控制精度需求。

2.基于車輛非線性模型設計的模型預測控制器雖然保留了車輛的非 線性與動態特性，但是卻造成了很大的計算負擔。傳統的求解方法，由于 狀態量間的耦合關系，導致預測時域內的求解無法獨立，需要整體計算， 隨著預測時域的增大，求解時間難以滿足系統的實時性要求。

發明內容

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供基于并行 牛頓求解的車輛橫縱耦合非線性模型預測控制器。

技術方案：為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

基于并行牛頓求解的車輛橫縱耦合非線性模型預測控制器，所述控制 器由車輛3自由度動力學模型得到橫縱耦合的非線性控制模型，采用前輪 轉向角與前后輪驅動力作為控制量，根據模型預測控制算法，考慮車輛物 理約束并構造代價函數；

由KKT條件將待求解優化問題轉換為非線性等式方程，通過解除預測 時域內每個待求方程間的耦合關系，實現預測時域內所有待求等式的并行 計算，獲得控制量作用于車輛系統，實現對期望路徑的快速跟蹤；所述控 制器采用非線性車輛3自由度動力學模型、路徑跟蹤非線性模型預測控制 器模塊和基于并行牛頓法的非線性預測控制快速求解模塊構成。

優選地，所述橫縱耦合的非線性控制模型采用軟件系統完成，軟件系 統為Matlab/Simulink高級仿真軟件組成。

優選地，所述非線性車輛3自由度動力學模型保留橫縱向耦合的動力 學特性，為模型預測控制器提供符合要求的預測模型。

優選地，所述路徑跟蹤非線性模型預測控制器模塊是對車輛系統模型 的狀態信息進行采集，經過優化求解得到控制信號：前輪轉角和前后輪驅 動力，并將得到的控制信號作用于車輛系統。

優選地，所述基于并行牛頓法的非線性預測控制快速求解模塊是控制 器中的優化求解部分，通過解除相鄰預測時域內狀態量的耦合關系，加速 控制器的求解過程，提高控制器的實時性。

有益效果：本發明，有益效果如下：