無人駕駛——4.控制之MPC模型預測控制


源自:《無人駕駛無人駕駛車輛模型預測控制》——龔建偉

參考:https://wenku.baidu.com/view/8e4633d519e8b8f67c1cb9fa.html

0.車輛模型

汽車的車輪轉角為δf

分別做垂直於后輪和前輪的射線,這兩根射線會交於O點,兩輪模型會繞O點進行運動,在短時間dt內,可以認為O點不動。連接O點和汽車的質心成一條線段,實際汽車的運動方向v將垂直於該線段。運動方向ψ與車身方向所成的夾角β,這個角度一般稱為偏航角。

β 可以由如下公式計算求得

假設t時刻的汽車的狀態為xt,yt,經過dt時間后的t+1時刻,狀態為xt+1,yt+1,則他們之間的關系為

 

根據以上理論即可在丟失定位信息后的短時間內,依靠自身的傳感器信息,進行位置和位姿估計。

1.基本原理

 已知(輸入):一條期望參考軌跡;當前k時刻的測量值;

設計:預測模型

目標:預測未來一段時域內[k,k+Np],系統的輸出

 方法:對這段時域內施加一系列控制序列4(k+1時刻的值為實際控制量)

 

總結起來就是:預測模型;滾動優化;反饋校正

 

 2.控制原理框圖

控制過程:

  • 預測模型+目標函數+約束條件——>最優控制序列——>被控平台
  • 被控平台響應
  • 獲取狀態觀測值x(t)——>狀態估計器(卡爾曼濾波器、粒子濾波等)——>回到第一步,循環

 

 3.常用模型

3.1 動態矩陣控制DMC

3.2 模型算法控制MAC

3.3 廣義預測控制GPC

 4.模型算法控制 MAC

參考:https://www.cnblogs.com/yrm1160029237/p/10087315.html

http://www.docin.com/p-1186007480.html

目的:使系統的輸出沿着預先給定的參考軌跡逐漸到達設定值。

算法組成:預測模型、反饋校正、參考軌跡、滾動優化

其預測模型輸出由兩部分組成:過去已知控制量產生的預測模型輸出、由現在和未來控制量產生的預測模型輸出。

4.1 MAC算法原理圖

 

 

 4.2 MAC在線計算程序流程圖

 

 

1.模型

  •  預測模型:

,P-預測時域;

假設:

,M—控制時域

 

於是,P步預測值:

 

 從而:

  • 反饋校正

當前過程的測量值-模型計算值的差,來修正:

  • 設定值(目標點)跟蹤——>參考軌跡

 

  • 最優控制

 

5.動態矩陣控制 DMC

算法組成:階躍響應模型預測、反饋校正、滾動優化

其預測模型輸出由兩部分組成:待求解的未知控制增量產生的輸出值、過去控制量產生的已知輸出初值。

DMC算法原理圖:

 

 

DMC在線計算程序流程圖:

 

 

MPC算法的特點
模型要求不高,不需要深入的了解過程內部機理;

適用約束條件、大純滯后、非最小相位及非線性等過程;

滾動優化策略能彌補外部因素引起的不確定性,動態性能較好;

缺點:不能描述不穩定系統,不適用於不穩定對象;系統模型在線辨識比較困難。

參考:https://blog.csdn.net/sinat_41842926/article/details/82995065

6.滾動優化

參考:https://blog.csdn.net/AdamShan/article/details/79083755

 

7.反饋校正

7.1 KF/EFK

 

7.2 粒子濾波

 


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