[发明专利]一种基于模型预测控制的半挂汽车列车的路径跟踪方法

说明书

本发明公开了一种基于模型预测控制的半挂汽车列车的路径跟踪方法，第一步，建立车辆道路关系模型；第二步，建立半挂车运动学模型和半挂汽车列车三自由度动力学模型；第三步，采用模型预测方法设计半挂汽车列车路径跟踪控制器；第四步，求解约束优化问题并执行；本发明建立了半挂汽车列车路径跟踪控制器，可预测半挂车的运行状态，相对于人为驾驶，不存在由于牵引车和半挂车的铰接结构导致的驾驶员对半挂车运动状态反应迟钝的问题，反应速度更快，提高了半挂汽车列车的安全性；本方法的控制目标中，通过加入侧向位移偏差较小和控制量较小的控制目标，可一定程度避免半挂车的侧向加速度过大，降低半挂汽车列车侧翻的可能性。

技术领域

本发明属于自主驾驶技术领域，涉及一种半挂汽车列车的路径跟踪控制方法，具体涉及一种基于模型预测控制的半挂汽车列车的路径跟踪方法。

背景技术

半挂汽车列车由于其高效率和低成本而被广泛应用于全世界的物流运输中。随着无人码头的出现和物流业的迅猛发展，人们提出了对更高效更安全的物流运输的需求。同时，无人驾驶技术的发展为提高半挂汽车列车的运输效率和安全性带来了新的机遇。由于不需要驾驶员而且可以长期不间断工作，无人驾驶半挂汽车列车在提高物流运输效率方面具有很大优势。然而，关于自动驾驶半挂汽车列车的路径跟踪的研究很少。同时，牵引车与半挂车之间复杂的耦合运动也给自动驾驶半挂汽车列车的路径跟踪带来了困难。

发明内容

本发明提供了一种基于模型预测控制的半挂汽车列车的路径跟踪方法，通过控制牵引车前轮转角实现半挂车的路径跟踪保证半挂车不和道路边界碰撞的问题。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于模型预测控制的半挂汽车列车的路径跟踪方法，半挂汽车列车由牵引车和半挂车组成，牵引车和半挂车通过第五轮铰接，本方法在考虑半挂汽车列车运动学约束和执行机构物理约束的条件下，使半挂车尽可能沿着道路中心线行驶，同时尽可能减小执行机构的控制动作达到节能目的，其特征在于，本方法具体步骤如下：

步骤一、建立车辆道路关系模型：

建立大地坐标系，原点O固结于当前时刻半挂车质心o₂所处位置，X轴指向当前时刻半挂车车身正前方，X轴沿逆时针方向旋转90度的方向为Y轴正方向；

f(x)为大地坐标系中的道路中心线；f_l(x)为大地坐标系中的道路左边界线； f_r(x)为大地坐标系中的道路右边界线；因为半挂车的实际运行状态较复杂，所以简化对半挂车运动状态的描述，忽略半挂车的垂向运动和道路的垂向形状，把半挂车看作半挂车质心o₂，把大地坐标系中的道路左边界线f_l(x)和大地坐标系中的道路右边界线f_r(x)向内缩减半挂车宽度w₂的一半，f’_l(x)为简化后的大地坐标系中的道路左边界线；f’_r(x)为简化后的大地坐标系中的道路右边界线；简化后的大地坐标系中的道路边界线、大地坐标系中的道路中心线和原大地坐标系中的道路边界线的关系如式(1)所示：

式中大地坐标系中的道路中心线f(x)、大地坐标系中的道路左边界线f_l(x)和大地坐标系中的道路右边界线f_r(x)通过车载视觉传感器获得；

由于半挂车长度l₂远大于牵引车长度l₁，半挂汽车列车路径跟踪的主要目的是保证半挂车质心o₂在简化后的大地坐标系中的道路左边界线f’_l(x)和简化后的大地坐标系中的道路右边界线f’_r(x)内跟踪大地坐标系中的道路中心线f(x)；因此，半挂汽车列车路径跟踪的运动学约束如式(2)所示：