一种基于预测控制的铰接车倒车路径跟踪控制方法及系统

本发明涉及无人驾驶车辆的运动控制，尤其涉及一种基于预测控制的铰接车倒车路径跟踪控制方法及系统。

背景技术：

1、铰接转向车辆通常可以简称为铰接车，考虑到铰接车是一种多约束系统，而模型预测控制能够有效处理系统约束，因此目前已有一些基于模型预测控制的铰接车路径跟踪控制研究成果(bai g,liu l,meng y,et al.path tracking of mining vehicles basedon nonlinear model predictive control[j].applied sciences,2019,9(7):1372；孟宇,甘鑫,白国星.基于预瞄距离的地下矿用铰接车路径跟踪预测控制[j].工程科学学报,2019,41(5):662-671.)。在这些研究成果中，模型预测控制器的控制点均为铰接车前桥中心，仅能完成前进时的路径跟踪控制，但是铰接车通常需要具有双向行驶的功能，现有研究成果未考虑倒车的情况，无法实现倒车时的路径跟踪控制。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于预测控制的铰接车倒车路径跟踪控制方法及系统，解决现有技术中基于模型预测控制的铰接车路径跟踪控制方法无法实现倒车路径跟踪控制的问题。

2、为解决上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：一种基于预测控制的铰接车倒车路径跟踪控制方法，其特征在于，步骤包括：

3、s1、构建铰接转向车双向行驶的硬件平台，将原铰接车的前桥作为事实上的后桥；

4、s2、构建倒车工况数学模型；

5、s3、基于硬件平台和倒车工况数学模型，对铰接转向车进行预测控制，完成基于预测控制的铰接车倒车路径跟踪控制。

6、优选地，步骤s1中，构建铰接转向车双向行驶的硬件平台，将原铰接车的前桥作为事实上的后桥，包括：

7、在铰接转向车辆中设置路径跟踪控制系统；

8、通过路径跟踪控制系统，将铰接转向车的参考路径前进方向设定为倒车行驶方向；

9、获取路径规划系统给出的航向角，将航向角进行对准处理。

10、优选地，将航向角进行对准处理，包括：

11、对路径规划系统给出的航向角，根据下述公式(1)进行处理：

12、

13、其中，θ表示航向角，下标p表示定位系统，下标ar表示事实上的后桥，下标ref表示参考值；

14、取原前桥航向角增加或减少180°，取其结果中与参考路径航向角的差值绝对值小于等于90°的作为后桥的航向角；

15、将定位系统给出的纵向速度、铰接角和铰接角速度同时取反方向。

16、优选地，步骤s2中，构建倒车工况数学模型，包括：

17、基于对前桥后桥的转变结果，以及铰接转向车前后桥的运动关系，获得如下述公式(2)的倒车工况数学模型：

18、

19、其中，x表示横坐标，y表示纵坐标，v表示纵向速度，γ表示铰接角，ω表示角速度，l表示车桥到铰接点的距离，下标of表示原前桥，下标or表示原后桥。

20、优选地，步骤s3中，基于硬件平台和倒车工况数学模型，对铰接转向车进行预测控制，包括：

21、采用具有多个预瞄点的非线性预测控制方法；

22、基于非线性预测控制方法，将铰接转向车辆倒车工况数学模型代入，获得预测模型；

23、将预测模型进行控制求解，将获得的铰接角速度取反，传递给被控的铰接车，实现倒车路径跟踪控制。

24、优选地，基于非线性预测控制方法，将铰接转向车辆倒车工况数学模型代入，包括：

25、将铰接转向车辆倒车工况数学模型带入非线性预测控制方法，得到如下述公式(3)的抽象模型：

26、

27、其中，

28、一种基于预测控制的铰接车倒车路径跟踪控制系统，系统用于上述的基于预测控制的铰接车倒车路径跟踪控制方法，系统包括：

29、平台构建模块，用于构建铰接转向车双向行驶的硬件平台，将原铰接车的前桥作为事实上的后桥；

30、数学模型构建模块，用于构建倒车工况数学模型；

31、预测控制模块，用于基于硬件平台和倒车工况数学模型，对铰接转向车进行预测控制，完成基于预测控制的铰接车倒车路径跟踪控制。

32、优选地，平台构建模块，用于在铰接转向车辆中设置路径跟踪控制系统；

33、通过路径跟踪控制系统，将铰接转向车的参考路径前进方向设定为倒车行驶方向；

34、获取路径规划系统给出的航向角，将航向角进行对准处理。

35、优选地，将航向角进行对准处理，包括：

36、对路径规划系统给出的航向角，根据下述公式(1)进行处理：

37、

38、其中，θ表示航向角，下标p表示定位系统，下标ar表示事实上的后桥，下标ref表示参考值；

39、取原前桥航向角增加或减少180°，取其结果中与参考路径航向角的差值绝对值小于等于90°的作为后桥的航向角；

40、将定位系统给出的纵向速度、铰接角和铰接角速度同时取反方向。

41、优选地，数学模型构建模块，用于基于对前桥后桥的转变结果，以及铰接转向车前后桥的运动关系，获得如下述公式(2)的倒车工况数学模型：

42、

43、其中，l表示车桥到铰接点的距离，下标of表示原前桥，下标or表示原后桥。

44、一方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由所述处理器加载并执行以实现上述基于预测控制的铰接车倒车路径跟踪控制方法。

45、一方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现上述基于预测控制的铰接车倒车路径跟踪控制方法。

46、上述技术方案，与现有技术相比至少具有如下有益效果：

47、上述方案，通过设置硬件平台、建立倒车工况下的铰接车数学模型、设计多预瞄点非线性模型预测控制算法，可以解决现有基于模型预测控制的铰接车路径跟踪控制系统无法完成倒车路径跟踪控制的问题，相比在后桥增加定位系统的技术方案成本较低。

技术特征：

1.一种基于预测控制的铰接车倒车路径跟踪控制方法，其特征在于，方法步骤包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s1中，构建铰接转向车双向行驶的硬件平台，将原铰接车的前桥作为事实上的后桥，包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将所述航向角进行对准处理，包括：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤s2中，构建倒车工况数学模型，包括：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤s3中，基于所述硬件平台和所述倒车工况数学模型，对所述铰接转向车进行预测控制，包括：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于所述非线性预测控制方法，将铰接转向车辆倒车工况数学模型模型代入，获得预测模型，包括：

7.一种基于预测控制的铰接车倒车路径跟踪控制系统，其特征在于，所述系统用于如权利要求1～6任意一项所述的基于预测控制的铰接车倒车路径跟踪控制方法，所述系统包括：

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述平台构建模块，用于在所述铰接转向车辆中设置路径跟踪控制系统；

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述将所述航向角进行对准处理，包括：

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述数学模型构建模块，用于基于对前桥后桥的转变结果，以及铰接转向车前后桥的运动关系，获得如下述公式(2)的倒车工况数学模型：

技术总结
本发明提供一种基于预测控制的铰接车倒车路径跟踪控制方法及系统，涉及无人驾驶车辆的运动控制技术领域，包括：构建铰接转向车双向行驶的硬件平台，将原铰接车的前桥作为事实上的后桥；构建倒车工况数学模型；基于硬件平台和所述倒车工况数学模型，对铰接转向车进行预测控制，完成基于预测控制的铰接车倒车路径跟踪控制。本发明通过设置硬件平台、建立倒车工况下的铰接车数学模型、设计多预瞄点非线性模型预测控制算法，可以解决现有基于模型预测控制的铰接车路径跟踪控制系统无法完成倒车路径跟踪控制的问题，相比在后桥增加定位系统的技术方案成本较低。

技术研发人员：白国星,陈善耀,孟宇,顾青,刘立,杨欣
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22