基于模型预测控制的无人驾驶车辆轨迹跟踪控制算法研究 .pdf

基于模型预测控制的无人驾驶车辆轨迹跟踪控制算法研

究

摘要:

无人驾驶技术的发展为汽车领域带来了重大的革新，使得自动

驾驶汽车逐渐成为现实。在无人驾驶领域，轨迹跟踪是关键技

术之一，它是无人驾驶车辆实现准确而安全的驾驶的基础。本

文旨在研究基于模型预测控制的无人驾驶车辆轨迹跟踪控制算

法，通过分析和比较不同控制策略，提出一种高效且可靠的控

制算法，为无人驾驶车辆的轨迹跟踪提供理论支持。

一、引言

随着计算机技术的不断发展和智能交通系统的广泛应用，无人

驾驶技术逐渐走入人们的视野。无人驾驶车辆是一种不需要人

工干预就能自主行驶的汽车，其核心是通过自动感知、决策和

控制系统来实现道路行驶。轨迹跟踪控制是无人驾驶车辆实现

高精度、稳定和安全行驶的关键技术之一。

二、基于模型预测控制的无人驾驶车辆轨迹跟踪控制算法

模型预测控制（MPC）是一种优化控制方法，通过对动力学模

型进行离散化来预测未来一段时间内的系统行为，并以此为依

据进行最优控制策略的选择。在无人驾驶车辆的轨迹跟踪控制

中，采用MPC算法可以实现对车辆动态特性的精确建模，进而

进行轨迹跟踪控制。

1.车辆动力学模型的建立

为了实现精确的轨迹跟踪，需要准确建立车辆的动力学模型。

一般来说，车辆可以看作是一个多输入多输出的非线性系统，

其运动方程可以用状态空间模型表示。通过分析车辆的动力学

特性和运动学特性，可以建立相应的状态空间模型。

2.MPC控制器设计

在利用MPC控制算法进行无人驾驶车辆轨迹跟踪时，首先需要

确定控制目标，即期望的车辆轨迹。然后，根据车辆动力学模

型，预测未来一段时间内的车辆行驶情况，并以此为基础进行

控制策略的选择。最后，通过对控制信号的优化求解，得到最

优的控制策略。

3.控制策略的实时求解

为了实现实时的轨迹跟踪控制，需要对控制策略进行实时求解。

在实际应用中，可以使用数值优化算法，如线性规划或二次规

划，来求解MPC控制器中涉及的优化问题。通过合适的算法选

择和参数调节，可以实现控制策略的快速求解和实时实施。

三、算例模拟与分析

为了验证基于模型预测控制的无人驾驶车辆轨迹跟踪控制算法

的有效性和实用性，进行了算例模拟与分析。在模拟实验中，

选取一段复杂的道路轨迹作为参考轨迹，通过MPC控制器控制

无人驾驶车辆进行轨迹跟踪。通过对比不同控制策略的跟踪误

差和实时性能指标，验证了基于模型预测控制的算法在轨迹跟

踪控制中的优势。

四、结论

本文研究了基于模型预测控制的无人驾驶车辆轨迹跟踪控制算

法，并进行了算例模拟与分析。结果表明，该算法能够实现准

确、稳定和安全的无人驾驶车辆轨迹跟踪控制，并具有良好的

实时性能。未来的工作可以进一步优化算法细节，提高控制精

度和实时性能，同时应用于实际无人驾驶车辆系统，并结合其

他技术进行深入研究和探索。

随着无人驾驶技术的不断发展和应用，针对无人驾驶车辆

的轨迹跟踪控制成为一个重要的研究方向。在实际行驶过程中，

无人驾驶车辆需要根据给定的轨迹实现精确的跟踪控制，确保

车辆安全稳定地行驶。基于模型预测控制的算法为解决这一问

题提供了一种有效的解决方案。

首先，无人驾驶车辆的轨迹跟踪控制问题可以建模为一个

优化问题。基于模型预测控制算法通过建立车辆的动力学模型

和预测模型，利用最优控制理论求解出最优的控制策略。在这

个过程中，需要确定车辆的状态变量、输入变量和模型约束条

件。通过对车辆动力学模型的建立和相关参数的调节，可以得

到满足行驶要求的控制策略。

其次，在实际应用中，为了实现实时的轨迹跟踪控制，需

要对控制策略进行实时求解。可以使用数值优化算法，如线性

规划或二次规划，来求解MPC控制器中涉及的优化问题。通过

合适的算法选择和参数调节，可以实现控制策略的快速求解和

实时实施。

为了验证基于模型预测控制的无人驾驶车辆轨迹跟踪控制

算法的有效性和实用性，进行了算例模拟与分析。在模拟实验

中，选取一段复杂的道路轨迹作为参考轨迹，通过MPC控制器

控制无人驾驶车辆进行轨迹跟踪。通过对比不同控制策略的跟

踪误差和实时性能指标，验证了基于模型预测控制的算法在轨

迹跟踪控制中的优势。

综上所述，本文研究了基于模型预测控制的无人驾驶车辆

轨迹跟踪控制算法，并进行了算例模拟与分析。结果表明，该

算法能够实现准确、稳定和安全