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第1章 无人驾驶车辆与模型预测控制1

1.1 无人驾驶车辆1

1.1.1 无人车辆通用概念1

1.1.2 考虑乘坐舒适性的无人驾驶车辆4

1.2 路径跟踪与轨迹跟踪5

1.2.1 路径规划与轨迹规划5

1.2.2 路径跟踪与轨迹跟踪6

1.3 模型预测控制在无人驾驶车辆运动规划与控制中的应用6

1.3.1 运动规划算法的模型约束7

1.3.2 轨迹跟踪控制的模型约束11

1.4 本书内容与结构说明16

第2章 车辆运动学与动力学建模18

2.1 车辆运动学建模及验证18

2.1.1 车辆运动学建模19

2.1.2 车辆运动学模型验证20

2.2 车辆动力学建模及验证22

2.2.1 车辆单轨模型22

2.2.2 轮胎模型25

2.2.3 小角度假设下的车辆动力学模型33

第3章 模型预测控制算法基础与仿真分析36

3.1 基本理论36

3.1.1 生活中的启示36

3.1.2 控制理论中的描述38

3.2 一个简单的实例40

3.3 线性时变模型预测控制算法45

3.3.1 问题描述45

3.3.2 非线性系统线性化方法49

3.3.3 工程实例50

3.4 非线性模型预测控制算法59

3.4.1 问题描述59

3.4.2 非线性模型预测控制的数值解法60

3.4.3 工程实例61

3.5 线性约束下的二次型规划控制算法66

3.5.1 线性约束转化为LQR问题66

3.5.2 LQR在无人驾驶车辆路径跟踪中的应用67

3.5.3 LQR进行路径跟踪的工程实例69

3.5.4 小结73

第4章 给定轨迹的轨迹跟踪控制74

4.1 问题的描述74

4.2 基于运动学模型的轨迹跟踪控制器设计76

4.2.1 车辆运动学建模76

4.2.2 目标函数设计78

4.2.3 约束条件设计79

4.3 仿真平台概述81

4.3.1 CarSim软件介绍82

4.3.2 Simulink/CarSim联合仿真平台83

4.4 仿真实例85

4.4.1 CarSim与Simulink联合仿真86

4.4.2 基于MPC的轨迹跟踪控制器的设计99

4.5 基于运动学模型的轨迹跟踪仿真结果分析105

第5章 基于动力学模型的无人驾驶车辆主动转向控制110

5.1 理论基础111

5.1.1 线性误差方程111

5.1.2 约束条件建立113

5.1.3 模型预测控制器设计115

5.2 联合仿真平台搭建116

5.2.1 在CarSim中建立车辆模型116

5.2.2 控制程序编写117

5.3 仿真验证129

5.3.1 参考轨迹选择129

5.3.2 不同仿真工况下的仿真结果130

第6章 加入规划层的轨迹跟踪控制134

6.1 结合规划层的轨迹跟踪控制系统134

6.2 基于MPC的轨迹规划器136

6.2.1 参考点的选择137

6.2.2 避障功能函数138

6.2.3 5次多项式轨迹拟合139

6.2.4 非线性二次规划计算141

6.3 基于MPC的路径跟踪控制器149

6.4 不同车速下的跟踪控制仿真实例验证159

6.4.1 车辆参数设置160

6.4.2 仿真工况设置160

6.4.3 CarSim/Simulink联合求解163

第7章 航向跟踪预估控制算法171

7.1 概述171

7.2 二自由度无人驾驶车辆动力学模型172

7.3 航向预估算法原理173

7.4 PID控制算法175

7.5 仿真结果175

7.5.1 航向阶跃响应仿真176

7.5.2 路径偏差阶跃响应仿真177

7.6 实验结果178

7.6.1 实验1——航向阶跃实验178

7.6.2 实验2——航向连续跟踪实验179

7.6.3 实验3——航向预估算法在路径跟踪控制中的应用180

附录A CarSim 8.02应用高版本Matlab184

符号表187

参考文献191