基于MPC的半挂牵引车横向运动控制研究
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摘 要：近些年来，随着高级辅助驾驶系统（ADAS）在商用车领域的逐渐兴起，为实现车道保持辅助系统（LKAS）及无人驾驶等，对车辆的横摆运动控制要求也越来越高。文章基于模型预测控制（MPC）算法，设计了一种用于半挂牵引车循迹的车辆前轮转角控制算法。最后通过Trucksim与Matlab联合仿真，实现了不同车速下对双移线路径的良好循迹。
关键词：横摆动力学;模型预测控制;联合仿真
中图分类号：U471.15 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2019）12-45-04
Abstract： In recent years， with the gradual rise of Advanced driver assistance system（ADAS） in commercial vehicle field， in order to implement Lane Keeping Assistance System（LKAS） and autonomous vehicle ect， the requirements for vehicle yaw motion control are also getting higher and higher. Based on the model predict control（MPC） algorithm， this paper proposed an algorithm to control the front wheel angle of semi-trailer tractor tracking. Finally， Under the operation conditions of double lane change， co-simulation of Trucksim and Matlab ， the results show that the tracking effect is good.
Keywords： yaw motion dynamic; model predictive control; co-simulation
CLC NO.： U471.15 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2019）12-45-04
前言
隨着我国物流业的飞速发展，物流市场日趋繁荣，半挂牵引车由于其高效性及较低的吨公里油耗，成为了中长途公路运输的绝对主力。而随着LKAS等高级驾驶辅助系统在商用车领域的逐渐兴起，对车辆主动转向的控制要求也越来越高。
本文的主要内容是MPC算法在半挂牵引车转向控制策略中的应用研究。
1 被控对象建模
本文基于Trucksim建立车辆多体动力学模型用于被控对象的仿真，按照整车实际状态及参数对模型的整车质量、惯量及尺寸参数、空气动力学参数，悬架结构尺寸参数及K&C特性参数，轮胎参数，转向系统传动比参数等进行设定，建立的动力学模型如上图所示。
2 控制策略的理论依据
2.1 模型预测控制简介
典型的模型预测控制过程主要包含以下三个步骤：
（1）预测模型：根据已有的模型、系统当前的状态和未来的控制量去预测未来的输出。
（2）滚动优化：输出的长度是控制周期的整数倍，通过优化条件进行优化求解，得到未来的控制量序列。
（3）反馈校正：每一个控制周期结束后，系统根据当前实际状态重新预测系统未来输出[1]。
MPC工作原理可由上图表示：
控制器结合当前时刻k的测量值和预测模型，预测未来一段时域内[k，k+Np]（Np即预测时域）系统的输出，通过求解满足目标函数以及各种约束的优化问题，得到在控制时域内的一组最优控制序列，并将该控制序列的第一个元素作为受控对象的实际控制量，来到下一个时刻k+1时，重复上述过程。可见MPC中每次起作用的只是当前状态下最优控制序列的第一个值，其余值是为了对未来状态的有效预测而给出的，并不直接参与当前时刻控制量的输出。
模型预测控制中有两个关键核心参数即控制步长Nc和预测步长Np，传统观念上会认为预测的步长越大越好，实际控制过程中笔者发现预测周期过长不仅显著增加了计算任务量导致结果输出变慢，同时由于预测模型的误差累计原因，当Np，Nc超过一定阈值时其循迹效果反而出现了下降。所以对被控对象进行合理简化并建立预测模型是影响控制效果的决定性因素。
2.2 模型预测控制的应用
2.2.1 预测模型建立
半挂牵引车是一个多连接形式、非常复杂的多自由度空间运动系统。本文是车辆在横向受力、运动基础上建立单轨双质心数学模型，建立的模型基于以下规则进行简化和假设：
（1）根据1/2模型的单轨特性，在前、后轴中心分别作用一个轴载荷。
（2）汽车做小曲率运动，车轮转向角和侧偏角都较小。
（3）侧偏角在小于5度的范围内，轮胎侧偏特性处于线性范围，即侧偏刚度为常数。
（4）牵引车与半挂车为两个相互耦合的刚体。
（5）将由于悬架侧倾引起的车轮侧倾转向角、因转向系和悬架导向杆系弹性造成的侧向力转向角与轮胎本身的侧偏角一同视为前轮或后轮的综合侧偏角，从而可以将悬架和转向系弹性的影响包含在前、后轮的侧偏刚度中。
4 总结与展望
（1）通过仿真结果可知基于MPC的控制算法对速度具有良好的鲁棒性。
（2）未来对半挂牵引车转向时挂车摆动幅值特性进行分析，提升车辆控制的准确性及安全性。
参考文献
[1] 龚建伟，姜岩，徐威.无人驾驶车辆模型预测控制[M].北京：北京理工大学出版社，2014.
[2] 刘宏飞.半挂汽车列车横摆动力学仿真及控制策略研究[D].长春：吉林大学，2005.
[3] 龙致宇.基于Trucksim的半挂汽车列车侧翻控制算法的研究[D].南宁：广西大学，2014.
[4] 孙银健.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[D].北京：北京理工大学，2015.
[5] Yiqi Gao，Model Predictive Control for Autonomous and Semiautono -mous Vehicles[D].University of California， Berkele，2014.
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