基于MPC理论的电动汽车自动驾驶速度控制研究

简介：
本研究探讨了运用模型预测控制(MPC)理论于电动汽车自动驾驶系统中，特别聚焦于优化车辆的速度控制策略，以实现高效能、安全驾驶。通过建立精确的动力学模型和设计高效的算法框架，旨在解决复杂交通环境下的动态路径规划及速度调整问题，提高自动驾驶系统的适应性和响应能力。 ### 基于MPC理论的自动驾驶电动汽车速度控制研究 #### 一、研究背景与目的 随着汽车行业的快速发展，智能化已成为未来汽车发展的重要方向之一。其中，速度控制作为自动驾驶汽车的一项关键技术，对于确保车辆行驶的安全性起着至关重要的作用。本研究针对自动驾驶电动汽车的速度控制问题进行了深入探讨，旨在通过模型预测控制(MPC)原理，结合纵向动力学简化模型和CarSim整车模型，设计一种有效的速度控制策略，并通过仿真验证其有效性。 #### 二、纵向动力学仿真模型的建立 为了更好地理解电动汽车在不同工况下的动态特性，研究人员首先建立了自动驾驶电动汽车的纵向动力学仿真模型。该模型包括两部分： 1. **MatlabSimulink环境下的纵向动力学简化模型**：这一模型主要关注车辆的基本动力学行为，如加速度、减速度等，用于快速评估不同的控制策略。 2. **CarSim环境下的整车动力学模型**：这是一种更复杂的模型，可以模拟整个车辆的行为，包括轮胎与路面的相互作用、车辆稳定性等，用于更精确的仿真测试。 通过对实际车辆数据与仿真结果进行对比，验证了这些模型的准确性，为后续的研究奠定了坚实的基础。 #### 三、车速控制系统的整体框架设计 为了实现不同行驶工况下的车速准确控制，研究者采用了分层式结构来设计控制系统。具体而言： 1. **上层控制器**：根据目标车速决策出期望加速度。这一步骤综合考虑了安全性、舒适性、经济性和跟随性等关键因素，并将这些指标融入到MPC模型预测优化控制算法中，从而建立了一个目标函数，并求解出汽车行驶的期望加速度。 2. **下层控制器**：其任务是使汽车的实际加速度能够跟踪上层控制器输出的期望加速度。这一步骤包括接收加速度信号，并通过逆纵向动力学模型计算出实现期望加速度所需的驱动电机转矩和制动压力。 这种分层设计不仅提高了系统的灵活性，还确保了各个层次之间的有效协调。 #### 四、仿真验证 最终，研究人员基于MatlabSimulink与CarSim联合仿真平台搭建了电动汽车速度控制系统，并针对六种典型的纵向行驶工况进行了仿真验证。仿真结果显示： - **车速稳态误差**：在0.014~0.446km/h之间，证明了车速控制算法具有较高的精度。 - **行驶安全性**：自车与前车始终保持一定安全距离，满足行驶安全性要求。 - **经济性能**：加速度最值在-3.9~3.2m/s²之间，符合经济性能指标的需求。 - **舒适性**：加速度变化率绝对值最值在1~3.8m/s³之间，表明行车过程较为平缓。 本段落提出的车速控制算法不仅能够实现对目标车速的良好跟随，而且还能确保一定的安全性、舒适性和经济性，为未来自动驾驶电动汽车的发展提供了有力的支持和技术参考。