基于LQR設(shè)計(jì)ACC控制器并實(shí)現(xiàn)閉環(huán)仿真
ACC自適應(yīng)巡航控制是經(jīng)典巡航控制的擴(kuò)展，在現(xiàn)代車輛中廣泛使用，自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)期初主要應(yīng)用于飛機(jī)的巡航行駛中，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)階段ACC功能被廣泛用于商用車和卡車中。
自適應(yīng)巡航控制（ACC）系統(tǒng)又稱主動(dòng)巡航控制系統(tǒng)，是在傳統(tǒng)定速巡航控制基礎(chǔ)上結(jié)合了車距保持功能，利用車載傳感器探測前方行駛環(huán)境，通過控制節(jié)氣門和制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整車速，提高駕駛舒適性和安全性。
ACC系統(tǒng)由環(huán)境感知、控制決策、底層執(zhí)行和人機(jī)交互四個(gè)基礎(chǔ)模塊組成。感知模塊由毫米波雷達(dá)、攝像頭等傳感器組成，通過雷達(dá)和攝像頭數(shù)據(jù)融合，感知周邊障礙物信息以及可通行區(qū)域信息；控制決策根據(jù)感知信息，決策所需要的控制指令，向底層執(zhí)行模塊發(fā)出指令，控制車輛制動(dòng)系統(tǒng)來完成自適應(yīng)跟車和自動(dòng)緊急剎車。
ACC系統(tǒng)架構(gòu)
ACC分為巡航和跟車模式，巡航模式的控制目標(biāo)比較明確且單一，即以達(dá)到駕駛?cè)藛T所設(shè)定需要達(dá)到的速度，并以預(yù)設(shè)速度穩(wěn)定勻速行駛為最終目的；跟車模式的控制趨于多元化、精細(xì)化，增加了ACC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，也是眾多學(xué)者目前研究的重點(diǎn)對象。
ACC系統(tǒng)跟車模式控制形式包括直接式控制和分層控制，直接式控制通過傳感器獲得的信息由決策算法直接計(jì)算出節(jié)氣門開度或者制動(dòng)力，從而控制車輛行駛；分層控制包含上層控制和下層控制，即決策層和控制層，決策層根據(jù)獲得的周圍信息和行車狀態(tài)信息結(jié)合間距策略得到期望加速度，并將其作用于控制層，控制層的作用則是通過加速度計(jì)算出節(jié)氣門開度或者制動(dòng)力來控制車輛按照期望間距行駛。目前多采用分層控制，抗干擾能力強(qiáng)，便于調(diào)整參數(shù)和系統(tǒng)調(diào)試。
ACC主要功能作用
1.代替駕駛員進(jìn)行操作，減輕駕駛員的負(fù)擔(dān)和失誤操作幾率；
2.提高駕駛舒適性，減少駕駛員的疲勞感，從而減少交通事故的發(fā)生，提高行車安全性；
3.減少駕駛員因?yàn)樽⒁饬Σ患幸鸬幕艁y加減速；
4.提前設(shè)定好行車的安全時(shí)距離，提高行車道路的利用率，緩解交通壓力。
ACC主要控制算法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)
ACC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)
1.?彎道的目標(biāo)誤報(bào)和漏報(bào)
在彎道處，傳感器檢測結(jié)果誤把彎道處其他車道的車輛當(dāng)成目標(biāo)，做出減速的操作；或者是在同一車道線內(nèi)，傳感器卻未識別到彎道處的車輛，而出現(xiàn)誤加速的情況。實(shí)際工程情況一般出現(xiàn)在掉頭，拐彎的時(shí)候，突然加速或是減速。
2.?舒適性與安全性的兼顧
車輛在本車道正常行駛時(shí)，其他車輛突然變道至本車道前方，出現(xiàn)在ACC目標(biāo)檢測范圍內(nèi)，導(dǎo)致車輛突然減速或剎車；本車輛換道過程中，ACC前方參照目標(biāo)更改，導(dǎo)致突然加速再減速的情況。這在實(shí)際駕駛復(fù)雜的加塞交通情況下不停地出現(xiàn)剎車/減速，會極大地影響駕駛的的安全性和舒適性。（參照圖3難點(diǎn)2）
在實(shí)際設(shè)計(jì)ACC系統(tǒng)時(shí)就需要考慮實(shí)際的工況因素，考慮車輛切入與切出的實(shí)際交通情況以及車輛運(yùn)動(dòng)軌跡的預(yù)測和動(dòng)態(tài)速度設(shè)置問題，來設(shè)計(jì)ACC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛自適應(yīng)巡航的智能輔助功能。
ACC的主要控制算法
ACC系統(tǒng)主要控制算法有PID控制、最優(yōu)控制、滑膜控制、模糊控制和模型預(yù)測控制。
PID控制是經(jīng)典的控制算法之一。是工程中應(yīng)用最成熟的，也是使用最廣的的控制器，在ACC系統(tǒng)定速巡航模式和跟車模式方面都有研究。
最優(yōu)控制理論，在滿足一定約束條件下尋找最優(yōu)控制律，使目標(biāo)函數(shù)取極大值或極小值。在ACC的設(shè)計(jì)中需要綜合考慮安全性、跟車性等多個(gè)相互矛盾的控制目標(biāo)所組成的目標(biāo)函數(shù)，以及目標(biāo)函數(shù)在考慮間距、車輛本身?xiàng)l件等約束下求得的最優(yōu)控制率，是典型的最優(yōu)控制問題。本次課程設(shè)計(jì)ACC控制器也是基于最優(yōu)控制LQR算法來實(shí)現(xiàn)的。
滑膜控制，具有靈活、響應(yīng)快、對參數(shù)變化和干擾不靈敏等特點(diǎn)，是一類控制不連續(xù)的非線性控制。SMC對于解決ACC系統(tǒng)的干擾、系統(tǒng)時(shí)滯等問題有重要意義。
模糊控制，不需要精確的模型，是將多年操作經(jīng)驗(yàn)或?qū)＜医?jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為模糊規(guī)則，通過將輸入的信號進(jìn)行模糊處理作為系統(tǒng)的輸入，以模糊規(guī)則作為參考，利用系統(tǒng)輸入完成模糊推理，進(jìn)行模糊處理作為系統(tǒng)輸出。
模型預(yù)測控制（MPC）由于其能夠采用加權(quán)的辦法很好解決相互矛盾的控制目標(biāo)，成為ACC中較為主流的控制算法。本次課程也會補(bǔ)充基于MPC設(shè)計(jì)ACC學(xué)習(xí)。
訓(xùn)練營課程介紹
《自動(dòng)駕駛控制算法階段二》訓(xùn)練營，會梳理控制理論知識點(diǎn)，對比學(xué)習(xí)常見三大控制算法——經(jīng)典PID控制算法、最優(yōu)控制算法（LQR）和模型預(yù)測控制算法（MPC）控制算法；以及基于最優(yōu)控制算法（LQR）設(shè)計(jì)ACC控制器和LKA控制器并實(shí)現(xiàn)閉環(huán)仿真。
?課程大綱
?課程大綱
直播1：建立車輛動(dòng)力學(xué)模型
直播2：基于動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)狀態(tài)觀測器、反饋控制器
直播3：基于QP估計(jì)車輛橫向行駛曲率
直播4：基于動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)LQR控制器
直播5：基于KF的多傳感器融合與多目標(biāo)跟蹤
直播6：換道行為決策與路徑規(guī)劃方法
直播7：基于LQR設(shè)計(jì)ACC控制器并實(shí)現(xiàn)閉環(huán)仿真
直播8：基于LQR設(shè)計(jì)LKA控制器并實(shí)現(xiàn)閉環(huán)仿真
?實(shí)訓(xùn)任務(wù)
?項(xiàng)目任務(wù)一
笛卡爾坐標(biāo)系下的車輛二自由度模型建模，根據(jù)給定條件利用Simulink對系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)辨識、進(jìn)行系統(tǒng)可控性、可觀性、穩(wěn)定性分析，并對模型進(jìn)行求解。
?項(xiàng)目任務(wù)二
基于車輛動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)狀態(tài)觀測器、反饋控制器，進(jìn)行simulink閉環(huán)仿真，并對狀態(tài)反饋與輸出反饋的仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析。
?項(xiàng)目任務(wù)三
基于車輛動(dòng)力學(xué)模型，模擬傳感器測量噪聲并進(jìn)行低通濾波仿真；利用KF濾波器實(shí)現(xiàn)車輛模型的狀態(tài)估計(jì)；利用二次規(guī)劃算法實(shí)現(xiàn)融合，進(jìn)而估計(jì)車輛橫向行駛曲率。
?項(xiàng)目任務(wù)四
基于車輛動(dòng)力學(xué)仿真模型，建立LQR控制器并進(jìn)行QR矩陣的調(diào)試，實(shí)現(xiàn)車輛二自由度的閉環(huán)仿真，并將仿真結(jié)果與極點(diǎn)配置法、PID反饋控制仿真進(jìn)行對比。
?項(xiàng)目任務(wù)五
對給定實(shí)測傳感器數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)KF跟蹤器，利用歐氏距離法進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，并利用凸聯(lián)合實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)融合，并進(jìn)行仿真。
?項(xiàng)目任務(wù)六
建立換道路徑規(guī)劃算法，利用橫向加速度對車輛換道過程的安全性進(jìn)行判斷，并基于不同的車速和換道時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行車輛換道仿真并對比分析。
?項(xiàng)目任務(wù)七
基于多傳感器融合的結(jié)果，計(jì)算期望加速度，基于LQR求解ACC控制器增益，實(shí)現(xiàn)ACC系統(tǒng)閉環(huán)仿真。
?項(xiàng)目任務(wù)八
Frenet坐標(biāo)系下車輛二自由度模型建模，根據(jù)給定實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)求解方向盤轉(zhuǎn)角，基于LQR求解LKA控制器增益，實(shí)現(xiàn)LKA系統(tǒng)閉環(huán)仿真。
?老師介紹
劉叢志老師，清華大學(xué)博士
研究方向?yàn)橹悄荞{駛汽車動(dòng)力學(xué)控制與優(yōu)化、網(wǎng)聯(lián)汽車及新能源汽車智能控制。以核心技術(shù)人員參與國家橫縱向科研項(xiàng)目10余項(xiàng)，于IEEE TIE、TITS等期刊發(fā)表論文20余篇，發(fā)明專利和實(shí)用型專利權(quán)10余項(xiàng)。
曾任業(yè)內(nèi)某汽車技術(shù)服務(wù)公式首席技術(shù)專家、開發(fā)部長，具有豐富的一線實(shí)戰(zhàn)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。
?建議基礎(chǔ)
需要有一定的C語言或者M(jìn)ATLAB語言基礎(chǔ)；
建議理工科類專業(yè)背景，擁有控制理論基礎(chǔ)。
?面向?qū)ο?/strong>
? 希望從事自動(dòng)駕駛控制研發(fā)的在校學(xué)生，理工科背景，本科及以上學(xué)歷；
? 0-3年電子電氣開發(fā)經(jīng)驗(yàn)背景的工程師希望轉(zhuǎn)崗至駕駛控制研發(fā)崗位；
? 剛進(jìn)入自動(dòng)駕駛控制算法相關(guān)崗位，想要快速提升自己專業(yè)知識能力的工程師。
?課程收益
??掌握經(jīng)典/現(xiàn)代控制理論，并通過項(xiàng)目實(shí)踐、應(yīng)用；
? 利用MATLAB/Simulink對系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)辨識及特性分析；
? 運(yùn)用不同方法對系統(tǒng)模型進(jìn)行求解；
??能夠設(shè)計(jì)ACC控制器并實(shí)現(xiàn)仿真；
? 能夠設(shè)計(jì)LKA控制器并實(shí)現(xiàn)仿真。
?報(bào)名咨詢
課程形式：在線直播授課，班級群答疑
課程周期：在線8次直播課+8次項(xiàng)目大作業(yè)，學(xué)習(xí)周期1.5個(gè)月
聯(lián)系人：汽車學(xué)堂堂主（automooc666）
