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基于学习型滑模预测控制的无人驾驶车辆非结构化环境轨迹跟踪及稳定性控制

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机械工程学报 2024年第10期60卷 399-412页

作者：刘聪刘辉韩立金聂士达北京理工大学机械与车辆学院北京100081 北京理工大学前沿技术研究院济南250000

针对高速无人驾驶车辆在复杂非结构化环境下轨迹跟踪精度和横摆稳定性之间难以协调平衡的难题,提出一种基于学习型滑模预测控制的轨迹跟踪及稳定性协调控制方法。首先,基于高斯过程回归方法构建数据学习型预测模型,以解决复杂非结构化... 详细信息

针对高速无人驾驶车辆在复杂非结构化环境下轨迹跟踪精度和横摆稳定性之间难以协调平衡的难题,提出一种基于学习型滑模预测控制的轨迹跟踪及稳定性协调控制方法。首先,基于高斯过程回归方法构建数据学习型预测模型,以解决复杂非结构化环境下无人驾驶车辆的剩余模型不确定性和环境噪声干扰问题。其次,提出一种基于高斯-滑模预测控制的轨迹跟踪及稳定性协调控制方法,将基础模型与高斯不确定性预测相结合作为控制模型,设计基于滚动预测优化的滑模控制方法,满足多约束下控制器的实时性和鲁棒性要求。此外,构建车辆未来时刻行驶风险预测模型,利用基于预测时域内相对残差的递归贝叶斯定理提前决策多目标融合型函数的权重系数,满足全局性能最优。仿真结果表明,所提方法有效提高了存在路面噪声干扰的非结构道路下高速无人驾驶车辆轨迹跟踪精度和动力学稳定性。

关键词：无人驾驶汽车轨迹跟踪及稳定性高斯过程滑模预测控制行驶风险预测

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基于多传感器融合的越野环境路面信息识别

北京理工大学学报 2023年第8期43卷 783-791页

作者：刘辉刘聪韩立金何鹏聂士达北京理工大学机械与车辆学院北京100081 北京理工大学前沿技术研究院山东济南250307

为实现精准的越野环境路面信息识别,文中提出了一种基于多传感器信息融合的路面信息识别方法.首先,针对车辆簧下振动加速度信号设计了特征提取算法,通过双线性池化方法融合加速度特征与图像+深度特征,以实现对越野路面类型的多维度特征... 详细信息

为实现精准的越野环境路面信息识别,文中提出了一种基于多传感器信息融合的路面信息识别方法.首先,针对车辆簧下振动加速度信号设计了特征提取算法,通过双线性池化方法融合加速度特征与图像+深度特征,以实现对越野路面类型的多维度特征融合与识别.然后,为提高越野路面可通行区域检测效果,引入迁移学习方法,将越野场景路面类型识别模型中路面特征提取的共性知识向通行区域分割模型进行迁移.在真实越野环境数据集下对模型进行训练与测试,测试结果表明文中提出的识别方法不仅在越野场景路面类型识别任务上获得了98.65%的平均分类准确率,而且引入先验知识可明显提升通行区域检测效果.

关键词：越野环境路面类型识别多传感器信息融合迁移学习可通行区域检测

考虑城市内部服务网络的城市群综合客运网络抗毁性研究

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系统仿真学报 2024年

作者：聂士达李成兵贺博威李鑫涛内蒙古大学交通学院

研究城市群综合客运网络抗毁性有利于保障城市群客运服务系统运营效率。采用复杂网络理论中Space L建模方法，构建考虑城市内部服务网络的城市群综合客运网络模型，提出基于时间加权的城市群网络抗毁性评价指标，研究城市群综合客运网... 详细信息

研究城市群综合客运网络抗毁性有利于保障城市群客运服务系统运营效率。采用复杂网络理论中Space L建模方法，构建考虑城市内部服务网络的城市群综合客运网络模型，提出基于时间加权的城市群网络抗毁性评价指标，研究城市群综合客运网络的抗毁性。首先，构建由城际网络和城市内部服务网络复合构成的城市群综合客运网络，并考虑时间标定网络边权。然后，提出考虑时间加权的网络时间效率模型评估网络抗毁性。最后，以呼包鄂榆城市群为实例进行仿真研究。结果表明：随机性攻击策略下网络相对时间效率波动较小，城市群网络表现出较强的抗毁性；节点度攻击策略下，随着被攻击站点节点度的降低，前期网络效率呈断崖式下降，对整个网络造成毁灭性损害；逐一攻击策略下网络抗毁性会随攻击迭代的过程呈现波动性变化，能够识别关键站点。

关键词：城市群复杂网络理论服务网络 MATSim 抗毁性

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基于逆模型预测控制的拟人驾驶控制

汽车工程 2024年第4期46卷 596-604页

作者：刘辉张发旺聂士达段京良郭丛帅郭凌雄北京理工大学机械与车辆学院北京100081 北京科技大学机械工程学院北京100083

本文提出一种基于逆模型预测控制的拟人驾驶控制方法,利用模型预测控制产生的实轴轨迹与真实轨迹的损失函数更新控制模块代价函数的权重系数实现拟人化驾驶控制。将拟人驾驶控制构建成一个双层优化问题,在下层利用模型预测控制求解一个... 详细信息

本文提出一种基于逆模型预测控制的拟人驾驶控制方法,利用模型预测控制产生的实轴轨迹与真实轨迹的损失函数更新控制模块代价函数的权重系数实现拟人化驾驶控制。将拟人驾驶控制构建成一个双层优化问题,在下层利用模型预测控制求解一个典型的最优控制问题产生实轴驾驶轨迹,在上层最小化所产生的实轴轨迹和真实驾驶轨迹的误差更新下层代价函数的权重系数,基于极大值微分原理构造辅助系统求解实轴轨迹关于代价函数权重系数的梯度。实车采集真实驾驶轨迹并进行模仿测试与泛化验证,结果表明:本文所提出的方法相比于两类基于虚轴轨迹的逆最优控制方法,在3个工况下与真实驾驶轨迹最大误差分别平均降低了73.52%和65.03%,驾驶行为更加拟人化,且具备泛化性能。

关键词：自动驾驶拟人化驾驶逆最优控制

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复杂地形下轮腿复合机动平台动态运动控制

兵工学报 2024年第9期45卷 2993-3003页

作者：任晓磊刘辉韩立金陈前聂士达谢景硕崔山北京理工大学机械与车辆学院北京100081 北京理工大学前沿技术研究院(济南) 山东济南250300

复杂地形环境下质心参考轨迹的动态精确跟踪是保障轮腿复合机动平台稳定执行各项任务的关键。为提升平台的地形适应能力与位姿跟踪能力,提出一种动态运动控制策略。综合地形因素,建立包含车轮动力学的单刚体动力学模型,并通过近似简化... 详细信息

复杂地形环境下质心参考轨迹的动态精确跟踪是保障轮腿复合机动平台稳定执行各项任务的关键。为提升平台的地形适应能力与位姿跟踪能力,提出一种动态运动控制策略。综合地形因素,建立包含车轮动力学的单刚体动力学模型,并通过近似简化将系统动力学模型转化为状态空间方程的标准形式。考虑车轮与腿部耦合运动,提出一种基于前馈力矩与反馈力矩的混合运动控制方法。通过二次规划算法求解最优地面反作用力,利用雅克比矩阵将作用力映射至关节以获取前馈力矩。为避免由环境引起的外部扰动造成系统无法在较短时间内完成优化计算,引入关节力矩反馈控制及时修正位姿跟踪误差,使系统能够快速准确地响应外部扰动,有效提高系统的鲁棒性和稳定性。仿真结果表明,新方法可有效提升平台在复杂地形下位姿动态跟踪精度,保障平台平稳运行,为复杂地形下轮腿复合机动平台的工程应用提供有力支撑。

关键词：轮腿复合机动平台复杂地形单刚体动力学模型混合运动控制

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基于模型预测路径积分和输出调节的层级运动控制

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汽车工程 2024年第10期46卷 1790-1803页

作者：万航聂士达刘辉张发旺项昌乐韩立金北京理工大学机械与车辆学院北京100081

由于车载平台计算能力的限制,长控制/预测时域和短控制步长之间存在难以调和的矛盾。本文基于时标分离思想推导了车辆平移运动与平面姿态运动解耦的必要条件,使得车辆的平移运动控制器可以获得更长的控制/预测时域,以便于生成类人跟踪... 详细信息

由于车载平台计算能力的限制,长控制/预测时域和短控制步长之间存在难以调和的矛盾。本文基于时标分离思想推导了车辆平移运动与平面姿态运动解耦的必要条件,使得车辆的平移运动控制器可以获得更长的控制/预测时域,以便于生成类人跟踪轨迹。车辆的平面姿态调整则基于更为精确的动力学模型和更短的控制周期来调节。此外,利用基于并行采样及优化的模型预测路径积分策略来减轻非线性运动规划的计算负担。最后,提出了一种模型预测输出调节器来解决车辆横向动力学中的欠驱动控制问题,并抑制偏航角的稳态误差。理论分析和试验结果表明,所提出方法能够极大地提升计算效率、参数适应性和转向平顺性,在所有验证工况中将横向冲击度平均降低了50%。

关键词：自动驾驶路径积分欠驱动输出调节

基于MATSim的城市群客运网络疏散行为分析和策略研究

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内蒙古大学学报（自然科学版） 2023年第5期54卷 491-498页

作者：聂士达李成兵贺博威内蒙古大学交通学院呼和浩特010070

为研究城市群客运交通网络应急疏散行为和策略,基于实际地理信息数据,建立多运输方式下城市群公共交通客运网络及城市群被动应急疏散模型;基于实际交通数据,利用评分迭代优化的方法,提出基于MATSim的出行行为评分模型。以呼包鄂榆城市... 详细信息

为研究城市群客运交通网络应急疏散行为和策略,基于实际地理信息数据,建立多运输方式下城市群公共交通客运网络及城市群被动应急疏散模型;基于实际交通数据,利用评分迭代优化的方法,提出基于MATSim的出行行为评分模型。以呼包鄂榆城市群为例,采用MATSim仿真软件标定模型参数,仿真突发事件下客流的应急疏散行为。结果表明:站点的客流激增会随城市群客运网络对其他站点客流产生显著影响;站点发生激增客流时,旅客在疏散路径选择上更倾向于火车站点,聚集人数较汽车站点高3.7倍;汽车客流疏散效率较火车提升44%。数据为管理者在突发事件下做出应急疏散策略提供了有效的支撑。

关键词：综合运输被动应急疏散动态仿真城市群综合客运网络

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城市群客运网络动态分配策略应急疏散仿真

内蒙古大学学报（自然科学版） 2023年第4期54卷 392-398页

作者：贺博威李成兵聂士达内蒙古大学交通学院呼和浩特010070

研究负载分配策略有助于引导客流在面对突发事件时的有序疏散,降低突发事件对交通网络的破坏程度和影响范围。本文构建了城市群综合客运网络模型,对网络级联失效现象进行研究,提出了基于局部负载率的流量分配策略。使用MATSim仿真软件,... 详细信息

研究负载分配策略有助于引导客流在面对突发事件时的有序疏散,降低突发事件对交通网络的破坏程度和影响范围。本文构建了城市群综合客运网络模型,对网络级联失效现象进行研究,提出了基于局部负载率的流量分配策略。使用MATSim仿真软件,研究呼包鄂榆城市群不同疏散策略下客流疏散和网络稳定情况。结果表明:城市群综合客运网络中突发事件对某一节点的破坏会对其他节点客流造成影响;基于局部负载率的动态分配策略能降低级联失效的发生强度与传播范围。

关键词：城市群应急疏散级联失效负载分配动态仿真

考虑复杂地形的越野环境无人车辆路径规划研究

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机械工程学报 2024年第10期60卷 261-272页

作者：聂士达刘辉廖志昊谢雨佳项昌乐韩立金林思豪北京理工大学机械与车辆学院北京100081

无人驾驶车辆在越野环境中行驶时,往往面临着复杂的地形和多变的路面。为进行可靠且高效的路径规划,保证车辆安全机动行驶,提出一种考虑复杂地形的越野环境无人车辆路径规划方法。该方法包括全局路径规划与轨迹规划,针对全局路径规划,... 详细信息

无人驾驶车辆在越野环境中行驶时,往往面临着复杂的地形和多变的路面。为进行可靠且高效的路径规划,保证车辆安全机动行驶,提出一种考虑复杂地形的越野环境无人车辆路径规划方法。该方法包括全局路径规划与轨迹规划,针对全局路径规划,提出一种基于崎岖地形人工势场的改进Theta^(*)算法,该算法综合考虑坡度、地面类型、地面高程等因素,使车辆尽量远离崎岖地形,通过减少途经路径的坡度和起伏地形,来提高车辆在越野环境中的通行效率、稳定性及安全性。针对局部轨迹规划,提出面向多变行驶场景的自适应概率路线图算法(Adaptive probabilistic roadmap method,APRM),通过设计不同的采样策略来适应车辆在越野环境中行驶场景以及障碍物的变化,从而提高复杂越野环境局部轨迹规划算法构建路径网络图的效率。通过试验验证,改进Theta^(*)算法输出的全局路径平均坡度减少35.63%,地表起伏程度降低33.56%,APRM算法在非结构化道路与开阔场景下进行局部轨迹规划所用时间分别减少79.68%和54.74%。

关键词：轮式车辆越野环境自动驾驶全局路径规划局部轨迹规划