路径跟踪之LQR控制算法

2023-05-16

(一)车辆建模

两自由度车辆模型为:

考虑恒定不变,则上述模型可以看作一个输入为、状态变量为的控制系统,可以表示为:

对于参考轨迹,可以表示为:

将(2)式在处泰勒展开,并忽略高次项,有:

,式(4)-(3)可得:

对上式进行离散化处理,可得:

所以,

记:

则(7)式可以写为:

由于系统矩阵A和输入矩阵B的元素随时间变化,所以上述系统是一个线性时变系统

(二) LQR控制算法仿真

根据上一篇博文的分析,LQR设计步骤如下:

1)根据工程经验和性能分析,确定矩阵Qf、Q和R;

2)倒序求解P;

3)计算反馈矩阵K;

4)正序求解u(k)。

基于第一部分的车辆运动学模型,运用python对LQR控制算法进行仿真,跟踪一个圆形轨迹的仿真结果如下图所示。

具体仿真总结如下:

1)R矩阵的选取

如果不对控制量(前轮转角)进行限制,R需要选择较大的值,比如这里选择86能达到较好的跟踪效果(见上图);如果R选择较小的值,比如取1,跟踪效果就会很差,如下图所示。

此时,如果对控制量(前轮转角)进行限幅处理,可以提升跟踪效果,如下图所示。

所以,选取较大的R可以减小控制量

2)Q矩阵的选取

有资料指出:较大的Q可以得到较快的调节速度

目前仿真下来还没有摸清楚Q选取的规律,只能说Q不能太大、也不能太小。

3)Qf矩阵的选取

将Qf取为0,也能达到较好的跟踪效果,如下图所示。如果对终端误差不作限制,Qf可以取为0。

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