無人駕駛車輛模型預測控制(第2版)（簡體書）

本書主要介紹模型預測控制理論與方法在無人駕駛車輛路徑規劃與跟蹤控制中的應用。由於模型預測控制理論數學推導比較抽象，初涉者往往需要較長時間的探索才能真正理解和掌握，進一步應用到具體研發項目，則需要更長的過程。本書詳細介紹了應用模型預測控制理論進行無人駕駛車輛控制的基礎方法，結合路徑規劃與跟蹤控制實例詳細說明了預測模型建立、優化方法、約束處理和反饋校正的方法，給出了Matlab/CarSim仿真代碼和詳細圖解仿真步驟，所有代碼都提供詳盡的注解。本書2014年第1版出版後，得到很多讀者的應用和反饋，本次再版，作為教材型專著出版，融入了北京理工大學智能車輛研究所團隊最新的相關研究成果。擴充了運動學和動力學模型，考慮了高速無人駕駛車輛跟蹤控制方法，並在穩定性判據方面進行了擴充。可以作為地面無人車輛、空中無人機、無人艇及移動機器人等無人車輛模型預測控制的教學資料和研究參考資料，同時也可以作為學習模型預測控制理論的應用教程。

龔建偉，北京理工大學智能車輛研究所教授、博導，自1997年至今一直在北理工從事無人駕駛車輛技術研究，期間2011-2012在美國麻省理工學院機器人車輛課題組從事無人車研究。
劉凱，2008年、2019年於北京理工大學智能車輛研究所分別獲碩士、博士學位，2015-2017在美國俄亥俄州立大學汽車研究中心聯合培養。研究方向為無人駕駛車輛運動規劃、模型預測控制和增強學習等。
齊建永，高級工程師，北京理工大學機械與車輛學院工程碩士導師。2008年于於北京理工大學智能車輛研究所獲碩士學位。北理慧動學科公司技術總負責人。

1. 介紹應用模型預測控制理論進行無人駕駛車輛控制的基礎方法
2. 給出MATLAB/CarSim仿真代碼和詳細圖解仿真步驟
3. 融入北京理工大學只能車輛研究所團隊新相關研究成果
4. 擴充運動學和動力學模型及穩定性判據

目 錄
第 1章 無人駕駛車輛與模型預測控制
1．1 無人駕駛車輛
1．1．1 無人車輛通用概念
1．1．2 考慮乘坐舒適性的無人駕駛車輛
1．2 路徑跟蹤與軌跡跟蹤
1．2．1 路徑規劃與軌跡規劃
1．2．2 路徑跟蹤與軌跡跟蹤的特點
1．3 模型預測控制在無人駕駛車輛運動規劃與控制中的應用
1．3．1 運動規劃算法的模型約束
1．3．2 軌跡跟蹤控制的模型約束
1．4 模型預測控制在車輛穩定性操控中的應用
1．4．1 傳統汽車的穩定性控制系統
1．4．2 無人駕駛車輛的操縱穩定性分析方法
1．5 本書內容與結構說明
第 2章 車輛運動學與動力學建模
2．1 車輛運動學建模
2．1．1 車輛運動學模型
2．1．2 車輛運動學模型驗證
2．1．3 車輛跟蹤誤差模型
2．2 車輛橫擺動力學建模
2．2．1 車輛橫擺動力學微分方程
2．2．2 輪胎模型及其線性化
2．2．3 考慮道路曲率的車輛橫擺動力學模型
2．2．4 考慮輪胎滑移的車輛動力學模型
2．2．5 點質量車輛動力學模型
2．3 綜合等效約束車輛動力學建模
2．3．1 考慮側傾約束的車輛動力學模型
2．3．2 考慮道路傾角與曲率的車輛動力學模型
2．4 聯合仿真平臺概述與仿真實例
2．4．1 CarSim軟件介紹
2．4．2 Simulink/CarSim聯合仿真平臺
2．4．3 基於聯合仿真平臺驗證車輛運動學模型
2．4．4 車輛動力學模型的仿真驗證
第3章 模型預測控制算法基礎與縱向控制仿真分析
3．1 模型預測控制算法基礎
3．2 一個基於MPC工具箱的速度控制實例
3．3 速度跟蹤的模型預測控制方法
3．3．1 問題描述
3．3．2 速度跟蹤的模型預測控制器設計
3．4 Simulink/CarSim聯合仿真分析
3．4．1 聯合仿真平臺的設計
3．4．2 基於MPC的速度跟蹤控制器的設計
3．4．3 仿真結果分析
第4章 基於運動學模型的軌跡跟蹤控制
4．1 問題的描述
4．2 基於運動學模型的軌跡跟蹤控制器設計
4．2．1 車輛運動學建模
4．2．2 目標函數設計
4．2．3 約束條件設計
4．3 參考路徑的自適應分段擬合
4．3．1 基於三次貝塞爾曲線的自適應分段擬合方法
4．3．2 自適應分段擬合效果分析
4．4 仿真實例
4．4．1 CarSim與Simulink聯合仿真的車輛參數設置
4．4．2 基於MPC的軌跡跟蹤控制器的設計
4．4．3 基於運動學模型的軌跡跟蹤仿真結果分析
4．5 本章小結
第5章 基於動力學模型的無人駕駛車輛主動轉向控制
5．1 理論基礎
5．1．1 線性誤差方程
5．1．2 約束條件建立
5．1．3 模型預測控制器設計
5．2 主動轉向控制的聯合仿真
5．2．1 在CarSim中建立車輛模型
5．2．2 控制程序編寫
5．3 主動轉向控制的仿真驗證
5．3．1 參考軌跡選擇
5．3．2 不同仿真工況下的仿真結果
5．4 基於遞推最小二乘法的輪胎線性側偏剛度估計
5．5 輪胎線性側偏剛度估計的仿真驗證
5．5．1 聯合仿真平臺的設計
5．5．2 輪胎線性側偏剛度估計的RLS算法設計
5．5．3 仿真結果分析
第6章 加入規劃層的軌跡跟蹤控制
6．1 結合規劃層的軌跡跟蹤控制系統
6．2 基於MPC的軌跡規劃器
6．2．1 參考點的選擇
6．2．2 避障功能函數
6．2．3 5次多項式軌跡擬合
6．2．4 非線性二次規劃計算
6．3 基於MPC的路徑跟蹤控制器
6．4 不同車速下的跟蹤控制仿真實例驗證
6．4．1 車輛參數設置
6．4．2 仿真工況設置
6．4．3 Simulink/CarSim聯合求解
第7章 高速無人駕駛車輛的模型預測控制
7．1 面臨的挑戰
7．2 變步長的離散化方法
7．3 基於MPC的高速車輛軌跡跟蹤控制器設計
7．3．1 高速無人駕駛車輛的橫擺穩定性判據
7．3．2 道路環境及執行機構飽和約束
7．3．3 模型預測控制問題
7．4 仿真試驗研究
7．4．1 聯合仿真平臺搭建
7．4．2 MPC橫擺穩定性控制的實現
7．4．3 仿真試驗分析
7．4．4 不同求解器性能對比
7．5 本章小結
第8章 考慮側傾穩定性的無人駕駛車輛模型預測控制
8．1 無人駕駛車輛的側傾機理與側傾穩定性判據
8．1．1 車輛側傾的機理分析
8．1．2 無人駕駛車輛的側傾穩定性判據
8．2 基於模型預測的操控穩定性控制
8．2．1 帶反饋矯正的MPC控制器設計
8．2．2 考慮操控穩定性的模型預測控制問題
8．3 操縱穩定性控制聯合仿真平臺搭建
8．3．1 在CarSim中建立車輛模型
8．3．2 帶傾角的道路模型設置
8．3．3 MPC控制程序編寫
8．4 仿真驗證與結果分析
8．4．1 存在時變道路曲率及側向坡度角時的仿真實例
8．4．2 模型預測控制算法的實時性分析
8．4．3 側傾穩定性判據有效性驗證
8．5 本章小結附錄A CarSim 8．02應用高版本MATLAB參考文獻