车辆运动学、航向角、偏航角、前轮转角的区别及其在MPC中的使用

车辆运动学、航向角、偏航角、前轮转角的区别及其在MPC中的使用

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/qq_44819248/article/details/141073421

在自动驾驶和车辆控制领域，航向角、偏航角和前轮转角是描述车辆方向的关键参数。本文将详细介绍这些角度的概念及其在模型预测控制（MPC）中的应用，帮助读者理解车辆运动学的基础知识和实际应用。

图中：φ 为车体的航向角； δ 为前轮偏角； v为车辆后轴速度；l为轴距。

一、车辆运动学及角度概念解析

1. 航向角 (φ)

• 车辆航向角通常指车辆质心速度与地面坐标系X轴（图中所示）的夹角，用于描述物体在全球坐标系中的方向，常用于导航和路径规划中确定车辆的绝对方向。
• 坐标系：地面坐标系（如图所示的XY坐标系）
• 方向：顺时针为正，逆时针为负（通常是从 0 度（北方）开始，顺时针增加到 360 度）
• 范围：[ 0°, 360°]

2. 偏航角 (yaw)

• 偏航角是车辆自身在水平面内的旋转角度，用于描述车辆相对其纵轴（自身坐标系x轴）的旋转，常用于动态稳定控制中。偏航角通常是局部的，描述车辆在水平面内的旋转运动（如转弯时的旋转）。
• 坐标系：车辆自身坐标系
• 方向：顺时针为正，逆时针为负
• 范围：[ -180°, 180°]，也可以表示为[ -π, π]弧度。

两种角度的计算示例：

# 示例坐标
x1, y1 = 0, 0
x2, y2 = 1, 1
delta_x = x2 - x1
delta_y = y2 - y1
theta = math.atan2(delta_y, delta_x)  # 偏航角（弧度）
theta_degrees = math.degrees(theta)   # 转换为度数（可选）
if theta_degrees < 0:
    theta_degrees += 360  # 航向角（保持在 0 到 360 度范围内）

3. 前轮转角 (δ)

• 前轮转角描述了前轮相对于车辆纵轴的转动角度，直接影响车辆的转弯轨迹，是驾驶员控制车辆方向的关键参数。

二、三种角度在MPC中的应用

1. 航向角

• 航向角作为MPC中的状态变量之一，描述车辆相对于地理方向的行驶方向。MPC通过控制前轮转角，使航向角与目标路径方向保持一致。

2. 前轮转角

• 前轮转角是MPC的主要控制输入，通过调节它，MPC优化车辆的行驶轨迹，确保车辆紧跟预设路径。

3. 偏航角

• 偏航角作为MPC的状态变量，反映车辆的实际旋转角度。MPC通过预测和调整前轮转角来控制偏航角，确保车辆姿态稳定。

三、总结

1. 航向角与偏航角的比较

• 航向角是车辆相对于地理北方的绝对方向，是一种全局定位的角度。偏航角是车辆自身在水平面内的旋转角度，是一种相对于车辆自身的角度。在车辆控制领域，航向角常用于导航系统，而偏航角则在动态控制和姿态控制中使用较多。

2. 前轮转角与偏航角的关系

• 前轮转角是一个控制输入，决定了车辆如何转向。偏航角是车辆姿态的输出，反映了车辆实际的方向变化。在车辆的转弯过程中，驾驶员通过调整前轮转角来控制车辆的偏航角，从而实现对车辆行驶方向的控制。

3. 偏航角在MPC中的作用

• 在MPC控制中，前轮转角是直接的控制手段，通过调节它来控制车辆的姿态（偏航角）和方向（航向角）。MPC的优化目标是通过最优控制策略，使车辆在一定的预测时间内保持最佳的路径跟踪效果，确保车辆平稳、安全地行驶。偏航角作为状态变量，直接反映了车辆的动态姿态变化，这对于控制车辆的稳定性和路径跟踪至关重要。因此，偏航角在MPC中更适合作为状态变量。

四、MPC算法流程

1. 状态估计：首先获取车辆的状态信息，例如位置、速度、姿态等。这些数据可通过GPS、惯性测量单元（IMU）等传感器获取。

2. 路径规划：根据车辆的当前位置和目标位置，利用路径规划算法生成车辆应跟踪的最优路径。常见的路径规划算法包括A*算法和Dijkstra算法。

3. 动力学模型：建立车辆的动力学模型，包括运动学和动力学特性，用于预测车辆未来的行为。

4. 预测控制：基于车辆的动力学模型，MPC算法通过求解优化问题，寻找最优的控制指令，使车辆在预测时间内精确跟踪预定路径。

5. 控制指令生成：根据MPC算法得到的最优控制指令，生成车辆的控制输出，例如车辆的油门、刹车、转向等。

6. 控制执行：将控制指令传递给车辆的执行系统，如电机控制器和转向系统，实现对车辆的精准控制。