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电气工程与系统科学 > 系统与控制

arXiv:2507.12578 (eess)
[提交于 2025年7月16日 ]

标题: 用于Frenet坐标系中实时车辆控制的深度双线性Koopman模型

标题: Deep Bilinear Koopman Model for Real-Time Vehicle Control in Frenet Frame

Authors:Mohammad Abtahi, Farhang Motallebi Araghi, Navid Mojahed, Shima Nazari
摘要: 由于车辆动力学的非线性和耦合特性,自动驾驶车辆的精确建模和控制仍然是一个基本挑战。 虽然Koopman算子理论提供了一个部署强大线性控制技术的框架,但学习高保真建模的有限维不变子空间仍然是一个开放问题。 本文提出了一种深度Koopman方法,在曲线Frenet坐标系中对车辆动力学进行建模和控制。 所提出的框架使用深度神经网络架构,从数据中同时学习Koopman算子及其相关的不变子空间。 该算法捕获了输入-状态双线性相互作用,同时保持凸性,这使其适用于实时模型预测控制(MPC)应用。 在训练过程中使用多步预测损失以确保长时域预测能力。 为了进一步提高实时轨迹跟踪性能,该模型与累积误差调节器(CER)模块集成,通过减轻累积预测误差来补偿模型不匹配。 通过硬件在环(HIL)实验评估闭环性能,使用CarSim RT模型作为目标被控对象,并在dSPACE SCALEXIO系统上进行实时验证。 所提出的控制器相对于基准控制器显著降低了跟踪误差,证实了其在嵌入式自动驾驶车辆系统中的实时实现适用性。
摘要: Accurate modeling and control of autonomous vehicles remain a fundamental challenge due to the nonlinear and coupled nature of vehicle dynamics. While Koopman operator theory offers a framework for deploying powerful linear control techniques, learning a finite-dimensional invariant subspace for high-fidelity modeling continues to be an open problem. This paper presents a deep Koopman approach for modeling and control of vehicle dynamics within the curvilinear Frenet frame. The proposed framework uses a deep neural network architecture to simultaneously learn the Koopman operator and its associated invariant subspace from the data. Input-state bilinear interactions are captured by the algorithm while preserving convexity, which makes it suitable for real-time model predictive control (MPC) application. A multi-step prediction loss is utilized during training to ensure long-horizon prediction capability. To further enhance real-time trajectory tracking performance, the model is integrated with a cumulative error regulator (CER) module, which compensates for model mismatch by mitigating accumulated prediction errors. Closed-loop performance is evaluated through hardware-in-the-loop (HIL) experiments using a CarSim RT model as the target plant, with real-time validation conducted on a dSPACE SCALEXIO system. The proposed controller achieved significant reductions in tracking error relative to baseline controllers, confirming its suitability for real-time implementation in embedded autonomous vehicle systems.
评论: 14页,8图。本手稿正在接受IEEE智能车辆汇刊的审稿
主题: 系统与控制 (eess.SY) ; 机器学习 (cs.LG); 机器人技术 (cs.RO)
MSC 类: 93C10 (Primary), 93B40, 93C41, 68T07, 93B45 (Secondary)
ACM 类: I.2.8; I.2.6; G.1.6; J.7
引用方式: arXiv:2507.12578 [eess.SY]
  (或者 arXiv:2507.12578v1 [eess.SY] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.12578
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Mohammad Abtahi [查看电子邮件]
[v1] 星期三, 2025 年 7 月 16 日 18:49:44 UTC (9,878 KB)
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