自动驾驶横纵向控制：PID与MPC的工程实践

1. 自动驾驶横纵向控制方案概述

在自动驾驶车辆控制系统中，横向和纵向控制是最核心的两个组成部分。纵向控制负责车辆的加速和减速（油门和刹车控制），横向控制则负责方向盘转向。我们采用的方案是纵向使用PID控制，横向使用MPC（模型预测控制）控制，基于车辆的二自由度动力学模型进行设计。

这种组合方案在实际工程中非常实用：

• PID控制简单可靠，特别适合纵向控制这种相对线性的控制问题
• MPC能够处理多变量、有约束的控制问题，非常适合车辆转向控制
• 二自由度模型在保证精度的同时计算量适中，适合实时控制

2. 纵向PID控制实现细节

2.1 双环PID控制结构

参考百度Apollo的方案，我们采用双环PID控制结构：

1. 外环：速度控制环
   • 输入：期望速度与实际速度的误差
   • 输出：期望加速度
2. 内环：加速度控制环
   • 输入：期望加速度与实际加速度的误差
   • 输出：油门/刹车控制量

这种分层结构的好处是：

• 解耦了速度控制和执行器控制
• 可以分别优化两个环路的参数
• 更符合驾驶员的操纵习惯

2.2 油门刹车一体化设计

一个巧妙的设计是使用同一个PID控制器同时控制油门和刹车：

matlab复制function [throttle, brake] = fcn(target_accel, current_speed)
    persistent pid;
    if isempty(pid)
        pid = pidController('Kp',0.8,'Ki',0.05,'Kd',0.02);
    end
    
    accel_error = target_accel - getActualAccel();
    control = step(pid, accel_error);
    
    if control > 0
        throttle = saturate(control, 0, 1);
        brake = 0;
    else
        throttle = 0;
        brake = saturate(-control, 0, 1); 
    end
end

这种设计的优势：
1.