One major issue in learning-based model predictive control (MPC) for autonomous driving is the contradiction between the system model's prediction accuracy and computation efficiency. The more situations a system model covers, the more complex it is, along with highly nonlinear and nonconvex properties. These issues make the optimization too complicated to solve and render real-time control impractical.To address these issues, we propose a hierarchical learning residual model which leverages random forests and linear regression.The learned model consists of two levels. The low level uses linear regression to fit the residues, and the high level uses random forests to switch different linear models. Meanwhile, we adopt the linear dynamic bicycle model with error states as the nominal model.The switched linear regression model is added to the nominal model to form the system model. It reformulates the learning-based MPC as a quadratic program (QP) problem and optimization solvers can effectively solve it. Experimental path tracking results show that the driving vehicle's prediction accuracy and tracking accuracy are significantly improved compared with the nominal MPC.Compared with the state-of-the-art Gaussian process-based nonlinear model predictive control (GP-NMPC), our method gets better performance on tracking accuracy while maintaining a lower computation consumption.


翻译:在自主驾驶的基于学习的模型预测控制(MPC)中,一个主要问题是系统模型的预测精度和计算效率之间的矛盾。系统模型覆盖的情况越多,它就越复杂,同时具有高度非线性和非凸性质。这些问题使得优化过程过于复杂而难以解决,也使得实时控制不切实际。为了解决这些问题,我们提出了一种基于随机森林和线性回归的分层学习残差模型。学习的模型分为两个层次。低层使用线性回归来拟合残差,高层使用随机森林来切换不同的线性模型。同时,我们采用带误差状态的线性动态自行车模型作为名义模型。切换的线性回归模型被添加到名义模型中形成系统模型。它将基于学习的MPC重新制定为二次规划(QP)问题,优化求解器能够有效地解决它。实验的路径跟踪结果表明,与名义MPC相比,驾驶车辆的预测精度和跟踪精度显著提高。与最先进的基于高斯过程的非线性模型预测控制(GP-NMPC)相比,我们的方法在保持更低计算消耗的情况下获得更好的跟踪精度。

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模型预测控制是一类特殊的控制。它的当前控制动作是在每一个采样瞬间通过求解一个有限时域开环最优控制问题而获得。过程的当前状态作为最优控制问题的初始状态,解得的最优控制序列只实施第一个控制作用。这是它与那些使用预先计算控制律的算法的最大不同。本质上模型预测控制求解一个开环最优控制问题。它的思想与具体的模型无关,但是实现则与模型有关。
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