无人驾驶模型预测控制carSIM和MATLAB联合仿真

本例参照龚建伟的《无人驾驶车辆模型预测控制》书中第四章节
1.carSIM软件介绍
carSIM是由美国MSC公司开发的车辆动力学仿真软件，它可以方便灵活地定义实验环境和试验过程，准确预测和仿真汽车的操纵稳定性、动力性、平顺性等，适用于轿车、轻型货车等车型的建模仿真。

2.仿真实例
所用软件和环境：
（1）carSIM8.02
（2）正版MATLABR2019a
（3）win10
先进行车辆模型的搭建：
（1）运行carSIM8.02
（2）出现“select recent database”（“选择数据库”）对话框，如下图所示：

选择“continue with the selected database”，弹出如下图所示的对话框：

选择“select”即可打开carSIM主界面：

carSIM主界面主要由3大部分组成：车辆参数及仿真工况的设置、数学模型求解与后处理。用户可以修改车辆参数，根据需要来设置仿真工况。
（3）点击“New”,新建一组dataset，如图所示，在两个文本框中分别输入“Example”和“MPCtest1”，点击“Set”完成新建

（4）选择主菜单的”Datasets"下拉菜单，会发现Example一栏多出“MPCtest”

（5）点击下图中的下三角，选择相应的车型：

（6）新建满足要求的仿真工况：
1.点击下图所示工况

即出现下图所示的界面：

2.新建仿真工况：点击上图中的“New”，在下图文本框中依次输入“MPC Example”和“newSplit Mu”,点击“Set”，完成新建。


3.根据要求设置仿真工况：
目标车速18km/h；
无制动；
档位控制选用闭环AT6档模式；
无转向；
路面选择为1km2摩擦系数为1.0的方形路面；
完成后的设置，如下图所示：


4.设置仿真时间
同样在设置仿真工况的主界面，在下图所示的文本框中输入“30”

5.选择前面新建的仿真工况点击“Home”图标，返回carSIM的主界面，选择前面新建的“Split Mu”工况。

6.设置仿真步长
在carSIM主界面中，点击下拉菜单“Tools”，选择“Preference",出现如下图所示的界面，将仿真步长设置为“0.001”。

（7）建立carSIM与simulink联合仿真的模型
1.点击下图所示的Models选项，选择“Models:Simulink"。

2.点击下图所示的选项，选择“[Link to New Dataset]"。

此时弹出下图所示对话框，在对话框中依次输入“Example”和“MPCtest1”，点击“Creat and Link”完成新建，如下图所示：

3.点击下图所示的“MPCtest1”

将会弹出下图所示界面：

选择相关路径。以我的路径为例：
浏览工作路径：
E:\CarSim802_Prog\CarSim_Data
simulink Model的路径：
E:\CarSim802_Prog\CarSim_Data\Extensions\Simulink
在该目录下不要新建，复制一个现成的，重命名为：MPCtest.mdl，空的simulink模型是导不过去的
然后回到上图所示界面点击浏览找到MPCtest.mdl,如下图所示：

【注】这里有一个问题要注意，carSIM8.02是和MATLAB2011搭配的，高版本MATLAB要将下面的选项选上：

4.定义carSIM导入变量
点击下图所示的“Import Channels”,选择“I/O Channels:Import”


然后点击下图所示的“[Copy and Link Dataset]”;输入MPCtest1 input点击MPCtest1 input“图标，显示下图所示界面，按照下图所示界面进行设置

设置好以后返回点击“MPCtest1 output，按照下图进行相应设置：



需要注意的是：carSIM的导出变量（X0，Y0和Yaw）和simulink中MPC模型的输入量是相对应，carSIM的导出变量（Vx和Steer_SW)为观测量，所以这里的carSIM的导出变量应按照下图所示的顺序进行顺序选择：

点击“Home“回到carSIM主界面。点击send to simulink 图标，此时之前新建的MPCtest1.mal模型将被打开：

按照此图对原模型进行修改

完成上述设置后，carSIM通过外部接口将车辆模型发送至指定路径下的simulink仿真文件中，carSIM模块即以S函数的形式增加到simulink模型库中。

将simulink浏览窗口中的“S-Function”图标拖拽到MPCtest1.mdl中，显示新的S函数模块。双击该图标，弹出如下图所示的对话框，在“S-Function name”中输入MY_MPCController3

在模型中拖入延迟模块，目的是防止出现代数环

MY_MPCController3控制器模块的输出为车速和前轮转角，需对其转换成满足carSIM模块要求的导入变量：IMP_SPEED(质心车速[km/h]).IMP_STEER_l1(左前轮转角[°])，IMP_STEER_人（右前轮转角[°]），IMP_STEER_L2，IMP_STEER_R2。所以，在MY_MPCController3控制器模块的输出量与carSIM模块的导入变量之间加入了转换函数：

在simulink界面点击运行，运行处的结果如下图所示：


关于模型预测控制理论部分的内容以及公式推导部分的内容，可以观看B站天神的视频讲解，讲解的很到位也很详细，链接地址：
https://space.bilibili.com/387233952/dynamic
也非常感谢天神将书上第四章MPCcontroller的代码修改过来了，才得以跑出和书中一样的路径。