面向受限车辆路点跟踪的李雅普诺夫稳定模型预测路径积分控制
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作者单位:

1.浙江工业大学;2.圣彼得堡彼得大帝理工大学计算机科学与网络安全研究所

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中图分类号:

TP273

基金项目:

浙江省自然科学基金重大项目(LD26F020004)


Lyapunov-stabilized model predictive path integral control for constrained vehicle waypoint tracking
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Fund Project:

Major Project of Zhejiang Provincial Natural Science Foundation (LD26F020004)

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    摘要:

    针对模型预测路径积分控制 (MPPI) 在受限车辆路点跟踪中存在的稳定性问题, 提出一种具有闭环渐近稳定性保证的李雅普诺夫稳定MPPI(LS-MPPI)策略. 首先, 构建统一的二次型连续屏障代价函数, 解决传统硬约束惩罚导致的采样梯度稀疏与权重退化问题. 其次, 通过引入随机采样解与热启动解之间的动态非增仲裁机制,保证了 LS-MPPI 优化问题的递推可行性. 进一步, 通过终端代价函数和李雅普诺夫定理建立了闭环系统渐近稳定性的充分条件. 最后通过多工况仿真实验表明, 所提策略与传统 MPPI 相比, 其横向与航向均方根误差分别降低了 43.5% 与 23.0%.

    Abstract:

    To address the stability issues of Model Predictive Path Integral (MPPI) control in constrained vehicle waypoint tracking, this paper proposes a Lyapunov-stabilized MPPI (LS-MPPI) strategy with closed-loop asymptotic stability guarantees. First, a unified quadratic continuous barrier cost function is constructed to resolve the issues of sampling gradient sparsity and weight degradation caused by traditional hard constraint penalties. Second, a dynamic non-increasing arbitration mechanism between stochastic sampling and warm-start paths is introduced to ensure the recursive feasibility. Furthermore, sufficient conditions for closed-loop asymptotic stability are established via terminal cost functions and Lyapunov’s arugument. Finally, multi-scenario simulation results demonstrate that, compared to standard MPPI, the proposed strategy reduces the lateral and heading root mean square errors (RMSE) by 43.5% and 23.0%, respectively.

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  • 收稿日期:2026-01-11
  • 最后修改日期:2026-04-23
  • 录用日期:2026-04-25
  • 在线发布日期: 2026-05-27
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