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基于连续时间残差学习的车辆鲁棒路径跟踪:一种ICODE-MPPI方法
Robust Path Tracking for Vehicles via Continuous-Time Residual Learning: An ICODE-MPPI Approach

作者: Shugen Song, Wenjie Mei, Chengyan Zhao
arXiv: 2605.03260v1
分类: cs.RO
📝 论文摘要
模型预测路径积分(MPPI)控制是一种基于抽样的强大策略,适用于非线性自主系统。然而,其性能常受制于名义动力学的保真度。我们提出了ICODE-MPPI,一种鲁棒框架,利用输入伴随神经常微分方程(ICODEs)来学习并补偿未建模的残余动力学。与离散时间学习器不同,ICODEs在MPPI预测时域内保持物理一致性和时间连续性。针对复杂轨迹的高保真仿真表明,在持续扰动下,ICODE-MPPI相比标准MPPI控制可实现高达69%的横向跟踪误差降低。此外,我们的分析证实,ICODE-MPPI能显著抑制控制颤振,产生更平滑的转向指令并展现优越的鲁棒性能。

📊 核心分析

🎯 研究动机
- 解决**模型预测路径积分(MPPI)** 控制中**名义动力学(nominal dynamics)** 保真度不足导致的性能瓶颈问题 - 现有MPPI方法受限于未建模残差动力学,在持久扰动下跟踪精度下降 - 传统离散时间残差学习方法缺乏物理一致性和时间连续性,不适合MPPI滚动时域预测
🔧 核心方法
- 提出**ICODE-MPPI** 框架,集成**输入伴随神经常微分方程(Input Concomitant Neural ODEs, ICODEs)** 来学习和补偿未建模残差动力学 - 利用**连续时间残差学习(continuous-time residual learning)**,在MPPI预测时域内保持物理一致性和时间连续性 - 在复杂轨迹的高保真仿真中,与标准MPPI对比验证性能
💡 核心创新
- **首创性**:首次将**输入伴随神经常微分方程(ICODEs)** 嵌入MPPI框架用于残差动力学补偿 - **连续性优势**:ICODE作为连续时间学习者,相比离散时间方法能更好地保持**物理一致性(physical consistency)** 和**时间连续性(temporal continuity)** - **鲁棒性提升**:在持久扰动下横向跟踪误差降低**69%**,同时显著抑制**控制抖振(control chattering)**,产生更平滑的转向指令
🏆 总体贡献
- 为**鲁棒路径跟踪(robust path tracking)** 提供了一种新颖的**连续时间残差学习范式** - 在复杂轨迹的高保真仿真中验证了ICODE-MPPI相比标准MPPI的显著性能提升(跟踪误差降低69%) - 证明了连续时间残差学习在抑制控制抖振方面的优势,推动了MPPI在自动驾驶等领域的实用化进程