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原文传递面向控制安全冗余的智能车辆轨迹规划与跟踪研究

论文题名：	面向控制安全冗余的智能车辆轨迹规划与跟踪研究
关键词：	智能汽车控制系统;轨迹规划;概率预测;故障诊断;容错策略
摘要：	面对复杂的交通场景和来自环境的多变性以及驾驶员的自身局限性，智能车辆的研发与应用对于保证行车安全，提高交通效率显得格外重要。而轨迹规划与控制又是智能汽车自主控制的核心部分，是智能车辆跟踪期望全局路径和躲避动态交通目标安全行驶的前提与基础。由于交通目标具有的不确定性对车辆轨迹规划和行车安全造成较大的风险，且不同的驾驶员对于车辆驾驶风格有不同的要求，因此基于概率的轨迹预测和不同的驾驶风格同时被考虑。此外，车辆自身一旦发生故障将带来极大的风险，而可靠的故障诊断与容错策略则是车辆在故障下安全行驶的关键技术。因此本文基于车辆实时台架平台对一种正常轨迹规划与故障安全冗余规划并行的轨迹规划算法进行了研究。　　首先，基于功能安全标准ISO26262对智能车辆自身状态传感器故障和执行器故障进行了分析。对于状态传感器故障，依据相应的功能安全要求给出了状态传感器不同种类故障对应的可靠性标准。对于执行器故障，针对转向执行器和制动执行器设定了基于功能安全标准的安全目标和可行措施。建立了三自由度车辆动力学模型，为后续的状态估计打下了理论基础。由于实车规划主要考虑车辆相对道路的位置，因此规划的轨迹在Frenet坐标系中生成并筛选。提出了基于Frenet坐标系的车辆坐标转换方法，将车辆的绝对位置坐标转换为Frenet坐标，便于路径规划的高效实施。　　其次，提出了一种在动态环境中基于概率预测的安全碰撞概率的轨迹规划策略。本文主要考虑三个方面，包括周围车辆状态的概率预测，具有成本函数的最优路径的决策以及考虑驾驶员目标速度的速度规划。路径生成基于五次多项式，并且依赖于包含四个指标（安全性，一致性，平滑性和到全局路径的距离）的成本函数，对规划路径进行了全面优化。碰撞检测分为主车和周围车辆。对于主车，要考虑与车速和道路曲率有关的路径跟踪误差。对于周围车辆，通过考虑不确定性的CTRA模型推导出表征其位置不确定性的位置期望和方差。使用蒙特卡洛方法评估碰撞概率，并根据概率阈值选择最佳路径。在包括车辆切入和车辆跟随在内的不同情况下，考虑驾驶员目标速度来执行用于纵向运动的拟人化速度规划。通过硬件在环（HIL）测试对提出的算法进行了验证，并对核心参数做了敏感度分析。仿真结果表明，汽车不仅可以在跟踪全局路径时避免多个动态障碍物，而且可以通过模仿驾驶员的特性来实现速度控制。　　随后，提出了车辆自身状态传感器与执行器故障诊断与容错策略以及与正常轨迹规划并行进行的故障下安全停车规划架构。车辆自身状态传感器或执行器出现故障，车辆无法正常进行规划控制，将严重影响行车安全。因此本文对故障后的车辆规划与控制策略进行了研究。针对状态传感器故障，采取了基于敏感度分析的故障诊断与隔离策略，并及时输出解析估计量；对于执行器故障，根据故障程度（轻微或严重）不同，分别实施UKF状态估计容错输出或通过ESC进行DYC控制以及制动控制。当故障程度及其严重达到设定阈值时，车辆进入最小安全规划状态，伺机安全靠边停车。通过联合仿真试验验证了故障诊断与容错算法的有效性。　　最后，搭建了基于NI PXI的车辆实时台架系统，并针对故障安全轨迹规划算法进行了实时试验验证。实时台架主要是基于NI PXI实时系统，依托Labview RT，以Prescan为仿真场景以及Carsim提供车辆动力学模型的实时仿真平台。基于实时台架平台，对本文提出的集成控制功能安全冗余算法的故障轨迹规划算法进行了实时验证。仿真场景包括典型的城区低速工况和高速公路工况，每种工况下将故障类型细分为单传感器故障、多传感器故障、转向执行故障以及制动执行故障。试验结果表明车辆在单故障的轻微故障情形下能保持正常的轨迹规划功能安全行驶，在多故障和执行器故障等严重故障情形下能及时诊断故障并切换成安全靠边停车规划安全停车，且该算法在城区和高速公路两个典型场景下均具有良好的有效性与实时性。
作者：	李朋
专业：	车辆工程
导师：	裴晓飞
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021