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自动驾驶汽车局部路径规划与跟踪控制研究
| 论文题名： | 自动驾驶汽车局部路径规划与跟踪控制研究 |
| 关键词： | 自动驾驶汽车;人工势场法;路径规划;跟踪控制 |
| 摘要： | 自动驾驶作为颠覆传统汽车驾驶的新兴技术，在为出行带来便捷的同时，其可靠性和安全性亦不容忽略。当前实现自动驾驶主要通过对汽车的转向系统和制动系统进行控制。自动驾驶汽车可以通过合理的路径规划和精确的跟踪控制，安全顺利到达预设目的地。本文基于人工势场算法和模型预测控制理论，研究了一种自动驾驶汽车局部路径规划与跟踪控制方法。 首先构建四自由度整车模型，通过解析整车模型下的汽车动力学特征。在汽车运动学模型下进行行驶路径规划问题研究，构建车辆轮胎模型,通过魔术轮胎公式对车轮的纵向特征和侧向特征进行解析，得到小角度下车轮侧向力与侧偏角之间线性关系。基于此线性关系将所建立的四自由度整车模型进行线性简化，得到线性二自由度动力学模型用于路径跟踪控制。 其次对传统人工势场法进行阐述，对算法本身目标不可达和局部最优两种缺陷问题进行分析，并进行改进。首先对障碍物进行优化，将传统算法中的点状障碍物优化为面向实际车辆大小的椭圆形障碍物，并拓展到三维空间，以便于规划的路径更加平滑。基于行车安全考虑，建立结构化道路，将传统算法中目标点产生引力优化为主车道中心线产生引力，使其在车道中心线处安全行驶。将行驶道路两侧边界优化为斥力场，防止汽车行驶过程中驶出道路边界，提高行驶过程中的安全性。当行驶过程中遇到前方存在障碍物时，基于改进人工势场法的路径规划算法会主动为车辆规划出局部避障路径，自动驾驶汽车能安全平稳地躲避障碍物，在避障结束后又能主动回到主车道中心线行驶。 然后，基于模型预测控制算法设计用于进行路径跟踪的控制器，以简化后的线性二自由度车辆动力学模型为预测模型在MATLAB/Simulink软件中搭建所设计的跟踪控制器。建立典型双移线道路工况，基于不同行驶车速对所搭建的控制器进行仿真验证。仿真结果表明该控制器符合预期设计要求，可用于路径跟踪控制。 最后，搭建Carsim/Simulink联合仿真实验平台。分别基于无障碍物、单一障碍物、连续障碍物的不同道路工况和行驶车速对本文的规划算法和控制器进行仿真验证；并在此基础上运用智能小车进行小车验证。仿真结果和小车实验均表明：基于改进人工势场法的局部路径规划算法和路径跟踪控制器所规划出的路径连续平滑、规划精度高并且提高了自动驾驶汽车行驶过程中的安全性。 |
| 作者： | 张珂 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 尹燕莉 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 重庆交通大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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