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原文传递基于参数优化的自动驾驶电动汽车横纵向协同控制研究

论文题名：	基于参数优化的自动驾驶电动汽车横纵向协同控制研究
关键词：	自动驾驶电动汽车;横向跟踪控制;纵向速度控制;参数优化
摘要：	自动驾驶汽车作为智能交通板块中非常热门的研究发展方向之一，该体系赋予汽车以感知定位、决策规划和控制跟踪等综合实现能力，可以实现无需驾驶员的干预，自主完成设定任务。其中，控制跟踪作为自动驾驶技术模块的最后一个重要环节，即通过相应横向和纵向控制算法来实现车辆沿着预期的路径轨迹跟踪行驶，且能够实现特殊路段的车速自适应变化，从而实现车辆的安全、高效且稳定地完成驾驶任务。因此，本文就自动驾驶汽车的横向跟踪控制及纵向跟踪控制展开详细的研究，主要研究内容如下：　　（1）本文首先采用了车辆单轨二自由度动力学模型。其次，为表达车辆与期望轨迹之间的真实关系，也建立了车辆跟踪误差模型。为了更好的分析所建立上述模型对于车辆的操纵稳定性，以及对车辆的安全性和舒适性的影响，建立了基于魔术公式的轮胎模型，基于魔术公式完成了轮胎侧偏刚度的辨识。　　（2）其次，针对自动驾驶电动汽车横向跟踪问题，为使得汽车以高精度和较好的稳定性跟踪期望路径，提出了基于遗传算法优化并考虑前馈控制和小角度转角补偿的LQR横向路径跟踪控制器。遗传算法能够对LQR算法的加权矩阵参数进行自适应寻优，相较于单独使用LQR算法而言，两种算法融合应用可以较好的适应了复杂道路的跟踪行驶，有助于改善跟踪精度及稳定性。前馈控制较好的解决了系统存在稳态误差的缺陷，小角度转角补偿控制弥补了因车辆模型失配而导致的横向误差变化抖震较大的问题。并设计了S曲线道路和双移线道路在不同车速工况下进行仿真验证，结果表明：优化后的LQR控制器具有较好的动态响应和良好的系统鲁棒性，让车辆可以以较小的控制能量输入来达到较好的跟踪控制效果，并使得车辆在跟踪行驶的稳定性进一步提升。　　（3）再者，针对纵向速度控制，采用分层式控制方法，实现对车辆的纵向运动控制。因此，设计了基于PID的位置控制器和基于MPC的速度上位控制器，同时设计了纵向速度下位控制器。并设计了变加速车速的仿真工况和变减速车速的仿真工况来综合验证控制器的可靠性和稳定性。结果表明，在变加速仿真工况和变减速工况下，所设计的分层式纵向速度控制器保证了跟踪精度的同时也保障了乘坐的舒适性要求。　　（4）最后，针对不同的工况下汽车都以固定的速度进行跟踪时，尤其在高速且曲率变化较大道路行驶，由于无法调整车速很难保证车辆稳定通过。因此结合第三章GA优化的LQR横向跟踪控制器及第四章分层式纵向速度跟踪控制器设计了横纵向协同控制系统，以此来协同控制自动驾驶汽车的方向盘转角、节气门开度和制动压力。并在车辆动力学仿真软件CarSim与Matlab/Simulin中，设计了换道泊车工况及避障换道超车工况来验证横、纵向协同控制在不同范围车速变化下的轨迹跟踪性能，仿真结果表明：两种工况下所设计的横纵向协同控制器具有良好的控制效果，即使在高速情况下也可保持较好跟踪平顺性。
作者：	张栩源
专业：	车辆工程
导师：	李军
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022