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自动驾驶车辆的换道轨迹规划与跟踪控制
| 论文题名： | 自动驾驶车辆的换道轨迹规划与跟踪控制 |
| 关键词： | 自动驾驶;模型预测控制;轨迹规划;轨迹跟踪;车辆换道 |
| 摘要： | 在高速换道过程中，频繁发生的交通事故严重危害着乘车人的生命安全。自动驾驶车辆换道轨迹规划与跟踪控制的研究，能有效避免交通事故的发生。为了使自动驾驶车辆安全完成换道，提高道路交通系统的安全性，本文针对高速行驶环境下，自由换道和强制换道两种行驶工况，分别进行轨迹规划与跟踪控制研究，具体内容包括： （1）Frenet坐标系下动力学建模 综合考虑三种坐标系，忽略空气阻力，通过牛顿第二定律，分析换道时车辆的受力情况，建立车身坐标系下动力学模型。为了便于行驶轨迹的描述，通过变换坐标，建立Frenet坐标系下动力学模型，为之后轨迹跟踪控制算法的设计提供理论基础。 （2）自动驾驶车辆的换道轨迹规划 针对五次多项式换道法仅在初始时刻规划换道轨迹的问题，本文结合行驶环境边界条件，建立五次多项式换道轨迹模型。将换道轨迹规划解耦成横、纵向轨迹规划。综合考虑换道性能指标，建立横向轨迹优化模型。通过庞特里亚金最小原则求得最优换道持续时间。将连续时间纵向运动方程离散化建立预测模型，通过模型预测控制算法，对纵向速度进行滚动优化，从而达到动态换道的目标。 （3）自动驾驶车辆的换道轨迹跟踪控制 针对轨迹跟踪控制算法计算量大，鲁棒性差等问题，本文对横、纵向轨迹跟踪进行解耦控制，从而降低计算量。采用实验的方法，制作油门/刹车标定表，通过双PID控制器进行纵向轨迹跟踪控制；采用Ackermann公式设计控制函数，将滑模切换函数替换为状态向量的第四个状态量，从而证明系统运动点到达滑模面以后，不受外界扰动影响，具有较好的鲁棒性；通过李雅普诺夫函数证明了系统可以在有限时间内到达滑模面。 （4）高速行驶环境下两种换道场景的仿真验证 通过Matlab/Simulink分别与Prescan、Carsim联合仿真，对自动驾驶车辆的换道轨迹规划与跟踪控制进行仿真验证。仿真结果表明，加入模型预测控制算法的五次多项式轨迹规划方法可以有效的动态规划换道轨迹。综合滑模变结构控制算法和双PID算法的轨迹跟踪控制器具有较强的鲁棒性，能够有效的控制换道车辆沿期望轨迹平稳行驶。 |
| 作者： | 宋秋鑫 |
| 专业： | 电气工程 |
| 导师： | 张袅娜;甄志强 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 长春工业大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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