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自动驾驶汽车局部避障路径规划和跟踪控制研究
| 论文题名： | 自动驾驶汽车局部避障路径规划和跟踪控制研究 |
| 关键词： | 自动驾驶汽车;局部避障路径规划;路径跟踪;人工势场法;模型预测控制 |
| 摘要： | 当今交通事故频发，其中驾驶员操作失误是主要原因之一。自动驾驶技术的发展为减弱或摆脱人为因素提供了最有效的解决办法，目前是世界公认的汽车发展趋势。其中，局部避障路径规划和路径跟踪控制是自动驾驶汽车的关键，对汽车的智能化水平和行驶安全稳定性有着决定性影响。因此，本文针对自动驾驶汽车局部避障路径规划与路径跟踪控制策略展开研究。主要研究内容如下： 采用分层控制架构搭建局部避障路径规划和跟踪控制模型。上层为避障路径规划层，基于APF（ArtificialPotentialField）和MPC（ModelPredictControl）算法设计了两种避障路径规划器。其中，在设计APF避障路径规划器时，在斥力场引入了车辆与目标点的距离因子，增设了虚拟子目标点，建立了道路边界斥力势场。在设计MPC避障路径规划器时，对目标函数中的避障功能函数进行了优化改进。 下层为跟踪控制层，基于MPC算法设计了路径跟踪控制器。基于CarSim/Simulink联合仿真模型分别在30km/h、60km/h和90km/h的车速下跟踪双移线参考路径进行了仿真验证。结果表明，三种车速下的最大横向跟踪误差分别为0.30m、0.35m、0.40m，最大横摆角误差分别为5.2°、4.6°、3.5°，且各稳定性表征量均在合理范围内，说明所设计的控制器在不同车速下均具有良好的跟踪能力和行驶稳定性。 将前面设计的两种规划器分别与跟踪控制器结合，搭建了两种集成控制系统模型并进行仿真。首先，在过度避障工况下进行仿真，结果表明，改进的MPC规划器能够避免过度避障的情况；在不同车速和路面附着系数下进行仿真，结果表明，改进的MPC规划器能够很好地适应车速和路面条件的变化。然后，在双移线避障和结构化道路直线避障工况下进行仿真，分析对比两种集成系统的控制效果，结果表明，两种集成控制系统在不同工况下都可以成功实现避障路径规划和跟踪，且车辆具有良好的稳定性，但不同工况下均是双层MPC控制系统的路径更加平滑。 采用仿真效果更好的双层MPC控制系统模型进行了直线避障实车试验，结果表明，试验车成功避开了障碍物，方向盘转角最大绝对值为188.2°，横摆角速度最大绝对值为9.411°/s，均在合理范围内，说明本文所设计的双层MPC控制系统的避障跟踪效果良好，行驶过程符合稳定性需求，具有一定的可靠性。 |
| 作者： | 王亚平 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 张丽霞;杨朝会 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 青岛理工大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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