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原文传递考虑运动规划可行性的泊车轨迹规划与跟踪控制方法研究

论文题名：	考虑运动规划可行性的泊车轨迹规划与跟踪控制方法研究
关键词：	自动泊车;轨迹控制;目标跟踪;运动规划;PID理论
摘要：	在汽车智能化、网联化的浪潮下，自动泊车技术作为自动驾驶框架中不可或缺的重要组成部分，是当前国内外科研院所的研究热点。在以往泊车运动规划的研究中，关注的重点在于如何设计出一条泊车轨迹，而对于规划的轨迹、路径是否可行研究较少。本文采用考虑运动规划可行性的最优控制方法，在各种约束条件下对标准垂直、平行以及狭小平行车位规划泊车轨迹。大量仿真结果表明，使用考虑运动规划可行性的最优控制方法规划的泊车轨迹，具有良好的轨迹可行性以及车位适应性。此外，为了解决泊车轨迹跟踪控制器适应性不强的问题，利用Stateflow图形化语言设计了泊车决策模块，仿真结果表明加入决策模块的控制器能够适用于多种泊车工况。　　首先，进行了运动规划可行性分析、泊车轨迹规划方法的研究以及初始解的建立。搭建了符合泊车工况的车辆运动学模型，并结合相关约束进行了运动规划可行性分析，总结了可行性依据，并通过公式和仿真验证了车辆的运动迹线是由4种典型的可行曲线组合而成。为了设计出可行的能够满足各种约束条件的泊车轨迹，采用考虑运动规划可行性的最优控制方法对泊车轨迹规划问题进行描述，使用全联立正交配置有限元法把最优控制问题离散化，转化为非线性规划问题，为了提高求解速度，利用基于改进动态窗口法为非线性规划提供初始解。　　其次，进行了多工况泊车轨迹规划和其他因素对泊车轨迹规划结果影响的研究。具体来说，分别对标准垂直、平行以及狭小平行车位展开了泊车轨迹规划，规划结果表明使用考虑运动规划可行性的最优控制方法生成泊车轨迹时，可以扩大泊车起始区域范围并降低起始位姿要求。通过对规划得到的结果进行分析并加以计算，并与五次多项式和B样条生成的泊车路径进行对比，验证了规划的轨迹满足轨迹可行性的要求。为探索前轮转角大小、平滑代价函数权重以及原地转向对泊车轨迹规划结果的影响，分别对以上三种因素展开研究，仿真结果表明：前轮转角极限值越大，机动性能越强，越容易完成泊车操作；平滑代价函数权重越大越容易造成泊车轨迹的延长和多步泊车情况的发生；允许原地转向可以减少泊车耗时。最后，研究了初始解对非线性规划求解时间的影响，通过仿真验证了基于改进的动态窗口法生成的初始解相较于混合A*法，在求解相同规划问题时计算耗时减少2%~5%。　　最后，进行了泊车轨迹跟踪控制器的设计和仿真验证。在Carsim/Simulink联合仿真平台中搭建了泊车场景，并利用模型预测控制理论、PID理论以及Stateflow建立了横向控制器、纵向控制器和决策模块，分别完成了对标准垂直、平行以及狭小平行车位的多工况轨迹跟踪仿真实验。通过仿真得到单步和多步泊车最大跟踪误差分别小于3.2cm、4.93cm，最大航向误差分别小于0.3度、0.47度，说明所设计的控制器和决策模块具备不错的控制效果。此外，为了减小前轮抖动的问题，采用适度减小前轮偏转控制增量以及使用投影点代替匹配点参与计算的两种解决方法，并通过仿真完成了对方法的验证。
作者：	龚显旭
专业：	车辆工程
导师：	白艳
授予学位：	硕士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2022