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自动驾驶车辆换道轨迹规划与跟踪控制研究
| 论文题名： | 自动驾驶车辆换道轨迹规划与跟踪控制研究 |
| 关键词： | 自动驾驶;车辆换道;轨迹规划;模型预测控制;目标跟踪 |
| 摘要： | 自动驾驶技术的发展有利于减少交通事故，提高交通效率。主动换道技术作为自动驾驶核心功能，已成为汽车领域研究热点。本文以结构化道路上的多车交通场景为研究对象，为实现自动驾驶车辆安全、高效和舒适的换道操作，对自动驾驶车辆换道轨迹规划、避障重规划以及横纵向轨迹跟踪控制算法进行研究，具体内容如下： 分析多车交通场景下的车辆换道过程，对换道可行性及换道轨迹规划进行研究。以车辆质心作为自车参考点建立换道安全模型，求出本车与其他车辆的换道安全系数并对换道可行性做出判断。基于五次多项式求解多约束条件下的换道轨迹簇，并提出模糊变权重的目标函数选取最优换道轨迹。仿真结果表明，基于模糊变权重的换道轨迹规划策略可以规划出适应当前工况的合理换道轨迹。 针对换道过程中其他车辆行驶状态改变所导致的碰撞风险增加的情况，基于模型预测控制(MPC)提出换道轨迹重规划策略，并进一步划分为换道轨迹修正策略、换道折返策略以及前向主动避撞策略。根据碰撞风险重规划出车辆纵向速度，建立车辆点质量预测模型，提出基于矩形安全邻域的碰撞风险函数；根据不同策略的具体要求分别设计目标函数，以获取不同工况下的最优控制量；基于五次多项式拟合出重规划轨迹，将轨迹输入跟踪控制层，并在下一重规划时刻继续求解最优控制量，实现滚动重规划。 对自动驾驶车辆轨迹跟踪控制进行研究。以魔术轮胎模型和车辆三自由度动力学模型为基础，建立基于MPC的车辆横向控制器。纵向控制器采用分层式设计，其中上位控制器为位置、速度双PID控制器，根据状态偏差求解期望加速度；下位控制器首先选择行驶模式，之后通过逆动力学模型计算出驱动模式下的期望电动机转矩或制动模式下的期望制动主缸压力，实现纵向控制。以纵向车速为联合点，并添加约束条件，建立横纵向综合控制器。搭建MATLAB/CarSim联合仿真平台，基于双移线工况验证了控制器可实现对参考轨迹的精确、稳定跟踪。 将换道轨迹规划层和轨迹跟踪控制层进行分层集成设计，上层为换道轨迹规划层，由换道轨迹规划模块和换道轨迹重规划模块组成；下层为轨迹跟踪控制层，可实现车辆的横纵向控制。基于集成控制器设计仿真试验，仿真结果表明：轨迹跟踪层可实现对常规换道轨迹的精确跟踪，同时保证良好的行驶稳定性和驾乘舒适性；三种轨迹重规划策略均能在对应工况下实现车辆避撞，同时仍保证车辆的行驶稳定性。 |
| 作者： | 范吉康 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 李耀华 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 长安大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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