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原文传递面向分布式驱动车辆的自动驾驶漂移避障算法研究

论文题名：	面向分布式驱动车辆的自动驾驶漂移避障算法研究
关键词：	自动驾驶车辆;分布式驱动;避障轨迹规划;动态漂移控制;最优控制
摘要：	汽车“低碳化、信息化、智能化”相互支撑、彼此赋能，正在引领全球汽车技术创新发展。动力系统加速向低碳化发展的过程中，分布式驱动电动汽车凭借四轮独立驱动、动力传递效率高等构型方面的优势以及降低整车能耗、提升整车稳定性与安全性等方面的潜力，逐渐成为全球汽车动力系统转型升级的重要方向之一。信息化与智能化指向未来汽车对“安全、舒适、高效”的更高追求，因此智能网联汽车的自动驾驶系统应不断提升其在行车安全方面的能力，避障功能的研究对于提高自动驾驶车辆安全性能具有重要的推动作用，现有的避障技术研究通常较为保守，无法适应一些极限工况，而自动漂移技术的加入能够提高车辆的操控范围，拓展车辆的避障能力。　　本文以分布式驱动电动汽车为载体，将漂移特性融入到车辆的避障研究中，探索车辆常规稳定极限外行驶能力的避障轨迹规划算法和适应四轮独立驱动构型车辆的漂移控制算法，扩大车辆的可控区域，增强自动驾驶技术处理极限避障工况的能力，提高自动驾驶车辆的安全性能。具体研究内容如下：　　（1）采用三自由度动力学模型和耦合形式的Fiala轮胎模型描述分布式驱动车辆的动力学特性。通过相图分析和平衡分析对车辆的稳态漂移工作点进行研究，并分析前轮纵向力对车辆漂移平衡的影响，研究发现分布式驱动车辆相较于后轮驱动车辆在行驶过程中具有更好的可控性，前轮制动会缩小车辆的稳定行驶区域，前轮驱动会扩大车辆的稳定行驶区域，此外，前轮纵向力的减小会提高前轮转角对车辆漂移转弯半径的控制能力。最后通过切线空间探索稳态工作点附近控制系统驱动和稳定车辆的能力，结果表明后轮驱动车辆为欠驱动系统，状态导数间相互依赖，而分布式驱动车辆由于前轮纵向力的独立控制，解除了状态导数间的耦合，将欠驱动系统带到了全驱动系统，因此其漂移过程中的速度、质心侧偏角和横摆角速度能够进行独立控制。　　（2）提出极限工况车辆动态漂移避障轨迹规划算法。将车辆的漂移特性融入到避障规划中，提高自动驾驶车辆的主动避障能力，基于NMPC原理建立动态漂移避障轨迹规划算法。首先在分布式驱动车辆三自由度模型的基础上，将车辆的位置信息和执行器输出一起视为车辆的扩展状态，同时将执行器输出的导数作为系统的输入，最终形成9个状态量和3个输入量的系统预测模型。然后建立目标函数及其约束形成动态漂移避障最优控制问题，并在约束中提出车辆最大稳定边界限制，扩大车辆的质心侧偏角和横摆角速度边界。最后利用非线性规划方法对避障规划建立的最优控制问题进行求解得到车辆的避障轨迹。通过U型弯道路场景对算法进行验证，结果表明，动态漂移避障轨迹规划算法实现了车辆在紧急避障工况中的安全行驶路径规划，同时能够充分调动车辆性能，允许车辆状态超出常规稳定极限，以漂移的动作绕开障碍物。　　（3）建立具有分层架构的分布式驱动车辆动态漂移控制算法。控制算法分为三层，第一层为路径跟踪控制层，采用LQR算法进行设计，实现参考路径的跟踪和期望状态的生成；第二层为车辆运动控制层，通过建立状态误差关系、分布式驱动车辆动力学逆模型和轮胎模型反演来生成期望的前后轮轮速和前轮侧偏角；第三层为执行器调节层，将期望的轮速和轮胎侧偏角转换为可调节的执行器输出，即方向盘转角和各车轮的驱动力矩。搭建Simulink/CarSim联合仿真平台，对分布式驱动车辆动态漂移控制算法进行仿真验证，设置了质心侧偏角恒定速度变化和速度恒定质心侧偏角变化的两种定圆稳态漂移工况，结果表明，动态漂移控制算法可以实现车辆的稳态漂移控制，并验证了分布式驱动车辆漂移过程中速度、质心侧偏角和横摆角速度可独立控制的特点。此外设计了车辆的动态漂移试验，试验结果证明了动态漂移控制算法可以实现车辆的漂移和常规转弯的集成控制，扩大了车辆的操控范围，改善了车辆的机动性。　　（4）设计S型弯道场景模拟车辆高速行驶时的紧急避障工况，充分验证本文提出的面向分布式驱动车辆的自动驾驶漂移避障算法的有效性，其中避障轨迹规划算法利用Matlab进行离线测试，在验证其可行性的同时，由于分布式驱动车辆动态漂移控制算法具有较好的实时性，将其部署在硬件在环仿真测试平台上进行验证。结果表明分布式驱动车辆能够在紧急避障工况中能够根据避障需要以漂移的方式躲避障碍物，证明了本文漂移避障算法的有效性，提高了车辆的主动安全性能。
作者：	赵选铭
专业：	车辆工程
导师：	陈国迎
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023