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掉头场景下自动驾驶车辆轨迹规划与跟踪控制研究
| 论文题名： | 掉头场景下自动驾驶车辆轨迹规划与跟踪控制研究 |
| 关键词： | 自动驾驶车辆;掉头场景;有限状态机;路径速度规划;模型预测控制 |
| 摘要： | 随着自动驾驶技术不断发展，复杂交通场景的研究是研究难点：相对于无信号控制交叉口，掉头场景中的车辆要处理更为复杂的交通场景问题，比如，对向冲突车辆的间隙选择、交通标识识别、信号灯阶段判断等。自动驾驶车辆需要快速准确地识别和响应这些因素，才能安全地完成掉头操作。为保障车辆的安全与效率，需要对自动驾驶的掉头场景进行深入研究。车辆的轨迹规划和运动控制是实现自动驾驶的关键技术，因此，城市的掉头场景与自动驾驶规划与控制研究的结合尤为重要。为此，本文以掉头场景的车辆为研究对象，优化改进了自动驾驶掉头车辆的轨迹规划和控制方法，具体工作内容如下： (1)建立掉头场景的决策模型。首先通过实际调研的数据分析掉头车辆的轨迹特性、冲突特性。同时，为确保自动驾驶车辆的安全运行，考虑了掉头车辆如何汇入对向车道的问题，分别以单个或多个掉头车辆的具体场景构建了掉头场景下的车辆决策模型，根据不同驾驶条件利用有限状态机转换主车的驾驶状态。 (2)优化掉头车辆的轨迹规划模型。为方便轨迹求解，先构建Frenet曲线坐标系，并将参考线进行平滑处理。在路径规划中，利用动态规划算法确定路径粗解，再通过二次规划对粗解进行优化，以达到不与任何障碍物碰撞且满足约束的规划目的。在速度规划中，对规划的路径进行速度分配，并根据实际的道路条件和车辆运行状况，加入对应的约束条件，以确保轨迹的安全性、舒适性和可行性。通过将路径与速度分离，轨迹规划模块将复杂的三维问题转换成更加简单的二维问题，实现掉头场景下掉头车辆的轨迹规划。接着使用Matlab中的DrivingScenarioDesigner模块搭建规划场景，利用优化后的轨迹规划方法实现车辆的掉头、跟车、换道等功能。 (3)实现掉头车辆轨迹跟踪。为实现对规划路径的精确跟踪，围绕自动驾驶车辆在掉头场景下的运动控制问题优化了模型预测控制方法，考虑了掉头车辆的半径约束、运动学模型对车辆运行稳定性和转向特性的影响，利用二自由度车辆模型建立路径跟踪偏差状态方程，并基于滚动优化的思想对轨迹进行求解，以确保车辆稳定和安全运行。 (4)搭载联合仿真模型。为验证本文提出的掉头场景下的规划和控制算法性能，在算法验证部分使用CarSim构建车辆模型，以Simulink作为仿真信号接口，搭载了掉头场景，并对规划的轨迹进行跟踪。结果表明，轨迹规划算法能够产生无碰撞的轨迹，运动控制模块有良好的控制性能，本文方法在时间消耗上优于线性二次调节器方法的控制效果。 |
| 作者： | 李霖 |
| 专业： | 交通信息工程及控制 |
| 导师： | 曲昭伟 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 吉林大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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