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智能车局部轨迹规划与轨迹跟踪控制研究
| 论文题名： | 智能车局部轨迹规划与轨迹跟踪控制研究 |
| 关键词： | 智能车;局部避障;轨迹规划;轨迹跟踪控制 |
| 摘要： | 随着汽车总量的快速增加，交通事故的频发，人们越来越关注汽车行驶过程中的安全问题。驾驶者人为失误是造成交通事故的主要原因之一，而自动驾驶技术的发展便可以减少由人为因素造成的交通伤害。局部避障轨迹规划和轨迹跟踪控制作为自动驾驶技术的关键组成部分，对智能车无人驾驶时的安全性和舒适性有着决定性的影响。因此，本文基于数值优化和样条插值的思想，研究了一种局部避障轨迹规划器；基于模型预测控制和自抗扰控制理论，研究了一种轨迹跟踪控制器。主要研究内容如下： （1）通过魔术公式轮胎模型对轮胎的纵、侧向特征进行分析，得出轮胎侧向力与侧偏角的线性关系。由此关系搭建大地坐标系下的线性车辆动力学单轨模型；再基于此模型改写 Frenet 坐标系下的线性轨迹跟踪误差模型，用于横向路径跟踪控制器的设计。 （2）基于大地坐标与Frenet坐标的转换关系，对全局路径进行了优化处理并生成参考线。将局部避障轨迹规划解耦成路径规划和速度规划。针对城市结构化场景，基于期望最大化算法和样条插值的思想设计局部避障路径规划器，考虑到高阶多项式曲线曲率不连续等问题，基于分段加加速度(jerk)改进路径优化算法；考虑到传统算法中的点状和椭圆车辆形状模型对开辟凸空间的影响，将车辆体积的数学模型改进为角点模型。建立离散的 S-T 图，基于样条插值的方法连接采样点，设计考虑安全性与舒适性的多目标成本函数，利用动态规划理论解决速度决策问题并开辟凸空间。再利用改进后的优化算法对规划速度进行二次优化。通过仿真试验对比，验证了所设计的局部轨迹规划算法的可行性。 （3）基于Frenet坐标系内的轨迹跟踪误差模型建立预测模型，考虑到每周期控制量的跳变问题，将预测模型改进为增量型预测模型；考虑城市工况行驶特点，并结合车辆动力学等约束条件，建立目标成本函数，利用 QP 求解器求解二次型成本函数，得到了基于MPC的横向控制器。针对PID控制方法的不足，建立了基于串级 ADRC 的纵向控制器，并制作油门和刹车标定表。搭建 Matlab/Simulink-Carsim联合仿真平台，对控制器性能进行仿真验证。 （4）搭建了基于Prescan-Matlab/Simulink-Carsim的局部轨迹规划与跟踪控制一体化仿真平台，进行城市结构化道路多工况仿真试验，并对试验结果进行分析，验证本文所研究规划和控制算法的性能。 |
| 作者： | 张志豪 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 李伟 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 重庆交通大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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