详情

原文传递自动驾驶汽车横纵向分层控制研究

论文题名：	自动驾驶汽车横纵向分层控制研究
关键词：	自动驾驶;路径跟踪;分层控制;切换策略;交通事故
摘要：	近年来，自动驾驶汽车的路径跟踪技术在改善车辆的动态行为方面起着重要作用，极大地减少了人为操作失误、交通事故率并提高了汽车安全性。在路径跟踪控制研究中，本文以可拓控制理论建立了横向跟踪控制器，采用常规理论和MPC的方法设计了纵向速度跟踪控制器，对车辆的路径跟踪及控制进行了研究，主要完成了以下研究内容：　　(1)建立了车辆二自由度动力学模型，为证明所建立模型的准确性，将建立的模型和Carsim的模型以相同信号输入进行参数对比性验证，对比分析结果证明了本文所建立的模型在准确度上满足且符合跟踪控制的要求。为了分析和研究所建模型对车辆操作稳定性以及舒适性的影响，应用魔术公式以及Carsim相应的数据进行了轮胎力拟合，完成了轮胎侧偏刚度的辨识。为体现车辆与期望路径之间的关系，利用预瞄理论建立了车辆预瞄跟踪误差模型，为后续控制研究奠定了基础。　　(2)在车辆的横向跟踪控制器设计中引入了可拓学理论，设计了分层可拓控制器。其中在上层控制器设计中，确定了曲率和预瞄横向位置误差作为特征量，并以特征量构建可拓集合形成区间套，进而将控制区间分成了经典域、可拓域以及非域，使用关联函数对各控制区间内的控制难易程度进行分析，并通过求解关联函数设定相应的测度模式；在下层可拓控制器设计中，为了满足不同测度模式下的控制要求，采取了模糊PID反馈控制、GA-LQR反馈控制以及基于PID的转角补偿对车辆在全域跟踪下进行跟踪控制，分别对应经典域、可拓域和非域，在Carsim和Simulink联合仿真平台下进行仿真，研究结果表明：本文设计的可拓控制器在控制过程中跟踪精度上相较于其他单控制器有良好的改善，并且在稳定性方面也得到了一定的提高，使得车辆在跟踪过程中的综合表现良好。　　(3)采取了常规的双层控制策略建立了纵向跟踪控制器，实现对车辆的纵向运动控制。设计了基于PID的位置控制器和基于MPC的速度上位控制器，并使用了粒子群算法对PID参数进行了优化，同时设计了下位速度控制器。在非匀变速和匀变速工况下研究结果表明，设计的分层控制器在速度跟踪上能够保证良好跟踪精度的同时具有较好的稳定性。为真实体现车辆在实际路径跟踪过程中车辆在转弯的同时进行变速操作与行驶，本文结合横向跟踪控制器以及纵向跟踪控制器搭建了横纵向协同控制架构：首先在不同附着路面情况下进行了仿真分析及验证，实验结果表明，本文设计的控制器在跟踪精度和稳定性上可以适应多种不同附着系数路面，且稳定性较好。在分析了大多数驾驶员换道停车的驾驶习惯后，设置了需要经过加速、换道、停车的轨迹，同时为满足山区道路多环形转弯道路的情况，设置了环形道路轨迹，通过Matlabamp;Simulink和Carsim进行了联合仿真，研究结果表明，车辆整体的跟踪误差维持在0.01m以内，横摆角速度维持在0.06rad/s以内，车辆在本文设计的横纵向协同控制架构下的跟踪精度和稳定性方面均有良好的表现。
作者：	杜军琼
专业：	车辆工程
导师：	李军
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023