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考虑驾驶员预瞄特性的车辆路径跟踪控制研究
| 论文题名： | 考虑驾驶员预瞄特性的车辆路径跟踪控制研究 |
| 关键词： | 无人驾驶;模型预测控制;路径跟踪;非线性轮胎模型;动态避障;驾驶员预瞄 |
| 摘要： | 为了提高智能车辆在复杂多变场景中的路径跟踪能力和车辆稳定性，提升车辆的智能化程度，推进车辆的智能化发展，故积极对智能车辆的路径跟踪控制进行研究。 首先，考虑到车辆在较差路面条件、较高车速等情况下轮胎力会进入非线性区，进而导致路径跟踪效果变差，设计了一种基于非线性轮胎模型的模型预测算法(ModelPredictiveControl,MPC)控制器，轮胎力的表达方式不采用简化的线性刚度表达式，而是直接采用魔术公式复合函数关系式。采用泰勒级数展开和一阶差商的方法进行连续化、离散化处理，采用复合函数的偏导数进行矩阵变换，控制量为前轮转角，输出量为车辆横摆角和车辆横向位置。通过Carsim/Simulink的联合仿真，结果显示设计的控制器比常规线性表达的控制器性能更优。 接着，考虑驾驶员预瞄特性的影响，建立了两点预瞄驾驶员-车辆闭环系统，在两点模型中，通过预瞄近点获取侧向位移偏差来调整车辆的转向动作，通过预瞄远点获取远方的道路曲率来为下一时刻的转向做准备。不同的驾驶员具有不同的预瞄反应时间、不同的神经肌肉延迟和不同的操纵行为，对车辆的影响也是不同的，故将两点预瞄驾驶员特性模型作为状态量加入至预测模型中，前轮转角仍作为控制量。通过Carsim/Simulink的联合仿真，设计了不同曲率的参考路径，选取了两种不同参数表征的不同熟练度的驾驶员模型，结果显示不同驾驶员模型对车辆的影响不同，考虑熟练驾驶员模型的控制器性能效果更优。 然后，为了验证第二章和第三章所设计控制器的实际效果，进行了硬件在环试验，搭建了基于NI-PXI和dSpace的硬件控制系统的在环试验台架，对试验方案进行了设计和详细说明，将设计好的MPC控制器模型下载到dSpace的MicroAutoBox之中，通过LabVIEW-RT和Carsim的联合仿真，根据PXI的CAN通信传来的车辆状态和道路信息计算出主动转向角，并配合底层控制器驱动电机完成主动转向。试验结果验证了第二章和第三章所设计的控制器的性能效果。 最后，考虑到实际道路上存在障碍物的问题，设计了“局部轨迹重新规划+全局路径跟踪控制”的两层控制体系。在规划器中考虑车辆点质量模型和单点预瞄驾驶员模型，设计了避障惩罚函数，同驾驶员模型一起加入至目标函数中进行求解，规划器实时规划出拟合的五次多项式曲线路径，曲线路径传入至MPC控制器中实现跟踪控制，控制器中预测模型为车辆动力学模型和单点预瞄驾驶员模型。通过Carsim/Simulink的联合仿真验证了控制体系的有效性，不同的驾驶员模型均能实现避障任务和全局路径跟踪任务，且考虑熟练驾驶员模型的控制器性能更优。 |
| 作者： | 孙铭鸿 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 林棻 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 南京航空航天大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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