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原文传递分布式后驱车辆自动驾驶轨迹跟踪控制方法研究

论文题名：	分布式后驱车辆自动驾驶轨迹跟踪控制方法研究
关键词：	分布式驱动车辆;自动驾驶;路径规划;轨迹跟踪;控制系统
摘要：	自动驾驶技术在缓解交通拥堵、降低交通事故的伤亡率、减少污染排放等方面有积极的意义。路径规划和轨迹跟踪控制是自动驾驶的关键技术，前者规划出一条高效安全的路径，后者则是控制车辆精确稳定地跟踪路径，轨迹跟踪控制的精度和稳定性将直接影响车辆的行驶安全。分布式驱动车辆由于其特殊的驱动形式，传统的轨迹跟踪控制方法在应用上具有一定的局限性，因此本文围绕自动驾驶分布式后轮驱动车辆设计了路径规划以及轨迹跟踪控制系统，用于解决分布式后轮驱动自动驾驶车辆横向跟踪控制、纵向速度控制和驱动扭矩分配的问题，具体内容如下：　　（1）针对自动驾驶方程式赛车如何在锥桶赛道中完成更快圈速的问题，基于方程式赛车和锥桶赛道设计了路径规划和速度规划算法。其中全局路径规划算法以中心离散点为基础，以全局最小曲率平方和为优化目标建立优化模型，转化为二次规划问题进行求解，得到全局最小曲率路径。局部轨迹规划首先利用车辆位姿信息将全局路径离散点从世界坐标系转换到车辆坐标系下，然后选取车辆前方若干个点进行路径拟合，以路径弧长为参数，设计参数方程，利用最小二乘法对离散点拟合，得到目标轨迹。局部速度规划则是通过计算局部轨迹的最大曲率，并以最大横向加速度为限制规划弯道速度，以最大速度规划直道速度，得到目标速度。　　（2）为解决分布式后轮驱动自动驾驶车辆对目标路径的跟踪控制和驱动扭矩分配问题，设计了横纵向解耦控制系统跟踪规划模块得到的目标路径和目标速度，系统包括横向控制器、直接横摆力矩控制器和纵向速度控制器。其中横向控制器以局部轨迹为参考，基于模型预测控制设计控制器，以前轮转向角度为控制量，建立车辆运动学模型，目标函数包含横向误差、航向误差、控制增量等成本项，求解最优控制量。直接横摆力矩控制器根据车辆前轮转向角度和纵向速度计算目标横摆角速度，建立车辆横向动力学模型，设计LQR控制器跟随目标横摆角速度，计算附加横摆力矩。纵向速度控制器根据实际速度与目标速度的误差，利用PD控制器跟踪目标速度，计算驱动扭矩，并根据附加横摆力矩分配扭矩。　　（3）为提高对目标路径跟踪控制的精度，在上述横纵向解耦控制框架的基础上，提出了一种横纵向耦合控制系统。首先以前轮转角和驱动轮纵向力为控制量，建立分布式后驱车辆的横纵向动力学模型，并将其转换到frenet坐标系下。基于模型预测控制算法设计控制器，目标函数考虑了车辆与目标路径的横向误差、航向误差，以及和目标速度的速度误差，并且添加轮胎侧偏角约束和道路边界约束，保证对目标路径的精确跟踪。最后设计扭矩控制算法，根据纵向力计算驱动扭矩。
作者：	林子鹏
专业：	机械工程
导师：	敖银辉
授予学位：	硕士
授予学位单位：	广东工业大学
学位年度：	2023