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《吉林大学》 2011年
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高速公路环境中自主驾驶车辆运动规划与控制

丛岩峰  
【摘要】:随着车辆密度的增加交通环境日益恶劣,这需要每位驾驶员在驾驶过程中保持高度的注意力来处理可能的交通状况。但是,驾驶员的任何疏忽都可能导致交通事故的发生,从而危及驾乘人员的生命安全。近些年电子、计算机以及控制技术在现代汽车制造业中的不断更新于应用,使得家用汽车在驾乘安全性方面得到了很大提升。尤其是在80年代初诞生的主动安全系统,比如:防抱死制动系统(ABS)、牵引力控制系统(TCS)以及主动前轮转向系统等,大大减少了由于驾驶员的操作失误而引起的车辆事故。这些车辆动力学控制问题所研究的是通过对车辆底层执行机构的动力学分析和控制来满足车辆运行的稳定性要求。在此架构下驾驶员作为决策层给车辆提供行驶策略,而辅助稳定操控系统作为执行层面的稳定控制器,对驾驶员做出的错误或边界驾驶策略进行补偿。这种车辆在某种意义上讲也是一种自主车辆,只不过这种“自主”是在执行层面上的自主,而不是在决策层面上。显然,这种通过执行机构对决策层的错误策略进行补偿的方法可以提高车辆的操纵稳定性,但是这种方法对于车辆的稳定性控制也是有限的。因此,代替驾驶员在决策层面上的规划与控制问题应运而生。 本文的主要内容是自主车辆在高速公路环境中的自主驾驶问题。 为此,本文首先给出了车辆的运动学模型及其推导过程。分析了简化运动学模型以及一般形式运动学模型分别适合的研究范围。进而给出了适合分析平面车辆动力学特性的平面动力学模型。本文后续章节对车辆的规划以及控制方法进行了探讨,所得结论无法在真车环境下进行初步验证。为此,本文需要一个高阶自由度的车辆模型,该模型能够充分反映车辆的关键运动形式。因此,本文建立了用于算法仿真验证的14自由度的车辆动力学模型。详细描述了车辆簧载与非簧载的动力学建模过程。并通过对悬架与车身结合点受力分析的探讨,将悬架模型和车身模型进行了耦合。耦合后的车辆模型减少了代数环环节,提高了仿真速度。进而结合车辆的传动、转向以及制动系统模型在Simulink中完成了14自由度车辆模型的搭建工作。 采用一般形式的运动学模型对给定路径函数形式的车辆轨迹规划问题进行了研究。在对微分平坦基础知识介绍基础上,结合车辆相关动力学特性,给出了一般形式运动学模型的平坦输出表示过程。通过在轨迹规划过程中考虑车辆的侧向加速度约束,使得车辆轨迹满足侧向稳定性要求。这种离线的轨迹规划适合车辆固定路线巡航的需求,而巡航的一个重要指标就是燃油的经济性。为此,本文在对发动机万有特性曲线分析基础上,通过曲线拟合得到车速和油耗的关系函数,并以此作为轨迹规划过程中的性能指标要求。仿真实验结果表明基于微分平坦的轨迹规划方法降低了优化空间的维度,同时其规划轨迹也保证了车辆运行的安全性与经济性。 目前大部分自主车辆都是通过机器视觉对道路信息进行识别,其识别结果通常以点序列的形式给出。要想获得路径函数还需要对路径点进行拟合处理,这无疑增加了处理负担降低了车辆规划的实时性。因此,本文提出了一种基于路径预瞄点信息的路径跟踪方法。由于车辆工作环境为结构化环境,为了给行为决策提供依据,首先对结构化环境进行了详细的数学描述和定义。在此基础上给出了车道可用性与安全性的定义。给出了基于微分平坦的MPC方法描述过程。进而针对不同车行环境下的驾驶行为给出了相应的MPC路径跟踪算法。在对车辆的纵向运动与侧向运动规划控制过程中,考虑了车辆纵向加速度的时变性,并将其作为MPC控制策略的约束项。在14自由度车辆模型上的仿真结果也表明了该方法的可行性与安全性。 无论是自主车辆还是由驾驶员操作的车辆,在高速公路环境中最怕遇到的就是车辆的爆胎。驾驶员由于其反应延迟以及操作失误很容易导致严重的交通事故。同样,自主驾驶车辆如果没有针对爆胎车辆的轮胎特性以及运动特性而设计的控制器,单纯靠普通动力学设计的控制器也无法很好的保持爆胎车辆运动的稳定性。为此,本文描述了车辆爆胎工况下轮胎性能的变化对车辆稳定性的影响。通过对爆胎工况下不同驾驶操作行为的分析和仿真,给出了这种工况下理想的驾驶行为以及安全评价指标。依据该理想驾驶操作及安全指标制定了爆胎工况下基于MPC的规划控制方法。与人类驾驶员爆胎工况下保守的驾驶操作相比,该方法能够明显提升爆胎后车辆的稳定性。 论文对所提出的工况以及所使用的方法进行了明确的论证与仿真,并针对自主车辆的规划以及控制器设计给出了详尽的推导过程。为了验证本文所提出的方法的有效性,设计了几种典型工况以及联合工况下的仿真实验。本文从车辆的系统建模,基于微分平坦的轨迹规划方法介绍,基于微分平坦的MPC方法描述,结构化环境的描述定义以及爆胎车辆的运动特性等方面都给出了详细的分析和讨论。结果表明,文中所提的自主车辆高速公路规划及控制方法效果令人满意。 本文的研究工作也存在一些遗憾,例如在建立14自由度车辆动力学模型过程中忽略了侧向风阻对车辆运动特性的影响,使得模型在分析车辆高速转向过程中会存在建模误差。另外,5自由度车辆动力学模型的平坦输出表示过程也值得进一步研究和探讨。
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