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紧急避让工况智能车轨迹跟踪控制算法研究

滕飞  
【摘要】:近年来,随着人工智能、物联网、大数据等新一代电子信息技术的快速发展,电动化、网联化和智能化已然成为汽车未来的发展方向。自动驾驶技术作为汽车智能化的核心技术,为改善交通拥堵、车辆行驶安全和乘坐舒适性提供了巨大保障。本文围绕选题“紧急避让工况智能车轨迹跟踪控制算法研究”,研究自动驾驶车辆在实施紧急避障过程中的典型路径规划、轨迹跟踪控制和车辆稳定性控制问题,以实现车辆的紧急避障安全。论文主要研究内容如下:第一,在国内外研究现状调研基础上,明确全文研究内容和技术路线。围绕论文选题,分析论文研究背景与意义,综述智能车路径规划国内外研究现状、智能车轨迹跟踪国内外研究现状、智能车底盘稳定性控制国内外研究现状,提出本文研究内容与技术路线。第二,研究基于Frenet坐标系的智能车动态路径规划算法。首先推导Frenet坐标系与Cartesian坐标系的坐标转换关系;在Frenet坐标系下分别采用5次、4次多项式规划横纵向候选轨迹集;基于安全距离和边缘膨胀方法对候选轨迹进行安全评估,采用损失函数对候选轨迹进行最优抉择;在直线和曲线车道紧急避让场景下进行局部避让路径规划仿真验证。第三,研究基于改进模型预测控制的智能车轨迹跟踪控制算法及控制器设计。建立三自由度车辆动力学模型作为理论控制模型;利用考虑遗传因子的最小二乘法估算轮胎侧偏刚度;利用无迹卡尔曼滤波算法对车辆的横摆角速度及质心侧偏角进行估算;利用数据拟合方法获得模型预测时域与车速、路面附着系数的关系,利用模糊控制算法对侧向位移偏差的权重系数进行动态调节;利用Car Sim与Simulink联合仿真对轨迹跟踪控制器效果进行验证。第四,研究基于滑模变结构智能车转向差动协同稳定性控制策略。首先建立非线性二自由度车辆模型,并利用相平面理论,确定稳定域边界;基于反演动态滑模变结构设计主动前轮转向控制律,基于自适应超螺旋滑模变结构设计直接横摆力矩控制律;利用平滑函数确定前轮主动转向与直接横摆力矩协同控制关系;以轮胎路面附着利用率为优化目标设计最优转矩分配方案,实现对期望质心侧偏角和期望横摆角度的准确跟踪;利用Car Sim与Simulink联合仿真,验证协同控制器的有效性。第五,对紧急避让工况智能车路径规划、轨迹跟踪控制和车辆稳定性控制进行联合仿真验证。基于Car Sim和Simulink搭建联合仿真平台,分别在高附着条件直线车道周围静态、动态障碍物和中等附着条件曲线车道周围静态、动态障碍物两类工况下进行联合仿真验证。仿真结果表明,所设计的路径规划算法、轨迹跟踪控制器和稳定性控制器能够实现车辆在紧急工况下进行避让,并且避让过程平滑、稳定。最后,对全文研究内容进行总结与展望。


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