基于自动驾驶系统的车辆纵横向运动综合控制研究

摘要

智能车辆能够利用环境感知、信息融合、智能控制等关键技术实现自动驾驶功能，是智能交通系统(ITS)中的重要组成部分。智能车辆自动驾驶系统在提高道路通行能力、改善车辆主动安全性等方面具有巨大的应用潜力。
　　 针对智能车辆自动驾驶系统的运动控制及环境感知问题，论文建立了相对完整的整车动力学模型，设计了纵横向运动综合控制系统，并采用离线仿真试验和硬件在环技术对多种行驶工况下的自动驾驶控制效果进行了验证，另外，引入交互多模型算法对引导车辆进行了机动目标跟踪。论文主要包含以下工作内容：
　　 ①对实际行驶过程中的车辆运动状态及受力情况进行分析，基于三维刚体动力学和运动学理论建立十自由度的车辆动力学模型；建立由发动机、液力变矩器、自动变速器及主减速器组成的车辆动力传动系统模型，综合考虑动力传动系统的非线性特性对车辆纵向运动控制的影响；考虑到智能车辆自动驾驶系统对轮胎模型力学特性的要求，建立可反映轮胎非线性力学特性的TMeasy轮胎模型，分析纵横向轮胎力之间的耦合关系。
　　 ②为实现智能车辆的自动驾驶功能并提高其运动性能，论文基于模糊逻辑和滑模控制理论设计了具有上、下两层结构的纵横向运动综合控制系统，该控制系统能够对智能车辆的节气门开度、制动液压及前轮转向角进行协调控制，使智能车辆实现车道保持、车辆跟踪及车道变换等主要自动驾驶功能；与此同时，通过控制主动差速器的驱动力矩分配比例，产生所需的主动横摆力矩，提高智能车辆在自动驾驶过程中的操纵稳定性。
　　 ③在车速变化、道路曲率变化及车道变换等多种行驶工况下，对纵横向运动综合控制系统的控制效果进行离线仿真试验，研究智能车辆的纵、横向运动跟踪性能及操纵稳定性。同时，对车道变换仿真试验中的虚拟理想轨迹进行设计，考虑各关键变量参数对其产生的影响；并对协调控制模块中的主动横摆力矩控制执行条件进行验证。
　　 ④针对智能车辆自动驾驶过程中的车辆跟踪控制问题，论文采用交互多模型算法对具有多运动状态的引导车辆进行目标跟踪，从而为智能车辆提供准确、可靠的引导车辆运动状态信息。在仿真试验中，采用近似匀速和近似匀加速两种运动模型描述引导车辆的运动状态，同时，建立适用于道路车辆跟踪试验的传感器模型，并对机动目标模型的初始化问题进行研究。
　　 ⑤为了验证智能车辆自动驾驶系统的有效性和鲁棒性，基于硬件在环技术和虚拟现实技术搭建同步视景自动驾驶试验平台。在该试验平台上，对多种行驶工况下的自动驾驶功能进行硬件在环仿真试验，并考虑人为驾驶操作对自动驾驶控制效果的影响。另外，通过实时调节车辆模型及控制系统的参数，分析智能车辆自动驾驶系统的鲁棒性。

目录

文摘

英文文摘

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 智能车辆发展现状

1.2.1 国外智能车辆发展现状

1.2.2 国内智能车辆发展现状

1.3 智能车辆自动驾驶系统关键技术分析

1.3.1 车辆运动控制系统

1.3.2 信息感知与处理技术

1.3.3关键技术分析及存在的问题

1.4 本文课题来源及研究内容

1.4.1 课题来源

1.4.2 研究内容

2 整车动力学模型及仿真研究

2.1 引言

2.2 车辆动力学模型

2.2.1 坐标定义及转换

2.2.2 簧载质量动力学方程

2.2.3 非簧载质量动力学方程

2.2.4 整车系统动力学分析

2.3 车辆动力传动系统模型

2.3.1 车辆动力传动系统总体结构

2.3.2 动力传动系统模型

2.3.3 车辆纵向运动动力学分析

2.4 非线性轮胎力学模型

2.4.1 车轮速度计算

2.4.2 轮胎动态垂直载荷及有效半径

2.4.3 轮胎模型特性参数选择

2.4.4 轮胎模型的稳态力学特性

2.5 整车动力学模型仿真研究

2.5.1 仿真模型建立

2.5.2 仿真试验工况设计

2.5.3 仿真试验结果分析

2.6 本章小结

3 智能车辆自动驾驶控制系统设计

3.1 引言

3.2 智能车辆自动驾驶控制系统分析

3.2.1 自动驾驶行为的系统工程分析

3.2.2 分层协调式综合控制系统结构

3.3 基于道路误差的车辆动力学模型及特性分析

3.4 自动驾驶上层前馈控制系统设计

3.4.1 横向运动前馈控制系统设计

3.4.2 纵向运动前馈控制系统设计

3.5 自动驾驶下层反馈补偿系统设计

3.5.1 横向运动反馈补偿系统设计

3.5.2 纵向运动反馈补偿系统设计

3.5.3 操纵稳定性控制系统设计

3.6 车辆自动驾驶协调控制模块设计

3.6.1 节气门/制动器切换逻辑

3.6.2 主动前轮转向与主动横摆力矩协调控制

3.7 本章小结

4 智能车辆自动驾驶系统仿真研究

4.1 引言

4.2 仿真模型建立及道路轨迹设计

4.2.1 自动驾驶系统仿真模型建立

4.2.2 仿真试验道路轨迹设计

4.3 车道保持与车辆跟踪综合控制仿真试验研究

4.3.1 综合控制仿真工况设计

4.3.2 仿真结果分析

4.4 车道变换控制仿真试验研究

4.4.1 虚拟理想轨迹的设计及分析

4.4.2 车道变换仿真试验道路轨迹设计

4.4.3 车道变换控制仿真结果分析

4.5 操纵稳定性控制仿真试验研究

4.6 本章小结

5 基于交互多模型算法的智能车辆跟踪研究

5.1 引言

5.2 交互多模型算法基本原理

5.3 道路车辆机动目标跟踪仿真试验

5.3.1 机动目标模型建立

5.3.2 机动目标模型初始化

5.3.3 传感器模型建立

5.4 机动目标跟踪仿真结果分析

5.5 本章小结

6 自动驾驶综合控制系统试验研究

6.1 引言

6.2 试验平台设计

6.2.1 试验平台原理

6.2.2 试验平台特点

6.3 试验平台软硬件组成

6.3.1 硬件系统组成

6.3.2 软件系统组成

6.3.3 自动驾驶试验平台搭建

6.4 试验平台信号调理及界面设计

6.4.1 驾驶操纵设备信号获取及调理

6.4.2 自动驾驶系统人机交互界面设计

6.5 虚拟道路试验研究

6.5.1 虚拟道路试验场景设计

6.5.2 车道保持与车辆跟踪综合控制试验

6.5.3 操纵稳定性控制试验

6.6 本章小结

7 总结与展望

7.1 研究工作总结

7.2 论文创新点

7.3 研究工作展望

致谢

参考文献

附 录

A.整车动力学模型参数及取值

B.作者在攻读博士学位期间发表的论文

C.作者在攻读博士学位期间申请的专利

D.作者在攻读博士学位期间参加的科研项目