无人驾驶车辆换道与超车控制方法研究

摘要

本课题研究目标是高速行驶状态下的无人驾驶车辆进行换道或者超车的轨迹规划及跟踪方法，并通过半实物仿真实验系统实现无刷直流电机的控制，研究无人驾驶车辆转向执行机构的性能。规划层研究是无人驾驶车辆研究领域的关键问题之一，对该问题的深入研究具有十分重要的意义。本文提出一种新型考虑车辆运动的物理特性的路径规划方法，并设计了一种基于模型预测控制算法的轨迹跟踪控制策略，仿真研究验证该方法在高速行驶工况下的有效性；通过实验台搭建，实现转向执行机构的控制。
　　为研究车辆行驶过程中的操纵稳定性控制问题，采用7自由度车辆动力学模型以及魔术轮胎模型作为预测模型，一方面可以对车辆行驶过程的动力学特性进行准确的描述，满足控制车辆行驶的要求；另一方面可以减小目标工况下控制算法的计算量，满足实际运行的实时性要求。
　　采用一种优化过的四次贝塞尔曲线为车辆提供高速运动时的路径规划，即满足几何上的避撞约束、曲率连续约束、减小规划过程的运算量，同时通过设置与车辆动力学特性相关的优化指标可以得到不同行驶风格的路径，满足相应工况需求。
　　基于非线性模型预测控制方法，考虑车辆在高速运行的非线性特性，改善了模型失配的问题。通过转化为线性时变模型以及进一步转化为二次规划问题，减小了计算量，提高求解效率。通过合理施加约束，考虑车辆在实际环境中的其他约束，增强该车辆行驶的稳定性。
　　以无刷直流电机作为转向执行机构，研究其控制方法，并通过搭建基于dSPACE的半实物仿真平台进行转向机构的特性研究，使其满足无人驾驶车辆转向系统的基本要求。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 无人驾驶车辆发展历史

1.3 国内外研究现状

1.4 主要研究内容

第2章 汽车动力学及相关模型

2.1车辆模型

2.2轮胎模型

2.3无刷直流电机模型

2.4 本章小结

第3章 基于优化的贝塞尔曲线轨迹规划

3.1 车辆轨迹规划的曲线特性分析

3.2 贝塞尔样条

3.3 路径初步规划关键点选取方法

3.4 考虑车辆运动学特性的优化方法

3.5 高速超车的路径规划实例

3.6 本章总结

第4章 基于非线性模型预测控制的轨迹跟踪算法研究

4.1 模型预测控制简介

4.2 基于自动驾驶系统的非线性模型预测跟踪控制器设计

4.3 无人驾驶车辆高速运行超车仿真实验

4.4 本章总结

第5章 基于无刷直流电机的快速控制原型系统

5.1 实验台介绍

5.2 基于dSPACE的电机控制软件设计

5.3 实验结果处理与分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要研究成果

致谢