城市无人驾驶规划与控制系统的关键技术研究

摘要

得益于人工智能技术的快速发展，无人驾驶受到军事、民用等各个领域的重视。在无人驾驶的关键技术中，规划控制是核心技术之一。由于无人驾驶车辆速度快，环境复杂，对传统的移动机器人算法是一个巨大的挑战。尤其在城市环境下，规划与控制算法需要应对复杂的工况路况带来的各种挑战。因此，设计的规划算法应可弹性变化以响应多样化决策的要求，控制算法应可确保较低的跟踪误差和较平滑的控制过程。本文在渐优采样算法的基础上提出了一种适合无人驾驶的规划算法——anytime CL_SST。在车辆控制方面，本文提出了一种基于Clothoid拟合曲线和模糊逻辑的横向控制器CF-Pursuit以及基于模糊的纵向控制器。具体研究内容如下: 1)深入探讨了国内外无人驾驶车辆的研究进展情况，比较分析了近些年来路径规划和横向控制方面的主流算法。基于城市无人驾驶的具体要求，提出了城市环境下无人驾驶车辆在规划控制技术方面面临的关键问题。 2)对“途智Ⅱ”无人驾驶车辆的各个组成系统，软硬件构成进行了详细的论述。此外，基于有限状态机设计了无人驾驶车辆的决策系统。 3)提出了基于渐优采样算法框架的无人驾驶车辆路径规划算法。结合城市驾驶环境，在渐优采样算法的基础上设计了一种比较适合无人驾驶的算法——anytime CL_SST。anytime属性可保证算法的实时效率;CL_SST通过融合基于6阶车辆运动模型的闭环控制策略以及SST算法的渐优属性，兼具抗干扰能力和优化特性。在SST的基础上，CL_SST对采样策略、母节点选择策略、拓展策略进行了改进和提高。此外，建立了基于目标函数的路径选择策略以生成适合不同工况的优化路径。 4)通过设计横向和纵向控制器构建了无人驾驶车辆控制系统。基于几何控制器设计了横向控制器CF_Pursuit。分析了几何控制器的误差原理，利用Clothoid拟合取代纯追随的圆拟合提高拟合精度降低跟踪误差;融合拟合曲线的最大曲率和模糊逻辑设计了预瞄距离选择策略。此外，基于模糊逻辑设计了纵向控制器。开放城市道路上的对比试验证明设计的横向控制器CF_Pursuit可满足城市无人驾驶在路径跟踪方面的要求，在30km/h的速度下，跟踪精度优于0.5m。 5)利用真实城市道路对设计的规划和控制算法进行试验。试验包括长距离试验、静态障碍物躲避、动态障碍物跟随以及超车和动静态障碍物结合的复合场景。试验结果表明，基于设计的规划控制算法，“途智Ⅱ”无人车可实现最高36km/h的速度行驶;在躲避静态障碍物的场景下，可实现跟驰决策下30km/h和避障决策下15km/h的速度行驶，且决策的过渡过程保持平滑;在动态障碍物跟驰实验中，无人驾驶车辆可自主调节自身车速，且与前车保持安全车距。复合场景试验中，无人驾驶车辆通过决策和规划相互交互配合，实现了在城市复合场景下的安全平稳行驶。

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论文主要创新点

图目录

表目录

摘要

第一章绪论

1．1 研究背景及意义

1．2无人驾驶车辆国内外研究现状

1．3 无人驾驶车辆路径规划算法的国内外研究现状

1．3．1移动机器人

1．3．2无人驾驶车辆

1．4 无人驾驶车辆横向控制算法的国内外研究现状

1．5主要研究内容

1．6论文的组织结构

第二章城市无人驾驶车辆系统分析及其决策子系统设计

2．1无人驾驶车辆的体系结构与功能

2．1．1感知和定位系统

2．1．2数据融合系统

2．1．3决策系统

2．1．4规划系统

2．1．5控制系统

2．2 基于有限状态机的决策系统设计

2．2．1城市环境下无人驾驶车辆决策设计面临的问题

2．2．2决策系统设计

2．3 小结

第三章城市环境下无人驾驶车辆路径规划算法研究

3．1 运动规划问题

3．1．1移动机器人的运动规划问题

3．2SST算法

3．3基于anytime和CL_SST的规划算法设计

3．3．1 CL_SST的闭环策略

3．3．2CL_SST的算法解析

3．4 基于目标函数的路径优化选择策略

3．5 基于迟滞检验的重规划策略

3．5．1迟滞检验

3．5．2路径更新

3．6小结

第四章城市环境下无人驾驶车辆控制算法研究

4．1基于Clothoid拟合和模糊逻辑设计横向控制器

4．1．1几何跟踪控制器

4．1．2CF_Pursuit的设计

4．2基于模糊逻辑的纵向控制器设计

4．3 横向控制器对比试验

4．3．1试验方法

4．3．2试验结果

4．4 小结

第五章“途智Ⅱ”试验验证结果与分析

5．1算法植入

5．1．1车辆计算单元

5．1．2模型参数调整

5．1．3算法参数设置

5．2 Anytime特性试验分析

5．3长距离试验

5．3．1场景设计

5．3．2试验结果与分析

5．4静态障碍物试验

5．4．1场景设计

5．4．2试验结果与分析

5．5动态障碍物试验

5．5．1场景设计

5．5．2试验结果与分析

5．6复合场景试验

5．6．2试验结果与分析

5．7 小结

第六章总结与展望

6．2展望

参考文献

攻博期间发表的科研成果以及参与的科研项目目录

致谢