智能汽车紧急变道避障轨迹规划与控制方法研究

摘要

随着新一代信息技术、传感器、智能控制等高新技术与汽车工业的快速融合，智能汽车技术已成为当今世界汽车工程领域的研究热点之一。车辆运动规划与控制方法作为智能汽车的关键技术，对智能汽车能否安全、通畅、迅速的在道路中行驶具有决定作用，深受国内外科研人员的关注。在紧急情形下，现有车辆运动规划与控制方法的研究存在不能兼顾实时性和适应性要求的问题。为解决目前紧急变道避障轨迹规划与跟踪控制方法存在的问题，本文将紧急变道轨迹进行分段规划，研究基于hp自适应伪谱法的轨迹衔接与优化方法和基于自抗扰控制的轨迹跟踪方法，以提高在紧急情形下运动轨迹规划与跟踪方法的实时性和适应性。本文主要从分段轨迹规划方法、分段轨迹衔接与优化方法和轨迹跟踪控制方法三个方面开展研究，并通过搭建半实物试验平台来验证本文设计的紧急变道避障轨迹规划与控制方法的可行性和有效性。 首先，研究了分段轨迹规划方法。将紧急变道避障过程分为初始阶段和跟踪阶段，针对紧急转向工况开展真实道路试验，利用聚类分析方法处理优秀驾驶员在实车试验中的转向操作数据，拟合得出紧急变道过程中的方向盘转角随时间的关系即优秀驾驶员紧急变道模型，作为车辆跟踪初始阶段轨迹的输入量。通过建立与求解约束方程，得出Sigmoid函数的表达式，作为跟踪阶段的参考轨迹。 其次，研究了分段轨迹衔接与优化方法。利用hp自适应伪谱法对紧急变道避障轨迹的初始阶段与跟踪阶段进行衔接，并优化设计跟踪阶段的轨迹，以得到符合优化目标和各类约束条件的紧急变道避障轨迹。通过PreScan与Matlab软件联合仿真，验证该方法的有效性以及避障轨迹规划方法的适应性。 然后，研究了轨迹跟踪控制方法。针对紧急变道避障轨迹跟踪控制方法的实时性和适应性要求，设基于曲率和自抗扰控制方法的轨迹跟踪控制器。通过稳态横摆角速度增益获得前馈输入，利用期望轨迹曲率和当前行驶轨迹的曲率差获得反馈补偿，对紧急变道避障轨迹进行复合跟踪控制。通过仿真试验，验证设计的轨迹跟踪器的良好效果。 最后，搭建以智能小车为核心的半实物试验平台，对分段轨迹规划算法与轨迹跟踪控制算法进行验证。通过设置不同场景的紧急工况，验证本文提出的紧急避障轨迹规划与控制方法的有效性和适应性。

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