一种无人驾驶车辆路径跟踪控制方式研究

摘要

随着社会不断向前进步，科技日新月异地高速发展，无人驾驶车辆开始走进人们的视野。无人驾驶车辆是一种非常典型的四轮移动机器人，是一个多学科交叉综合体，涉及技术广泛。无人驾驶车辆技术对于增强国家安全具有直接意义，并且同时无人驾驶车辆的技术直接促进移动机器人的相关技术。目前无人驾驶技术已经逐步开始用于人们的生活，比如辅助安全驾驶系统，对于减少交通事故和具有极强的现实应用意义。
　　本文对无人驾驶车辆的底层控制系统展开了研究，根据实际道路情况，设计了一套路径跟踪控制系统，以提高控制系统的鲁棒性和适应性。本文主要研究内容有以下5个部分:
　　第一，介绍无人驾驶车辆的项目背景和研究意义，对目前无人驾驶车辆国内外研究成果进行了详细介绍，对无人驾驶车辆所涉及的主要关键技术进行了详细概述并介绍了其中所常用的方法。在本章最后详细分析了无人驾驶车辆的运动控制问题。
　　第二，本章以无人驾驶车辆“巡洋舰”为研究平台，介绍了实验平台采用的体系结构，结合“巡洋舰”采用的硬件组成，并详细介绍了其几个组成部分，诸如环境感知系统、规划系统、决策系统、控制系统及执行机构，更加明白清楚体系结构的组成。应用数学知识详细描述了路径跟踪控制问题，将问题表达式化，从而将问题具体化;概要地介绍运动控制系统的系统组成要素;总结了车辆在实际道路中要面临的问题，从而也是本文要解决的问题。
　　第三，本章研究无人驾驶车辆的速度控制方法相关内容，设计并实现一种PID速度控制系统。概要描述无人驾驶车辆的速度控制问题，并总结出本实验平台要达到的设计目标。根据车辆的强非线性和易受环境因素影响的特点，结合了人类控制车辆时速度控制的经验，介绍了PID控制原理和调整参数的规则，设计PID速度控制器规则，经过对PID参数的不断测试和调整，完成速度控制器的设计与调试。通过实验验证了速度控制系统的有效性、准确性和鲁棒性，克服了车辆自身的非线性问题以及复杂外部环境的干扰问题。
　　第四，本章研究无人驾驶车辆的方向控制方法相关内容，设计并实现一种方向跟踪控制系统。利用“预瞄-跟随”理论和纯追踪控制算法的优点，结合模糊推理控制的优势，设计和实现了参数自适应模糊控制器，其输入量为当前速度和航向误差，输出量为前视距离，进一步使用纯追踪算法计算前轮转角，从而使车辆能够在实际道路中按照参考路径跟踪行驶，解决由于数学控制模型的建立不精准带来的控制不确定性问题。
　　最后，应用无人驾驶车辆平台“巡洋舰”在真实道路环境下进行路径跟踪控制系统的测试，结果验证了本文提出的控制系统的有效性、鲁棒性和可靠性，并根据实验结果对本文所采用方法进行了总结和展望。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 项目背景及研究意义

1．2 无人驾驶车辆研究现状

1．2．1 国外无人自主车辆研究现状

1．2．2 国内无人驾驶车辆研究现状

1．3 无人驾驶车辆研究的关键技术

1．3．1 环境感知

1．3．2 导航定位

1．3．3 路径规划

1．3．4 决策系统

1．3．5 车辆控制

1．4 无人驾驶车辆的运动控制问题概述

1．5 本文研究内容

2 无人驾驶车辆体系结构与路径跟踪控制

2．1 引言

2．2 无人驾驶车辆控制体系结构

2．2．1 “巡洋舰”体系结构

2．2．2 系统硬件组成介绍

2．3 无人驾驶路径跟踪控制问题描述

2．3．1 无人驾驶车辆控制问题数学描述

2．3．2 无人驾驶车辆运动控制概述

2．3．3 无人驾驶车辆控制问题

2．4 本章小结

3 无人驾驶车辆速度控制算法

3．1 无人驾驶车辆速度控制概述

3．2 无人驾驶车辆速度控制系统设计目标

3．3 PID速度控制器设计

3．3．1 PID控制算法描述

3．3．2 PID控制原理

3．3．3 PID参数调整规律

3．3．4 PID控制器设计

3．4 速度控制器测试实验结果及分析

3．5 本章小结

4 无人驾驶方向控制

4．1 无人驾驶车辆方向控制概述

4．2 方向控制系统设计目标

4．3 无人驾驶车辆运动学模型

4．3．1 齐次坐标变换

4．3．2 简化二轮运动学模型

4．3．3 无人驾驶车辆轨迹更新模型

4．4 模糊-纯追踪控制器设计

4．4．1 纯追踪算法原理

4．4．2 模糊控制概述

4．4．3 方向控制器设计

4．4．4 参数自适应模糊控制器设计

4．5 无人驾驶车辆前轮转向角标定

4．6 模糊-纯追踪控制器仿真与结果分析

4．7 本章小结

5 综合实验验证

5．1 实验设计

5．2 实验结果及分析

5．3 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

附录