【摘 要】
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自动驾驶技术已经是全球范围内汽车领域的聚焦点所在。决策规划作为自动驾驶汽车关键技术之一,是自动驾驶汽车能安全地向目的地行驶的前提条件,自动驾驶汽车只有按照决策命令所规划出的路径行驶才能保证自动驾驶汽车的行驶安全性。路径规划所得路径在能满足车辆在复杂动态环境行驶的目的性和安全性的同时,还需要满足车辆的实时性要求,尽可能完善突发情况的应对能力。本文研究的内容在于研究人工势场算法用于自动驾驶车辆道路行驶
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自动驾驶技术已经是全球范围内汽车领域的聚焦点所在。决策规划作为自动驾驶汽车关键技术之一,是自动驾驶汽车能安全地向目的地行驶的前提条件,自动驾驶汽车只有按照决策命令所规划出的路径行驶才能保证自动驾驶汽车的行驶安全性。路径规划所得路径在能满足车辆在复杂动态环境行驶的目的性和安全性的同时,还需要满足车辆的实时性要求,尽可能完善突发情况的应对能力。本文研究的内容在于研究人工势场算法用于自动驾驶车辆道路行驶的可行性和安全性,主要内容如下:（1）介绍了传统人工势场算法的原理和存在的问题,针对传统人工势场算法局部最优问题和动态路径规划能力较弱的问题,采用虚拟水流法和引入由车辆和目标点距离构建的斥力势场影响因子以解决传统人工势场算法局部最优问题,并引入速度势场改善传统人工势场算法动态路径规划能力。研究结果表明,改进后的人工势场算法不仅解决了局部最优问题,还能有效避开动态障碍物完成路径规划。（2）依据人工势场算法优秀的局部避障能力,将人工势场算法应用于车辆-道路场景实现车辆的局部路径规划。参照国家道路技术标准《JTG D20-2017公路路线设计规范》和《JTG B01-2003公路工程技术标准》,在道路引力势场中引入停车视距,作为车辆与当前引力势场中心点的距离,并提出了由道路边界线、道路分界线和道路中心线为斥力势场中心的多行车道道路斥力势场模型,同时采用矩形障碍物斥力模型作为在道路上行驶的障碍物车辆的斥力势场模型,最后采用基于车辆-道路的人工势场算法对车辆换道超车工况进行路径规划。研究结果表明,车辆在道路引力势场、障碍物斥力势场和道路斥力势场的共同作用下,可以在限定的行车道内正常行驶,并能躲避障碍物完成换道超车路径规划。（3）对车辆行驶路径进行跟踪控制。将路径跟踪分为两部分:对于侧向路径跟踪控制,首先建立了基于三自由度单车动力学模型、“魔术公式”轮胎模型和、三角函数的小角度理论优化的线性离散化预测模型,将预测模型与目标函数在约束条件下进行状态量和控制量的最优求解。并结合车速和预测时域近似关系函数,建立变时域模型预测控制器,且以前轮转角作为输出。纵向速度跟踪控制器则设计为分层式的结构。上层PID控制器以速度信心误差为输入,输出期望加速度给下层控制器。下层驱动/制动模式控制器则以期望加速度执行驱动/制动模式切换,输出节气门开度控制量和制动压力输出量,实现对期望速度的跟踪控制。（4）对跟踪控制器的合理性和人工势场算法所得路径的可行性进行验证,在匀加减速工况和连续斜坡式变速工况对纵向速度控制器进行纵向车速跟踪控制验证。同时以换道路径测试侧向跟踪控制器对于路径的跟踪性能,最对人工势场算法所得的换道超车路径进行跟踪仿真试验,试验结果表明,在两次换道过程中跟踪误差较为明显,侧位移误差在0.25m以内,前轮转角也在±1.5°内,满足侧向跟踪控制精度和车辆约束,超车换道路径具备可行性。
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