自动泊车轨迹规划及跟踪控制策略研究

作     者：钟京宏 

作者单位：西华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙仁云;蔡方学

授予年度：2021年

学科分类：082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：电动汽车 自动泊车 轨迹规划 现代控制 控制策略 

摘      要：随着科学技术的快速发展,无人驾驶技术也越来越成熟,自动泊车系统能在很大程度上缓解新手驾驶员泊车困难的问题。本文主要以轨迹规划、跟踪控制模型、跟踪控制方法三方面的研究进展为主对国内外的研究进行分析,选择轨迹规划及跟踪控制策略为主要研究内容。对现有的自动泊车轨迹规划方法进行分析比较,采用最小半径倒推式规划方法作为平行泊车规划方法;考虑到泊车空间不够宽裕的情况,对避撞条件加以限制,将泊车起始区域划分为五大部分,采用单步泊车与多步泊车方式结合的垂直泊车轨迹规划方法,在泊车空间宽裕时采用效率较高的单步式泊车规划方法,在泊车空间不足时采用多步式泊车规划方法,保证泊车规划的成功率。对于目前自动泊车系统轨迹跟踪控制研究多采用运动学模型的情况,本文选择二自由度动力学模型作为研究对象,对自动泊车过程进行了分析,通过阿克曼转向几何原理将转向角度不同的左右轮转角简化为自行车模型的前轮等效转角。然后对自动泊车轨迹跟踪控制策略进行设计,采用速度PID和位置PID结合的纵向级联控制器对车辆的纵向运动进行控制,并利用Simulink搭建了纵向跟踪控制器模型,以四种工况对纵向跟踪控制器进行验证。以LQR最优理论为基础设计了横向跟踪控制器,加入前馈控制构成最优前馈LQR控制器作为横向跟踪控制器,并利用Simulink搭建了横向跟踪控制器模型,以三条曲率变化条件较严苛的期望轨迹对横向跟踪控制器进行验证。通过对仿真结果的分析得出横、纵向跟踪控制器的跟踪性能都能满足目标。最后对所设计的自动泊车轨迹规划及跟踪控制策略进行功能验证,首先利用MATLAB/Simulink和CarSim进行联合仿真,在Simulink里将横、纵向控制器模型结合起来,搭建完整的轨迹跟踪控制器综合控制横、纵向运动,在CarSim里配置车辆参数和环境参数,通过对联合仿真结果进行分析,验证了所设计的跟踪控制器的较好性能。然后利用超声波传感器、树莓派和Arduino为主要部分搭建了智能小车试验平台,模拟所设计的跟踪控制策略在实车上的表现,对试验所得数据进行绘图及分析,结果显示跟踪控制策略在实车试验中安全且高效。