自动驾驶车辆换道轨迹规划与跟踪控制方法研究

作     者：郭海兵 

作者单位：青岛理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曲大义;马晓龙

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：交通流理论 换道决策行为 换道轨迹规划 模型预测控制 滑模控制 交通仿真 

摘      要：随着自动驾驶技术的迅速发展,道路交通将呈现出自动驾驶车辆与人工驾驶车辆混合共存的发展态势。研究自动驾驶车辆的换道轨迹规划与跟踪控制问题,保证其实现安全换道,对于自动驾驶车辆安全运行及其车路协同控制具有重要的理论意义和应用价值。研究按照自动驾驶车辆换道决策行为、换道路径规划及换道轨迹跟踪控制的思路展开。首先,分析了自动驾驶车辆换道过程中与周围人工驾驶车辆的交互行为特性,基于效用理论建立以换道车辆的目标车道选择、目标车道间隙接受为主要内容的分层Logit换道决策模型,提取影响换道决策行为的特征参数,采用极大似然估计方法进行模型参数标定,仿真分析了换道决策行为对车辆运行特性的影响。其次,考虑自动驾驶车辆换道过程中与周围车辆不发生碰撞为换道安全条件,兼顾人员的乘坐舒适性,根据换道过程中自动驾驶车辆与周围车辆可能发生的临界碰撞状态,推导换道初始时刻自动驾驶车辆与周围车辆的纵向最小安全距离,使用多项式函数曲线规划自动驾驶车辆的换道轨迹,分别建立了自动驾驶车辆的自由换道轨迹模型、原车道有前车障碍时的换道轨迹模型、目标车道有前车障碍时的换道轨迹模型、目标车道有后车障碍时的换道轨迹模型,其中对部分轨迹模型进行了仿真实验,实验表明规划的轨迹曲线平滑连续,能够反映实际换道特征,验证了规划的轨迹模型有效。然后,推导了自动驾驶车辆换道轨迹的运动学方程和横向动力学模型,运用模型预测控制和滑模控制方法设计了轨迹跟踪控制器,具体内容包括:一是以规划的自动驾驶车辆自由换道轨迹为参考轨迹,基于车辆横向动力学模型设计了一个横向控制器,用模型预测控制方法跟踪参考轨迹,搭建Car Sim与SIMULINK联合仿真平台,对设计控制器的轨迹跟踪效果进行了实验验证;二是以规划的原车道有前车障碍时的换道轨迹为参考轨迹,在车辆换道运动学方程基础上设计了一个综合控制器,用模型预测控制方法跟踪参考轨迹,搭建了SIMULINK仿真平台,对设计控制器的轨迹跟踪效果进行了实验验证;三是以规划的目标车道有后车障碍时的换道轨迹为参考轨迹,基于车辆轮胎耦合动力学模型设计了一个纵横向耦合控制器,用滑模控制方法跟踪参考轨迹,搭建了SIMULINK仿真平台,对设计控制器的轨迹跟踪效果进行了实验验证。仿真实验表明,设计的控制器对规划轨迹的跟踪精度较高,总体跟踪效果较为理想。最后,以城市快速路合流区为换道研究场景,以主线车道后车、匝道汇入车辆为研究对象,运用全速度差跟驰模型描述了二者之间的跟驰行为特性,研究合流区的强制换道行为对主线车道上游交通流的影响,仿真再现了目标车道上游交通拥堵形成、拥堵消散演变过程,实验进一步证明了合流区的强制换道行为是造成主线车道上游交通拥堵的主要原因。