四轮转向车辆避障换道轨迹规划与跟踪研究

作     者：李环宇 

作者单位：重庆理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈哲明;王万英

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 082304[工学-载运工具运用工程] 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：四轮转向 避障换道 轨迹规划 轨迹跟踪控制 

摘      要：随着智能汽车技术的不断发展与普及,避障换道轨迹规划与轨迹跟踪控制成为了时代的研究热点。轨迹规划使智能汽车在不同的交通场景中,能实现安全、高效、舒适的避障,对降低交通安全事故、提高车辆乘坐舒适性与行驶安全性有着重要价值。在避障换道轨迹规划领域中,大多数算法考虑了避障换道效率、安全与舒适性等因素,很少考虑到侧向稳定性因素。在避障换道轨迹跟踪领域中,大多数的研究都集中在前轮转向车辆上,缺乏四轮转向车辆的相关研究。因此,针对上述两个问题,本文搭建四轮转向车辆模型,基于二次规划算法,并在算法中加入了使车辆不发生侧滑的侧向稳定性因素,对避障换道轨迹进行优化。使四轮转向车辆跟踪优化后的避障轨迹,达到避障安全、换道稳定的目的。本文的主要工作内容如下:1.四轮转向动力学模型搭建了二自由度的四轮转向横向动力学模型。建立前后轮为比例转向的四轮转向模型。并在角阶跃工况下,与前轮转向车辆进行稳定性对比,证明了四轮转向汽车的优势。为后续跟踪控制研究奠定基础。2.避障换道轨迹规划算法研究利用动态规划方法,求解出安全的避障换道决策轨迹曲线,通过决策轨迹曲线拓展出离散的凸空间。通过分析车辆不发生侧滑的侧向加速度阈值,推导出最大曲率阈值。在二次规划算法的约束中,加入了使车辆不发生侧滑的曲率约束。在凸空间内,利用包含曲率约束的二次规划算法对决策轨迹进行优化。最终,实现了规划出的轨迹具有安全性和稳定性的目标。3.避障换道轨迹跟踪控制研究将轨迹跟踪进行解耦,分别对四轮转向车辆的纵向跟踪与横向跟踪进行单独控制。使用LQR算法对横向运动进行控制,PID算法对纵向运动进行控制。搭建简单的轨迹规划器,用于验证跟踪控制器的有效性。为避障换道仿真奠定基础。4.避障换道工况仿真实验设置低速静态障碍物和高速动态障碍物两种避障工况,用以验证避障换道轨迹规划算法有效性。对比分析四轮转向车辆与前轮转向车辆在轨迹跟踪中的表现。实验结果表明,本文设计的轨迹优化算法能有效避免车辆发生侧滑,实现安全避障换道。四轮转向跟踪控制器在低速下具备良好的跟踪能力,在高速下跟踪精度下降,但是车身稳定性提高。