智能车辆局部路径规划与路径跟踪控制研究

作     者：郑文博 

作者单位：西安科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：寇发荣;刘大鹏

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：局部路径规划 快速扩展随机树 动态窗口法 路径跟踪 状态扩展MPC 

摘      要：随着汽车制造业蓬勃发展,汽车保有量急剧增加,导致道路交通安全问题日益严重。智能交通系统(Intelligent Transportation System,ITS)是未来交通的发展方向,有利于解决交通安全问题。智能车辆作为ITS的重要组成部分,有助于智能交通的发展,其实现依赖于众多关键技术,其中局部路径规划和路径跟踪控制是重点研究内容。本文设计基于改进RRT的DWA局部路径规划算法和基于状态扩展MPC与转角补偿的路径跟踪控制器,以解决车辆在避障场景下难以跟随全局路径和路径跟踪过程中实时性与跟踪精度难以同时保证的问题。针对局部路径规划问题,设计RRT全局路径规划算法,在此基础上,通过设置路径中间采样点改进RRT的采样方式,利用三次非均匀B样条曲线对全局规划路径进行平滑处理;建立车辆三自由度运动学模型,设计基于DWA的局部路径规划算法;提取改进RRT所规划的全局路径关键点作为DWA算法的子目标点,并通过改进DWA 算法的轨迹评价函数设计基于改进RRT的DWA局部路径规划算法;在四种不同障碍物场景下验证所设计局部路径规划算法的有效性。针对路径跟踪控制问题,建立采用魔术公式的轮胎动力学模型并分析轮胎特性,在此基础上,建立车辆横摆动力学模型,根据状态轨迹方法对模型进行线性化;将模型状态变量进行扩展和转换,设计状态扩展MPC控制器,通过设计目标函数和约束条件求解前轮转角以跟踪目标路径;建立车辆-路径跟踪误差模型,根据车辆横向和航向偏差设计转角补偿模糊控制器校正前轮转角;验证三种不同车速下路径跟踪控制器的实时性和跟踪精度。搭建MATLAB/CarSim联合仿真平台,在单、多障碍物避障场景下验证设计的规划和跟踪方法的有效性。仿真结果表明:在路径规划的四种障碍物场景下,相比于基于A*的DWA算法,基于改进RRT的DWA局部路径规划算法的规划路径距离的规划时长均减小,其中在复杂障碍物场景和室内空间场景下规划路径距离分别减少7.04%和5.1%,规划时长分别减少16.6%和13.3%。在路径跟踪的标准双移线工况下,相比于传统MPC控制器,基于状态扩展MPC与转角补偿的路径跟踪控制器具有较好的跟踪性能,路径跟踪横向和航向偏差最大值分别降低23%和17%以上;状态扩展MPC控制器的控制增量求解时间平均值降低14%以上。在单、多障碍物避障仿真实验中,所设计局部路径规划算法的避障路径平稳光滑,路径跟踪控制器保持车辆行驶最大侧向偏差小于0.5m,最大侧向加速度在0.03g左右。