基于MPC的轨迹规划与控制算法研究

作     者：刘长君 

作者单位：重庆理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：袁春;宾洋

授予年度：2024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：自动驾驶技术 轨迹规划 模型预测控制 避障模型 实车验证 

摘      要：智能网联汽车技术不仅能提高安全性,大幅度减少交通事故,还能改善交通效率、提升汽车的舒适性,且有助于节能减排等。轨迹规划与控制技术是实现汽车自动驾驶的关键技术,是汽车智能化的具体体现。本文针对有动态障碍物干扰的车辆行驶环境,对自动驾驶车辆的轨迹规划与控制算法展开研究。主要研究工作如下: 研究参考路径平滑算法及车辆运动学与动力学模型。分析自动驾驶技术的常用坐标系,并推导了Frenet坐标系与笛卡尔坐标系相互转换的关系。针对传感器采集的参考路径离散程度较高的问题,进行参考路径的预处理。根据参考路径平滑的指标,分别设计代价函数并构建二次规划模型,通过MATLAB进行仿真实验,对比平滑前后的参考路径并进行分析,验证参考路径平滑算法的正确性和有效性。此外,搭建车辆二自由度运动学模型以及动力学模型。 设计基于融合动力学模型的车辆轨迹跟踪控制算法。首先建立基于融合动力学模型的误差预测模型并对其进行离散化,构建状态空间方程后推导出预测输出方程,将其带入到设计的目标函数并引入车辆运动学约束,将问题转化为二次规划问题在MATLAB中进行求解。通过与基于运动学模型的模型预测跟踪控制算法和纯跟踪控制算法(Pure Pursuit,PP)进行对比。实验结果表明该方法在跟踪精度上有较好表现。 设计基于三元素的改进避障模型轨迹规划算法。针对有动态障碍物的车辆行驶环境下,建立基于三元素的改进避障模型。该模型涉及自车与碰撞点距离、动态障碍物与碰撞点距离、相对速度等三元素。以MPC原理为基础,将车辆约束、道路边界、车辆行驶安全与舒适性等因素考虑在内,基于Frenet坐标系,设计目标函数及约束函数,建立非线性规划模型并进行最优求解。分别对存在单个动态障碍物场景与多个动态障碍物的场景进行仿真实验。该方法可以满足在多动态障碍物的复杂场景下避障轨迹规划要求。 实车验证算法的可行性和实际应用效果。为验证本文设计的轨迹规划与跟踪控制算法的可行性和实际应用效果,搭建了基于赛力斯SF5型实车硬件平台。在此基础上搭建ROS与Simulink联合算法开发的软件平台,并将本文开发的轨迹规划与控制算法部署到实车平台上验证。实验结果表明本文开发的算法可以使车辆成功避让障碍物,并获得安全、舒适的行驶轨迹,具有一定的可行性和实用价值。