无人驾驶车辆路径规划与轨迹跟踪控制算法的研究
作者单位:浙江科技大学
学位级别:硕士
导师姓名:李强
授予年度:2024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]
摘 要:随着人工智能技术的蓬勃发展,无人驾驶技术被广泛应用于智慧交通、物流运输、农业等领域,同时随着汽车保有量的逐年增加,交通安全和环境问题日益突出,无人驾驶技术的出现能够很好的解决人为因素造成的交通安全问题,改变人们的出行方式,提高人们的出行效率,有效改善环境问题,对推动社会进步和科技发展具有十分重要的意义。无人驾驶关键技术包括感知、决策、规划和控制等方面,本文主要对无人驾驶车辆的路径规划和控制算法进行研究,主要研究内容如下:1.构建基于Frenet坐标系的车辆动力学模型。首先为了更好的表示无人驾驶车辆在实际道路上的运动状态信息,引入Frenet坐标系,并对坐标转换关系进行推导,其次为了更加准确描述车辆的动力学特性,基于魔术轮胎公式构建车辆的轮胎模型,最后将车辆动力学模型转化至Frenet坐标系下,得到基于误差的车辆动力学模型。2.路径规划算法研究。全局路径规划算法,对A*算法评价函数进行改进,根据当前位置与目标位置之间的距离,确定启发函数的权重系数,有效解决A*算法搜索效率低,目标导向性差的问题;然后针对原始路径不平滑,存在尖点的问题,采用B样条曲线平滑A*算法输出的全局路径。局部轨迹规划算法,提出一种Frenet坐标系下的基于五次多项式曲线的局部轨迹规划方法,将轨迹规划问题解耦为横向和纵向的运动规划问题,分别对横向和纵向进行采样,生成横纵向的轨迹集合,从舒适性、安全性等方面合理设计轨迹评价函数,然后将横纵向轨迹进行合成,设计综合评价函数并对合成轨迹进行评价,最后进行约束检查和碰撞检测,输出符合条件的局部轨迹,重复以上步骤,实现局部轨迹的动态更新。3.轨迹跟踪控制算法研究。采用解耦思想,分别设计横向和纵向控制器,基于模型预测控制算法设计了横向控制器,采用基于误差的动力学模型作为预测模型,设计控制量,添加约束条件,建立目标函数,最后转化为二次规划问题进行求解,对前轮转角进行控制。基于PID算法设计了位移-速度双PID纵向控制器,对纵向车速进行控制,实现车辆的加速和制动。4.算法实车功能验证。搭建线控试验平台,在厂区内部建立试验场景,进行实车试验,试验结果表明,本文所提出的规划算法能够规划出合理的行驶轨迹,控制算法能够实现对规划轨迹的跟踪,控制车辆躲避障碍物,并且轨迹跟踪误差控制在合理范围内,能够保证实际行车的安全性。