智能车辆自主换道方法的研究

发布时间：2017-10-14 10:23

  本文关键词：智能车辆自主换道方法的研究

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【摘要】：随着汽车智能化相关技术的研发和应用,人们对传统汽车的认识和驾驶方式逐渐发生了改变。智能车辆最终的目标是将“人-车-环境”的闭环系统变为“车-环境”系统,也就是说智能车辆利用环境感知、电子信息和智能控制等技术自主完成交通环境中常见的驾驶操作,以避免因驾驶员的疲劳、不良驾驶习惯、分神和驾驶技术不足等造成的交通事故或交通堵塞。汽车变更车道是最常见的驾驶行为之一,也是最容易引发事故或道路堵塞的行为之一,智能车辆自主换道关键技术研究的目的就是为了使车辆自主进行的车道变换操作比驾驶员的操作更具效率、合理性、安全性、舒适性。本文的研究工作属于智能驾驶技术探究的范畴,主要是针对高速动态环境下车辆自主换道方法进行研究,目前在复杂多变的真实交通环境中要想使智能车辆自主行驶能达到成熟驾驶员具有的智能、可靠的程度还有待时日。车辆在实际的变换车道过程中,换道持续时间比较短,车辆的速度一般保持稳定,不会有大的波动,为了便于研究,暂不考虑对车辆纵向速度的控制。首先对智能车辆自主换道的决策进行初步的研究。通过对驾驶员换道特性的分析,引入车辆速度和空间期望的概念,考虑安全性和个性化对智能车换道决策模块进行初步设计。在车辆的换道轨迹规划方面,基于多项式来描述轨迹的方法比较多,但是在常见的规划算法中车辆的起始点和目标点是确定的,较少考虑规划过程中交通环境的变化;路径规划最早起源于机器人的研究,然而汽车的尺寸较大,多数传统的轨迹规划方法将其简化为质点只考虑平动不考虑转动,会带来比较大的轨迹误差;当车辆的速度较高时,不考虑车辆的动力学特性也会有很大误差。本文首先分析换道轨迹的特点,利用多项式生成换道轨迹簇,再综合考虑车辆的安全性、稳定性、合法性、舒适性、经济性等性能指标,筛选出最优换道轨迹;考虑到交通环境是动态变化的,因此对交通车轨迹进行预估,在此基础上建立搜索空间,然后利用简化的二自由度稳态动力学模型作为轨迹发生器得到局部区域的轨迹簇,在搜索空间中对轨迹簇中的轨迹的进行评价,剔除有碰撞可能的轨迹,以最优换道轨迹为目标选择出车辆考虑多目标约束的最终换道轨迹,此轨迹是在换道过程中实时动态产生。对于换道轨迹跟踪控制,传统的控制方法对环境和参数的依赖程度较高,当环境有较大动态变化的情况,一些跟踪控制方法不能很好的适应;在智能车辆行驶过程中存在着运动学的约束和执行机构的约束,在高速状态下还需要考虑动力学约束,还有一些道路物理限制如地面摩擦力、最大横向位移等。传统控制算法较难对这些约束进行处理。本文利用模型预测控制具有对未来轨迹的预测和较强的处理多目标约束的能力,合理建立换道过程中的约束条件,设计控制器,实现车辆的换道操作。最后利用实验室研发的虚拟仿真验证平台Panosim中搭建仿真环境,验证本文所研究的自主换道方法的有效性和可靠性。
【关键词】：智能车辆 换道 轨迹规划 跟踪控制 滚动优化
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U463.6
【目录】：

• 摘要4-6
• abstract6-10
• 第1章 绪论10-23
• 1.1 研究目的和意义10-12
• 1.2 智能车辆关键技术分析12-14
• 1.3 国内外研究现状14-19
• 1.3.1 换道行为决策15-16
• 1.3.2 自主换道轨迹规划16-17
• 1.3.3 自主换道轨迹跟踪控制17-19
• 1.3.4 自主换道研究目前存在的问题19
• 1.4 本文拟解决的问题与主要研究内容19-23
• 第2章 自主换道决策机制研究23-32
• 2.1 换道行为特性分析23-26
• 2.1.1 换道行为的产生23-25
• 2.1.2 换道过程的划分25
• 2.1.3 换道场景的简化25-26
• 2.2 智能车辆自主换道行为决策26-30
• 2.2.1 智能车辆间距期望27-28
• 2.2.2 智能车辆速度期望28
• 2.2.3 换道指令的产生28-30
• 2.3 本章小结30-32
• 第3章 自主换道轨迹规划算法研究32-47
• 3.1 分层运动规划架构32-33
• 3.2 无干扰的换道轨迹设计33-38
• 3.3 考虑交通干扰的换道轨迹设计38-46
• 3.3.1 交通车轨迹预估与搜索空间建立39-41
• 3.3.2 轨迹发生器的建立41-45
• 3.3.3 最优换道轨迹的选取45-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第4章 轨迹跟踪控制算法研究47-60
• 4.1 模型预测控制原理47-49
• 4.2 预测模型建立49-56
• 4.2.1 车辆动力学模型建立49-53
• 4.2.2 线性时变预测模型推导53-56
• 4.3 模型预测控制器设计56-59
• 4.3.1 换道控制过程中约束条件建立56-57
• 4.3.2 控制器的优化求解57-59
• 4.4 本章小结59-60
• 第5章 智能车自主换道方法的验证60-73
• 5.1 虚拟仿真平台搭建60-62
• 5.2 仿真试验62-72
• 5.2.1 仿真参数62-63
• 5.2.2 前方车辆直线行驶的换道工况63-69
• 5.2.3 前方车辆干扰换道工况69-71
• 5.2.4 超车工况71-72
• 5.3 本章小结72-73
• 第6章 全文总结和展望73-76
• 6.1 全文总结73-74
• 6.2 未来工作展望74-76
• 参考文献76-82
• 作者简介及学术成果82-83
• 致谢83

【参考文献】

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本文编号：1030547