论文中文题名: | 智能车辆局部路径规划与路径跟踪控制研究 |
姓名: | |
学号: | 19205216098 |
保密级别: | 公开 |
论文语种: | chi |
学科代码: | 085234 |
学科名称: | 工学 - 工程 - 车辆工程 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工程硕士 |
学位年度: | 2022 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 新能源智能网联车辆 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
论文提交日期: | 2022-06-28 |
论文答辩日期: | 2022-06-02 |
论文外文题名: | Research on Local Path Planning and Path Tracking Control of Intelligent Vehicle |
论文中文关键词: | |
论文外文关键词: | local path planning ; fast expanding random tree ; dynamic window method ; lateral motion control ; state extended MPC |
论文中文摘要: |
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和规划时长均减小,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。 |
论文外文摘要: |
With the vigorous development of automobile manufacturing industry, car ownership has increased dramatically, resulting in increasingly serious road traffic safety problems. Intelligent Transportation System (ITS) is the development direction of future transportation, which is conducive to solving traffic safety problems. As an important part of ITS, intelligent vehicles contribute to the development of intelligent transportation, and its realization depends on many key technologies. Local path planning and path tracking control are the key research contents. In this paper, the DWA local path planning algorithm based on improved RRT and the path tracking controller based on state extended MPC and corner compensation are designed to solve the problem that the vehicle is difficult to follow the global path in the obstacle avoidance scene and the real-time and tracking accuracy are difficult to guarantee in the process of path tracking. Aiming at the local path planning problem, the RRT global path planning algorithm is designed. On this basis, the sampling method of RRT is improved by setting the middle sampling points of the path, and the global planning path is smoothed and optimized by cubic non-uniform B-spline curve. The 3-DOF kinematics model of vehicle is established, and the local path planning algorithm based on DWA is designed. The global path key points planned by the improved RRT are extracted as the sub-goal points of the DWA algorithm, and the DWA local path planning algorithm based on the improved RRT is designed through the trajectory evaluation function of the improved DWA algorithm. The effectiveness of the designed local path planning algorithm is verified in four different obstacle scenarios. For the problem of path tracking control, the tire dynamics model using magic formula is established and the tire characteristics are analyzed. On this basis, the vehicle yaw dynamics model is established and linearized according to the state trajectory method. The model state variables are extended and converted, and the state extended MPC controller is designed. The front wheel angle is solved by designing the objective function and constraint conditions to track the target path. The vehicle-path tracking error model is established, and the angle compensation fuzzy controller is designed to correct the front wheel angle according to the vehicle lateral and heading deviation. Verify the real-time performance and tracking accuracy of the path tracking controller under three different speeds. The MATLAB/CarSim co-simulation platform is built to verify the effectiveness of the planning and tracking method in single and multiple obstacle avoidance scenarios. The simulation results show that in the four obstacle scenarios of path planning, compared with the DWA algorithm based on A*, the planning path distance and planning time of DWA local path planning algorithm based on improved RRT are reduced. Among them, the planning path distance is reduced by 7.04% and 5.1% in complex obstacle scenarios and indoor space scenarios, and the planning time is reduced by 16.6% and 13.3%, respectively. Compared with the traditional MPC controller, the path tracking controller based on state-extended MPC and angle compensation has better tracking performance under the standard double lane change condition of path tracking, and the maximum lateral and heading deviation of path tracking are reduced by 23% and 17% respectively. The average control increment solving time of state extended MPC controller is reduced by more than 14%. In the single and multiple obstacle avoidance simulation experiments, the designed local path planning algorithm has smooth and smooth obstacle avoidance path. The path tracking controller maintains that the maximum lateral deviation of the vehicle is less than 0.5m and the maximum lateral acceleration is about 0.03g. |
参考文献: |
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中图分类号: | U461.1 |
开放日期: | 2022-06-28 |