智能车辆的轨迹跟踪控制方法研究

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

摘要.......................................................................................................................I Abstract ..................................................................................................................III

第1章绪论 (1)

1.1 课题背景及研究意义 (1)

1.2 国内外研究现状及分析 (2)

1.2.1 智能车辆研究概况 (2)

1.2.2 智能车辆自主驾驶关键技术研究现状 (3)

1.2.3 轨迹跟踪控制研究现状 (7)

1.3 论文主要研究内容 (8)

第2章车辆纵横向动力学建模 (10)

2.1 引言 (10)

2.2 车辆动力学建模 (10)

2.2.1 车辆参考坐标系定义 (10)

2.2.2 整车动力学模型 (11)

2.3 动力学特性分析与模型简化 (16)

2.4 本章小结 (24)

第3章基于LPV-H 的纵向车速与横摆率控制方法研究 (26)

3.1 引言 (26)

3.2 车辆动力学模型的LPV 表示 (26)

3.3 LPV-H ∞控制器设计 (28)

3.4 力矩分配策略 (33)

3.5 仿真结果与分析 (35)

3.5.1 仿真参数与工况设置 (35)

3.5.2 高附着系数路面（附着系数9.0=μ）仿真 (36)

3.5.3 低附着系数路面（附着系数5.0=μ）仿真 (46)

3.6 本章小结......................................................................................................56 第4章车辆轨迹跟踪的分层控制方法研究. (57)

4.1 引言 (57)

4.2 转向角的滚动时域优化规划方法 (57)

4.2.1 车辆横向动力学建模 (57)

4.2.2 转向角的滚动时域优化算法 (59)

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

4.3 轨迹跟踪控制的分层控制策略 (63)

4.4 仿真结果与分析 (64)

4.4.1 仿真工况设置 (64)

4.4.2 不同车速时的双移线工况仿真结果与分析 (65)

4.5 本章小结 (69)

结论 (70)

参考文献 (71)

攻读硕士学位期间发表的学术论文 (78)

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (79)

致谢 (80)

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

第1章绪论

1.1课题背景及研究意义

近年来，随着汽车工业技术的快速发展和人们生活水平的不断提高，汽车逐渐成为寻常百姓家的常规消费品。车辆性能的不断改进和公路等级的逐级提高，尤其是高速公路的快速发展，车辆的行驶速度越来越高，道路上的车流量也越来越大，这就直接导致了越来越多恶性交通事故的发生。因此，提高车辆主动安全性能已成为汽车工业领域急需解决的重要问题。现有的车辆主动安全技术主要包括：防抱死制动系统(Anti-Lock Braking System, ABS)，驱动防滑系统(Acceleration Slip Regulation, ASR)，车辆稳定性控制(Vehicle Stability Control, VSC)等。但在诸如紧急避障、低附着路面超车、变道等工况下，仅仅依靠以上技术很难保证车辆安全稳定地行驶。而随着电子信息、人工智能等技术的发展进步，有越来越多的先进技术被应用到车辆控制上，加之日益严峻的环境问题使得对车辆的环保与节能特性的要求进一步提高，智能交通系统(Intelligent Transportation System, ITS)的概念被提出。智能交通的核心是从系统的角度出发，将车辆系统和道路系统综合考虑，以解决相关交通问题[1]。由此可见，智能车辆是智能交通系统的重要组成部分。

智能车辆在普通车辆的基础上，集成了多种先进的传感器和控制器，通过这些装置实现人-车-路的智能信息交换，使智能车辆具有自主导航、自动驾驶、自主循迹和自动跟踪等多项功能，而车辆运动控制是实现智能车辆自动驾驶和轨迹跟踪的技术基础。车辆运动控制包括纵向运动控制、横向运动控制和纵横向耦合运动控制。纵向运动控制是在行车方向上的控制，主要是实现车辆纵向速度、加速度、位移等的跟踪控制；横向运动控制实质上是转向控制，是控制车辆在不同工况下自动跟踪行车路线，并保持一定的舒适性和平稳性要求，用来实现车辆车道保持或自主换道。由于车辆是一个高度非线性、强耦合的系统，将纵向运动和横向运动简单解耦，忽略它们之间的相互影响并进行单独控制势必会降低控制性能，从而使车辆的行驶安全性受到影响。因此，研究考虑车辆纵横向运动相互影响的纵横向耦合运动控制方法，可以改进复杂工况下车辆自动跟踪控制性能，提高车辆行驶的安全性、机动性和协调性。

在车辆运动控制的基础上结合轨迹规划即可实现智能车辆的轨迹跟踪控制。现有的车辆轨迹跟踪控制的研究多是与车辆横向运动控制相关联，并假定车辆纵向车速保持不变，没有考虑车辆的纵横向运动之间相互相影响，因此研究基于车