基于模型预测控制的无人车典型场景轨迹规划研究.pdfVIP

摘要

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无人驾驶相对于人工驾驶拥有许多优点，可以在增加道路安全，降低环境

污染，缓解交通拥堵等方面发挥重大影响，这些优点使其成为未来车辆技术发

展的方向之一。而轨迹规划作为无人驾驶技术的重要模块之一，对无人驾驶的

安全性与舒适型起决定性影响。本文在分析了国内外轨迹规划领域的研究基础

之上，以在超车、换道、减速避让等典型工况下实现安全舒适的轨迹规划为目

的，通过理论分析与仿真实验，对基于模型预测控制算法的轨迹规划方法进行

了设计与验证。

首先介绍了车辆的模型，针对规划与跟踪的需求，建立了车辆的非线性运

动学模型与车辆的二自由度动力学模型。并以运动学模型为基础设计了轨迹规

划算法。针对将动态障碍物进行精细建模会使得求解困难，而传统简单线性避

障约束又会导致过度避障、难以实现完全避障的问题，提出了一种新的线性避

障约束，针对于不同的避障要求，设计不同的避障约束与施加条件，并在四个

不同的工况下对于轨迹规划算法进行了初步的仿真验证，仿真表明，所设计的

方法在不同工况下均能满足除实时性以外的其他要求。

基于非线性模型构建的模型预测控制问题求解时间慢，且容易陷入局部最

优解，而针对轨迹规划虽可初步完成完成车辆轨迹规划的需求，但实时性严重

不足的问题，采用格轨迹分片线性模型对非线性系统进行拟合，将原优化问题

转化为二次规划问题，提升非线性系统在线优化计算的效率，进而满足规划方

法实时性的需求。在之前的工况下对于新的算法进行了初步的仿真验证，仿真

表明，方法在不同工况下均能满足轨迹规划要求。利用轨迹质量评价函数对于

轨迹进行评价，结果表明新方法设计的轨迹在轨迹效率、舒适度、安全性与原

方法相近。

利用软件建立高精度的车辆模型，并进行仿真实验验证。通过分层

的轨迹规划和轨迹跟踪结构，实现车辆轨迹的规划与跟踪，利用车辆动力学模

型，对车辆进行纵横向解耦控制。然后，通过仿真环境进行仿真，结果表明规

划方法可以在动态环境中成功避开静态和动态障碍物，同时满足稳定性约束。

关键词:轨迹规划；模型预测控制；避障约束；分片线性模型；轨迹跟踪；

用小4号字）

--I

Abstract

Abstract

Automateddrivinghasmanyadvantagesovermanualdriving.Itplaysa

significantroleinincreasingroadsafety,reducingenvironmentalpollutionand

easingtrafficcongestion,andtheseadvantagesmakeitthefuturedirectionof

vehicletechnologydevelopment.Asoneoftheimportantmodulesofautonomous

drivingtechnology,trajectoryplanningplaysadecisiveroleinthesafetyand

comfortofautonomousdriving.Basedontheanalysisoftheresearchinthefieldof

trajectoryplanning,thispaperdesignsandverifiesthetrajectoryplanningmethod

basedonthemodelpredictivecontrolalgorithmthroughtheoreticalanalysisand

simulationexperimentswiththeaimofachievingsafeandcomfortabletrajectory

planningundertypicalworkingconditionssuchasovertaking,lanechangingand

decelerationavoi