自动驾驶是汽车产业发展的重要方向之一,在提升交通效率、降低安全事故、降低能源损耗、缓解驾驶员劳动强度等方面具有显著优势。路径规划与跟踪控制作为实现自动驾驶的关键技术,直接决定了自动驾驶车辆的安全性、稳定性。本文以四轮独立转向自动驾驶车辆系统作为研究对象,以实现安全避障为研究目标,以模型预测控制方法及约束跟随控制理论为研究方法,设计分层控制器以实现车辆安全避障及路径跟踪,提升车辆系统安全性及鲁棒性。主要研究内容包括:针对自动驾驶中可能存在未知障碍物的情形,采用模型预测控制理论对已知全局路径进行重规划以实现局部避障。首先建立车辆点质量模型作为规划层模型,并建立车身坐标系下的障碍物模型;其次设计避障功能函数并嵌入到避障目标函数中,设计避障路径规划器;然后通过求解带约束的优化问题得到离散避障路径点,并基于四次多项式进行拟合;最后将四次多项式曲线系数输出到路径跟踪控制器完成避障路径规划。针对自动驾驶车辆在横向路径跟踪中可能存在的参数摄动、外界干扰等不确定性,以及道路边界等安全约束,基于约束跟随控制理论设计路径跟踪鲁棒控制器。首先,建立四轮转向车辆横向动力学模型,并根据车辆路径跟踪运动学关系将路径跟踪控制转化为约束跟随控制问题。其次,基于微分同胚映射方法处理车辆系统中的不等式约束,并将转化后的系统划分为标称部分及不确定性部分,依次完成控制策略的制定。最后,通过最小化目标函数优化控制器参数,使控制器的设计最优。在Simulink/Carsim中搭建路径跟踪控制及局部避障路径规划仿真平台,验证了路径跟踪控制器、局部避障路径规划及跟踪控制器的性能。仿真结果表明,本文所设计局部路径规划器能够规划出安全的行驶路径,同时路径跟踪控制器能够兼顾驾驶安全性及鲁棒性能。