超车对驾驶员技术要求很高,当驾驶员在超车的过程中因精神状态欠佳或错误的估计车辆周围信息,都会导致驾驶员超车失败,甚至引发交通事故。为了提高汽车在超车过程中的安全性,本文针对无人驾驶汽车超车轨迹规划和跟踪控制方法进行研究。基于前轮小角度偏角假设工况下引入线性轮胎模型,建立了车辆动力学非线性模型,该模型能够较准确地表述无人驾驶汽车在换道超车时的动力学特性,并且可以降低轨迹跟踪控制算法的运算量。建立车辆驱动模型,根据速度跟踪控制器输出的期望加速度推算出所需要的节气门开度,实现车辆纵向速度控制。通过分析无人驾驶车辆超车时与前车的运动关系,考虑无人驾驶车辆加速度、初始速度、前车速度、前车距离以及碰撞前车时间,计算无人驾驶车辆与前车的最小安全间距。分析四种常用换道轨迹并比较其特点,选用五次多项式函数轨迹作为无人驾驶车辆超车轨迹。将超车过程划分为两次换道和一次超车三个阶段。根据无人驾驶车辆的初始速度、前车速度及与前车的距离计算无人驾驶车辆换道超车的目标速度、目标位置以及换道超车时间,利用五次多项式函数为无人驾驶车辆规划三段式超车轨迹。采用基于模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)方法实现无人驾驶车辆超车轨迹跟踪控制。根据五次多项式曲线规划出的三段式超车轨迹,结合车辆超车工况,综合考虑车辆的避撞约束条件、横向位移约束条件、控制量约束条件等约束条件问题,确定合理的目标函数,设计基于模型预测控制的轨迹跟踪控制器。根据现实超车经验,驾驶员超车时都会选择加速超越前车,因此在无人驾驶车辆超车时引入参考速度,设计基于模糊PI控制的速度跟踪控制器。利用Carsim/Matlab进行仿真实验研究,仿真实验研究结果表明无人驾驶车辆能够平稳、准确地跟踪目标轨迹,并且能够按照参考速度完成超车。