考虑驾驶员行为特征的无人车轨迹规划与跟踪控制

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自动驾驶技术的快速发展使得自动驾驶汽车广泛走入人们的日常生活成为一种可能。自动驾驶汽车能够将“人”从“人-车-路-环境”闭环交通系统中解放出来,从根本上改善交通运输状况。自动驾驶汽车已经成为学术界和工业届的一个热点。如何充分体现智能化与人性化,实现个性化自动驾驶仍是难点。
  本文根据模拟驾驶实验对驾驶员行为特征进行研究。对轨迹规划和跟踪控制联合框架进行耦合设计,将驾驶员行为特征应用于规划层和控制层,提出在规划层和控制层分别实现个性化自动驾驶的方法。本文主要完成以下工作:
  (1)不同的驾驶员,即使面对相同的道路环境,其驾驶行为也是不同的。因此,首先基于模拟驾驶对驾驶员的驾驶行为进行统计分析。招募11名驾驶员在基于实车开发的驾驶模拟器平台上进行多种路况的模拟驾驶实验。提取的驾驶员行为特征指标包括轨迹特征和车辆动力学特征。
  (2)由于驾驶员的行驶轨迹不同,因此在轨迹规划层,需要提出一种统一的方法来产生不同的行驶参考轨迹。本文基于状态栅格法,通过车辆运动学模型建立车辆轨迹状态微分方程,利用含有未知参数的三次曲率多项式来表示车辆运动状态。继而将求解未知参数问题转化成非线性最小二乘问题进行求解。通过仿真实验对该方法进行说明,从而证明该方法的有效性。
  (3)基于三自由度车辆动力学模型,选取相应的状态量、控制量和输出量,建立车辆未来状态预测模型。通过模型预测控制理论,建立以轨迹跟踪精度和控制稳定性为目标的代价函数。考虑车辆动力学约束,确定状态量、控制量和控制增量的约束条件,最终将问题转化成标准二次规划问题进行求解。通过Carsim/Simulink联合仿真实验,对控制器的有效性进行验证。
  (4)获得驾驶员行为特征数据,将其应用于轨迹规划层和控制层,产生符合驾驶员个性化的参考轨迹和跟踪控制器。最后通过将规划层与控制层进行联合仿真实现个性化的自动驾驶。
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