车道变换是驾驶员操作车辆常用的驾驶行为之一,由于驾驶员的注意力不集中或操作失误,是造成交通事故和道路堵塞的主要原因。因此研究车辆的自主换道辅助系统,包含车辆换道决策、换道轨迹规划和跟踪控制等功能,有利于减少交通事故、改善乘员舒适性和提高车辆行驶效率。车辆换道可分为自由换道和强制换道,其中强制换道多应用于匝道口、前方有事故发生车辆必须进行换道操作,而自由换道则更加灵活多变且研究较少。因此本文以自动驾驶汽车为研究对象,主要围绕车辆的自由换道进行研究,建立一个安全、有效的自主换道算法。本文首先对车辆的最小安全跟车距离进行分析,在此基础上提出车辆的换道安全距离模型。建立自主换道行为决策算法的车辆简化模型,将行为决策问题看作一个优化问题,构建其逻辑约束及以最优速度行驶、选择合适的车道和行驶时间最短为目标函数,最终建立了基于混合逻辑动态系统的决策方法,使用混合线性整数规划的方法进行优化求解。其次在模型预测控制的思想上建立基于优化方法的换道轨迹规划方法,选取运动学模型作为轨迹规划的预测模型以及根据车辆间的运动关系确定换道时间,构建与换道时间和车辆转向性能有关的目标函数,并进行优化求解。针对环境车辆的不确定性,确定车辆的换道轨迹再规划的逻辑决策,防止出现由于环境车辆的变化导致车辆沿原换道轨迹发生碰撞,进一步保证车辆的安全性。然后建立基于模型预测控制的横纵向联合控制的跟踪控制器。构建用于横纵向联合控制的车辆非线性预测模型,对其进行线性化和离散化,根据车辆执行器性能及换道的环境建立约束条件,并构建横纵向联合控制器的目标函数,最后将目标函数转换为二次规划的形式进行最优求解。最后为检验本文设计的自主换道算法的性能,通过Simulink、CarSim和PreScan软件搭建仿真平台,设计5种工况进行仿真验证,仿真结果表明了设计的自主换道算法的有效性和鲁棒性。