【技术实现步骤摘要】
一体式自动驾驶汽车换道轨迹规划和跟踪控制方法及系统
[0001]本专利技术涉及自动驾驶汽车控制
，特别涉及一种一体式自动驾驶汽车换道轨迹规划和跟踪控制方法及系统。
技术介绍
[0002]近年来，随着汽车保有量的增加，交通安全和交通拥挤问题日益严峻。为了提高交通安全、减少交通事故，缓解交通拥挤，自动驾驶技术得到迅速发展。其中，换道控制作为自动驾驶技术的核心技术受到越来越多的重视。自动驾驶汽车的换道控制主要包括路径规划和跟踪控制。其中，当路径规划中加入速度规划时，其又被称为轨迹规划。
[0003]在换道路径规划方面，目前国内外的研究普遍假设换道过程中汽车的纵向速度保持不变，不研究速度规划问题。然而，在实际的交通环境中，自动驾驶汽车自车周围其他汽车的运动状态并不是固定的，存在加速、减速等行为。因此，基于恒定速度假设的换道路径规划算法过于理想，并不能适应实际的动态交通环境。随着研究的深入，一些研究开始考虑换道过程中的速度控制，研究轨迹规划问题。论文[杜卓洋.无人驾驶车辆轨迹规划算法研究[D].浙江大学,2019.]提出
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种一体式自动驾驶汽车换道轨迹规划和跟踪控制方法，其特征在于，所述一体式自动驾驶汽车换道轨迹规划和跟踪控制方法包括：搭建非线性三自由度汽车动力学模型、非线性三自由度汽车运动学模型以及非线性UniTire轮胎模型；基于所述非线性三自由度汽车动力学模型、非线性三自由度汽车运动学模型以及非线性UniTire轮胎模型，设计基于模型预测控制的预测模型和系统约束；将自动驾驶汽车的速度规划、路径规划和跟踪控制整合为一个优化问题，设计代价函数，并实现服从于所述预测模型和所述系统约束的控制问题描述；求解所述控制问题，得到最优开环控制序列，选取所述最优开环控制序列中的第一组元素应用于待控制的自动驾驶汽车，实现自主换道控制。2.如权利要求1所述的一体式自动驾驶汽车换道轨迹规划和跟踪控制方法，其特征在于，所述非线性三自由度汽车动力学模型的表达式为：其中，V
x
为汽车纵向速度，V
y
为汽车侧向速度，γ为横摆角速度，F
x
和F
y
分别为纵向和侧向轮胎力，下标fl，fr，rl和rr分别指左前、右前、左后和右后车轮，δ
f
为前轮转角，m为汽车质量，l
f
和l
r
分别是汽车质心至前后轴的距离，d为轮距，I
z
为横摆转动惯量。3.如权利要求2所述的一体式自动驾驶汽车换道轨迹规划和跟踪控制方法，其特征在于，所述非线性三自由度汽车运动学模型的表达式为：其中，为横摆角速度，为横摆角，和分别为汽车在大地坐标系中的纵向速度和侧向速度。4.如权利要求3所述的一体式自动驾驶汽车换道轨迹规划和跟踪控制方法，其特征在于，所述非线性UniTire轮胎模型的表达式为：Tire轮胎模型的表达式为：
其中，为无量纲总切力，E为综合曲率因子，E
x
和E
y
分别为纵向力和侧向力曲率因子，
φ为相对综合滑移率，φ
n
为修正后的相对综合滑移率，λ为总切力方向因子，φ
x
和φ
y
分别为相对纵向和侧向滑移率，μ
x
和μ
y
分别为纵向和侧向摩擦系数，v
sx
和v
sy
分别为轮胎相对地面的纵向和侧向滑移速度，v为车轮中心速度，K
x
和K
y
分别为纵滑刚度和侧偏刚度；S
x
和S
y
分别为UniTire坐标系中的轮胎纵向和侧向滑移率，κ和α分别为ISO轮胎坐标系中的轮胎纵向滑移率和侧偏角，F
z
、F
z0
和F
zn
分别为轮胎载荷、额定轮胎载荷和无量纲轮胎载荷；η、pl1、pl2、pl3、pu0、pu1、pu2、pu3、pe1、pe2、pk1、pk2、pk3、φ
c
、sl1、sl2、pl3、su0、su1、su2、su3、se1、se2和sk1为UniTire轮胎模型的辨识参数。5.如权利要求4所述的一体式自动驾驶汽车换道轨迹规划和跟踪控制方法，其特征在于，所述基于所述非线性三自由度汽车动力学模型、非线性三自由度汽车运动学模型以及非线性UniTire轮胎模型，设计基于模型预测控制的预测模型和系统约束，包括：将式(3)至式(16)代入式(1)并联立式(2)，得到MPC(model predictive control，模型预测控制)控制器的时域预测模型，如下：其中，状态变量控制输入u＝[δ
f
,F
x,fl
,F
x,fr
,F
x,rl
,F
x,rr
]
T
，函数f
u(t)
(
·
)...
【专利技术属性】
技术研发人员：王国栋，刘立，孟宇，顾青，白国星，董国新，郑淏清，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：
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