[发明专利]一种用于自主驾驶车辆避障轨迹规划与跟踪控制的优先级分层预测控制方法

说明书

一种用于自主驾驶车辆避障轨迹规划与跟踪控制的优先级分层预测控制方法，本方法基于离散时间车辆动力学模型，首先定义出描述行车环境的势场函数，再将离散时间动力学模型作为预测模型，然后建立有限时域优先级分层优化控制问题，并结合滚动优化控制原理，在每个采样时刻计算得到最优控制解，实现基于目标优先级驱动的自主车辆避障轨迹规划与跟踪控制的预测控制。本发明方法的优点是理解简单，通用性强，控制量满足自主驾驶车辆安全避障规划要求和车辆操纵稳定性。

技术领域

本发明属于自主驾驶车辆轨迹规划与跟踪控制领域，涉及一种用于自主驾驶车辆避障轨迹规划与跟踪控制的优先级分层预测控制方法。

背景技术

自主无人驾驶是智能车辆发展的重要方向，自主车辆的轨迹规划在环境感知的基础上，为车辆规划一条安全无碰撞且可行的行驶路径，是实现车辆自主无人驾驶的关键技术。自主驾驶车辆轨迹规划与跟踪控制应满足车辆动力学/运动学特性以及各种约束，预测控制算法能够很好地解决此类问题。通过对现有基于预测控制的自主驾驶车辆轨迹规划与跟踪控制的文献检索，发现现有方法将避障目标函数和跟踪目标函数直接相加，转换为单个综合目标函数，并用加权系数表示避障目标和跟踪目标的相对重要性，但避障目标函数和跟踪目标函数不同，度量的单位不同，而且避障目标和跟踪目标存在相互冲突特性，因此，将避障目标函数和跟踪目标函数直接相加的方法不能真实反映自主驾驶车辆的避障高优先级要求，尤其是对于车辆这种复杂非线性动力学系统而言，固定两者的加权系数适应性差，但行驶过程在线调整两者的加权系数将增加驾驶危险性而且难以实现。本方法把自主驾驶车辆避障轨迹规划与跟踪控制过程建立为一个目标优先级明确的多目标控制问题，将车辆的避障轨迹规划目标作为最高优先级，跟踪控制目标作为低优先级，然后从高优先级避障轨迹规划目标要求开始计算，逐层实现自主车辆避障轨迹与跟踪控制目标，保证对更高优先级避障目标的控制效果。本方法与现有自主驾驶车辆避障轨迹规划与跟踪控制方法相比，不需要将避障目标函数和跟踪目标函数相加，从而不存在两者的加权系数，因而本发明方法使用上更具灵活性和实用性。

发明内容

相对现有自主驾驶车辆避障轨迹规划与跟踪控制的加权预测控制方法，为了克服现有技术的不足，本发明设定自主驾驶车辆的避障轨迹规划目标为高优先级控制目标，自主驾驶车辆的跟踪为次优先级控制目标，根据排序结果，依次优化自主驾驶车辆的避障轨迹，同时确保自主驾驶车辆对优化避障轨迹中的安全跟踪控制，避免了避障轨迹规划目标和跟踪控制目标的加权系数复杂的在线调整和重新配置过程。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于自主驾驶车辆避障轨迹规划与跟踪控制的优先级分层预测控制方法，所述方法包括如下步骤：

1)、考虑自主驾驶车辆离散时间动力学模型，参见式(1)：

其中，k为采样时间，T_s为采样周期，X、Y、分别为车辆在全局坐标系下的纵向位置、横向位置、横摆角，v_x、v_y、r分别为车辆在质心处的纵向速度、横向速度、横摆角速度，m为车辆质量，I_z为车辆绕其垂直轴的转动惯量，d_f和d_r分别是车辆质心到前、后轴的距离，δ_f和a_x分别为前轮转向角和纵向加速度，C_cf和C_cr分别表示前、后轮的侧偏刚度，定义车辆行驶环境势场函数，参见式(2)：