
兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (4): 240058-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0058
收稿日期:2024-01-18
上线日期:2025-04-30
通讯作者:
基金资助:Received:2024-01-18
Online:2025-04-30
摘要:
为提高智能汽车的避障能力,提出一种基于速度障碍模型的智能汽车轨迹规划控制方法。结合速度障碍法和障碍物膨胀法,建立智能汽车的速度障碍模型,将动态障碍物在速度空间中的运动不确定转化为位置不确定,实现安全裕度根据障碍物尺寸和相对速度自适应调整。为兼顾轨迹跟踪精度和行驶稳定性,根据汽车状态方程、模糊控制原理和模型预测控制原理设计智能汽车模糊模型预测控制器(Fuzzy Model Predictive Control,FMPC)。为验证该方法的有效性,采用仿真软件建立其仿真模型。仿真结果表明:对多个随机的静、动态障碍物均可实现避障,且在避障后快速平稳地跟踪参考轨迹。通过避障稳定性分析得出,目标车速为100km/h,其最大横向速度为4.01km/h,最大横摆角速度为20.8°/s,最大质心侧偏角为2.32°,满足汽车行驶稳定性要求,该方法有效提高了智能汽车的避障能力及其行驶稳定性。
中图分类号:
何洋, 李刚. 基于速度障碍模型的智能汽车轨迹规划控制方法研究[J]. 兵工学报, 2025, 46(4): 240058-.
HE Yang, LI Gang. Research on Trajectory Planning Control Method of Intelligent Vehicle Based on Velocity Obstacle Model[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(4): 240058-.
| eφ | ey | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| NB | NM | NS | ZO | PS | PM | PB | |
| NB | PB | PM | PM | PS | PM | PM | PB |
| NM | PM | PM | PS | PS | PS | PM | PM |
| NS | PM | PS | PS | ZO | PS | PS | PM |
| ZO | PB | PS | PS | ZO | PS | PS | PB |
| PS | PM | PS | PS | ZO | PS | PS | PM |
| PM | PM | PM | PS | PS | PS | PM | PM |
| PB | PB | PM | PS | PS | PS | PM | PB |
表1 τQ模糊规则
Table 1 Fuzzy rules of τQ
| eφ | ey | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| NB | NM | NS | ZO | PS | PM | PB | |
| NB | PB | PM | PM | PS | PM | PM | PB |
| NM | PM | PM | PS | PS | PS | PM | PM |
| NS | PM | PS | PS | ZO | PS | PS | PM |
| ZO | PB | PS | PS | ZO | PS | PS | PB |
| PS | PM | PS | PS | ZO | PS | PS | PM |
| PM | PM | PM | PS | PS | PS | PM | PM |
| PB | PB | PM | PS | PS | PS | PM | PB |
| κref | ey | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| NB | NM | NS | ZO | PS | PM | PB | |
| ZO | PB | PM | PS | ZO | PS | PM | PB |
| PS | PM | PS | PS | ZO | PS | PS | PM |
| PM | PM | PS | PS | PM | PS | PS | PM |
| PB | PB | PM | PM | PB | PM | PM | PB |
表2 τR模糊规则
Table 2 Fuzzy rules of τR
| κref | ey | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| NB | NM | NS | ZO | PS | PM | PB | |
| ZO | PB | PM | PS | ZO | PS | PM | PB |
| PS | PM | PS | PS | ZO | PS | PS | PM |
| PM | PM | PS | PS | PM | PS | PS | PM |
| PB | PB | PM | PM | PB | PM | PM | PB |
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 长×宽×高/m | 4.63×1.82×1.71 |
| 簧载质量m/kg | 1430 |
| 转动惯量Ix/(kg·m2) | 717.7 |
| 转动惯量Iy/(kg·m2) | 2059.2 |
| 转动惯量Iz/(kg·m2) | 2059.2 |
| 轴距l/m | 2.68 |
| 前轮距Tf/m | 1.63 |
| 后轮距Tr/m | 1.64 |
| 质心高度h/m | 0.61 |
| 轮胎纵向刚度Csf、Csr/(N·m-1) | 8×105 |
| 前轮侧偏刚度 /(N·rad-1) | 7×104 |
| 后轮侧偏刚度 /(N·rad-1) | 6.5×104 |
| 轮胎规格 | 235/55 R18 |
表3 汽车相关参数
Table 3 Related parameters of SUV
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 长×宽×高/m | 4.63×1.82×1.71 |
| 簧载质量m/kg | 1430 |
| 转动惯量Ix/(kg·m2) | 717.7 |
| 转动惯量Iy/(kg·m2) | 2059.2 |
| 转动惯量Iz/(kg·m2) | 2059.2 |
| 轴距l/m | 2.68 |
| 前轮距Tf/m | 1.63 |
| 后轮距Tr/m | 1.64 |
| 质心高度h/m | 0.61 |
| 轮胎纵向刚度Csf、Csr/(N·m-1) | 8×105 |
| 前轮侧偏刚度 /(N·rad-1) | 7×104 |
| 后轮侧偏刚度 /(N·rad-1) | 6.5×104 |
| 轮胎规格 | 235/55 R18 |
| 参数 | 车速/(km·h-1) | MPC | FMPC | FMPC优化量/% |
|---|---|---|---|---|
| 超调量/% | 60 | 12.2 | 7.9 | 4.3 |
| 100 | 27.1 | 14.7 | 12.4 | |
| 上升时间/s | 60 | 0.43 | 0.35 | 18.6 |
| 100 | 0.44 | 0.37 | 15.9 | |
| 峰值时间/s | 60 | 0.93 | 0.71 | 23.6 |
| 100 | 0.95 | 0.81 | 14.7 | |
| 过度时间/s | 60 | 1.92 | 0.98 | 48.9 |
| 100 | 2.27 | 1.21 | 46.7 |
表4 统计值
Table 4 Statistical values
| 参数 | 车速/(km·h-1) | MPC | FMPC | FMPC优化量/% |
|---|---|---|---|---|
| 超调量/% | 60 | 12.2 | 7.9 | 4.3 |
| 100 | 27.1 | 14.7 | 12.4 | |
| 上升时间/s | 60 | 0.43 | 0.35 | 18.6 |
| 100 | 0.44 | 0.37 | 15.9 | |
| 峰值时间/s | 60 | 0.93 | 0.71 | 23.6 |
| 100 | 0.95 | 0.81 | 14.7 | |
| 过度时间/s | 60 | 1.92 | 0.98 | 48.9 |
| 100 | 2.27 | 1.21 | 46.7 |
| 车速/(km·h-1) | MPC | FMPC | FMPC优化量/% |
|---|---|---|---|
| 60 | 0.23 | 0.10 | 56.5 |
| 100 | 0.69 | 0.31 | 55.1 |
表5 轨迹跟踪误差
Table 5 Trajectory tracking error m
| 车速/(km·h-1) | MPC | FMPC | FMPC优化量/% |
|---|---|---|---|
| 60 | 0.23 | 0.10 | 56.5 |
| 100 | 0.69 | 0.31 | 55.1 |
| 障碍物 | 方向 | 车速/(km·h-1) | |
|---|---|---|---|
| 60 | 100 | ||
| A | 纵向 | 14.3 | 16.2 |
| 横向 | 1.22 | 2.36 | |
| B | 纵向 | 8.13 | 11.7 |
| 横向 | 1.03 | 1.85 | |
| C | 纵向 | 5.29 | 14.3 |
| 横向 | 1.02 | 1.47 | |
| D | 纵向 | 8.22 | 16.1 |
| 横向 | 1.17 | 1.22 | |
| E | 纵向 | 8.17 | 10.6 |
| 横向 | 1.09 | 1.49 | |
表6 安全裕度
Table 6 Safety margin
| 障碍物 | 方向 | 车速/(km·h-1) | |
|---|---|---|---|
| 60 | 100 | ||
| A | 纵向 | 14.3 | 16.2 |
| 横向 | 1.22 | 2.36 | |
| B | 纵向 | 8.13 | 11.7 |
| 横向 | 1.03 | 1.85 | |
| C | 纵向 | 5.29 | 14.3 |
| 横向 | 1.02 | 1.47 | |
| D | 纵向 | 8.22 | 16.1 |
| 横向 | 1.17 | 1.22 | |
| E | 纵向 | 8.17 | 10.6 |
| 横向 | 1.09 | 1.49 | |
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