[发明专利]基于区域虚拟力场的智能汽车横纵向耦合路径规划方法

说明书

本发明提供了一种基于区域虚拟力场的智能汽车横纵向耦合路径规划方法，以区域虚拟力场对道路环境进行建模，利用模型预测控制对车辆未来状态进行预测，并基于此完成横纵向耦合路径规划的任务，本方法具体包括如下步骤：步骤一、建立主车的动力学和运动学模型；步骤二、车辆行驶车道区域划分；步骤三、建立基于区域虚拟力场的道路环境模型，步骤四、利用步骤三建立的模型进行模型预测控制器的设计；本方法同时考虑了车辆的横向和纵向的行驶，考虑了多障碍车的动态行驶，可以保证安全性，避免碰撞。

技术领域

本发明涉及一种基于区域虚拟力场的智能汽车横纵向耦合路径规划方法，以区域虚拟力场对道路环境进行建模，利用模型预测控制对车辆未来状态进行预测，并基于此完成横纵向耦合路径规划的任务。

背景技术

随着社会经济和制造业的发展和进步，汽车行业迅速壮大起来，驾驶安全问题愈发严重。

智能车辆作为智能交通系统的重要组成部分可以完成自主避障，提高驾驶安全性。路径规划是其中的关键技术之一，是指根据周围环境信息和车辆自身行驶状态构成一条满足行驶目标的序列点或曲线，目前来看，大部分路径规划都是忽略纵向，只对横向运动进行规划，但车辆系统本身就是一个及其复杂的非线性系统，在满足动力学约束的前提下进行运动规划存在很大难度，因此，如何进行横纵向耦合的路径规划是路径规划研究的重点问题。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种基于区域虚拟力场的智能汽车横纵向耦合路径规划方法，其通过区域虚拟力场进行环境建模，采用约束模型预测控制进行路径规划。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

基于区域虚拟力场的智能汽车横纵向耦合路径规划方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、建立主车的动力学和运动学模型：

(1)主车动力学模型建立

考虑车辆的侧向运动动力学和横摆运动学以及纵向动力学，建立车身坐标系，车辆质心o为坐标原点，车身前进方向为x轴正方向，垂直于x轴向上的为z轴正方向，根据动力学知识可得二自由度动力学方程如下式(1)所示：

其中，m为车辆的质量，单位，kg；a_y分别为沿y轴方向车辆质心的惯性加速度，称为侧向加速度，单位：m/s²；I_z为车辆绕z轴的转动惯量，单位：kg·m²；a为车辆质心o到车辆前轴的距离，单位：m；b为车辆质心o到车辆后轴的距离，单位：m；F_xf为车辆前轮的纵向力，单位：N；F_yf为车辆前轮的侧向力，单位：N；F_yr为车辆后轮的侧向力，单位：N；δ_f为车辆前轮转向角，单位：rad；r为车辆的横摆角速度，单位：rad/s；

经过小角度假设并利用线性轮胎模型：

式中，C_f为车辆前轮的轮胎侧偏刚度，单位：N·rad；C_r为车辆后轮的轮胎侧偏刚度，单位：N·rad；α_f为车辆前轮的轮胎侧偏角，单位：rad；α_r为车辆后轮的轮胎侧偏角，单位：rad；

利用纵向速度和侧向速度来计算轮胎的侧偏角为：

经过整理可以得到车辆的动力学模型：

(2)主车运动学建模：

仅考虑车辆系统的几何关系，以数学方式来描述车辆的运动情况：