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基于神经网络逆系统的智能汽车轨迹跟踪控制研究

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目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 轨迹规划方法研究现状

1.2.2 速度规划方法研究现状

1.2.3 纵横向控制方法研究现状

1.2.4 轨迹规划与跟踪控制方法研究中存在的问题

1.3 本文主要研究内容

2 基于改进人工势场法的车辆目标轨迹规划

2.1 引言

2.2 道路势能场构建

2.3 障碍物势能场构建

2.4 基于危险势能场的目标路径规划

2.5 基于DP算法的目标速度规划2.4节基于车辆危险势能场规划出了车辆的避撞路径,为了获得可跟踪的安全行车轨迹,需要通过速度规划求解出目标路径的最优速度。目前已有的速度规划

2.5.1 基于动态规划理论的经济车速规划

2.5.2 状态转移方程和优化目标

2.5.3 约束条件

2.6 仿真计算及结果分析

2.7 本章小结

3 基于纵横向解耦的神经网络逆系统设计

3.1 引言

3.2 四轮独立驱动电动汽车平面运动动力学建模

3.2.1 车体动力学模型

3.2.2 轮胎模型

3.2.3 车辆平面运动动力学模型

3.3 车辆动力学系统耦合特性分析

3.4 车辆动力学耦合系统可逆性分析

3.5 基于神经网络逆系统方法的平面运动解耦实现

3.5.1 BP神经网络概述

3.5.2 神经网络逆系统模型结构参数确定

3.5.3 神经网络逆系统模型训练数据获取

3.5.4 神经网络逆系统模型训练

3.6 神经网络逆系统模型校验

3.7 基于神经网络逆系统的伪线性系统校验

3.8 本章小结

4 基于神经网络逆系统的轨迹跟踪控制研究

4.1 引言

4.2 车辆目标状态预测

4.3 基于神经网络逆系统的状态跟踪解耦控制器设计

4.4 基于虚拟轨迹生成的目标状态更新

4.5 仿真计算及结果分析

4.5.1 目标状态预测效果仿真

4.5.2 轨迹跟踪效果仿真

4.5.3 控制器解耦效果仿真

4.5.4 基于目标状态更新的轨迹跟踪效果仿真

4.6 本章小结

5 全文总结

5.1 工作总结

5.2 工作展望

参考文献

附录

A 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B 学位论文数据集

致谢

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摘要

智能汽车已成为当今世界汽车工程领域的研究热点之一,而车辆运动规划与控制方法作为智能汽车的关键技术,对智能汽车是否安全、合理、舒适地在道路上行驶具有决定作用,深受国内外科研人员的关注。汽车在进行主动转向避撞时其目标行驶轨迹复杂,纵横向运动同时存在且耦合严重,对智能汽车的轨迹跟踪控制提出了更高的要求。本研究依托国家重点研发计划子课题(2017YFB0102603-3),以四轮独立驱动的智能电动汽车为研究对象,以纵横向耦合严重的汽车主动转向避撞工况为研究场景,重点研究智能汽车纵向、横向、横摆三向运动解耦跟踪控制方法,旨在提高车辆轨迹跟踪控制的精度。本文的主要研究工作如下:  ①针对传统人工势场法进行运动规划未充分考虑结构化道路和障碍车辆特征的问题,采用改进的风险势场评估模型,通过引入交通参与者筛选方法和单次换道规划方法,结合速度规划模型,提出与道路交通环境相适应且符合驾驶员驾驶习惯的智能汽车主动避撞轨迹规划方法。  ②针对现有的智能汽车轨迹跟踪控制方法不能同时跟踪车辆的三个平面运动、纵横向耦合通道相互干扰影响跟踪性能、需建立复杂精确的车辆模型的问题,利用BP神经网络所具有的自学习能力强的优点和不依赖于对象的深层次知识的特性,设计了一种基于纵横向解耦的智能汽车神经网络逆系统模型,结合车辆原系统建立了伪线性系统,使具有强耦合特性的车辆平面运动动力学系统解耦成三个独立、简单的子系统,实现了同时对三个平面运动的解耦跟踪。  ③针对伪线性系统无法直接跟踪目标轨迹的问题,结合目标路径、目标速度和车辆运动模型,建立了可对接汽车上层轨迹规划模块的目标状态预测模型。针对伪线性系统难以实现理想的独立精确跟踪的问题,设计附加闭环控制回路和目标状态更新回路对系统进行反馈调节,进一步提升控制系统的跟踪性能。  ④为验证本文提出的轨迹跟踪控制算法的有效性,搭建了基于MATLAB/Sim-ulink与CarSim软件的联合仿真平台。结果表明,与其他对比控制方法相比,本文提出的智能汽车轨迹跟踪控制算法能实现对目标轨迹的准确跟踪,且在跟踪精度、动作平滑度和状态预测等方面都具有显著的优势。

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