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自主車輛路徑規(guī)劃算法

路徑規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)無人駕駛車輛最重要的部分之一，其通過搜集車輛的幾何形狀、周圍環(huán)境、運(yùn)動(dòng)限制和其它影響路徑規(guī)劃的信息，給出一條最優(yōu)的可行路徑。給出了3種路徑規(guī)劃算法：平坦路徑規(guī)劃法、多項(xiàng)式路徑規(guī)劃法和對(duì)稱多項(xiàng)式路徑規(guī)劃法。在應(yīng)用這些算法時(shí)考慮了車輛物理約束的影響，同時(shí)對(duì)這些算法進(jìn)行了仿真對(duì)比。

建立了后輪驅(qū)動(dòng)車輛的運(yùn)動(dòng)模型。建立模型時(shí)，假定車輛處于純滾動(dòng)而沒有滑動(dòng)的狀態(tài)，轉(zhuǎn)向角簡(jiǎn)化為兩側(cè)車輪中心點(diǎn)的轉(zhuǎn)角。模型參數(shù)包括車輛后輪中心點(diǎn)的坐標(biāo)、車身在坐標(biāo)系中與坐標(biāo)軸的夾角、車輛的轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向角角速度、軸距、車輪半徑、后輪角速度。3種路徑規(guī)劃法中平坦路徑規(guī)劃法是一組非線性微分方程組，給出了車輛角速度的計(jì)算公式，依據(jù)運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算出車輛的轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向角角速度及其它量的計(jì)算公式。利用Matlab仿真軟件對(duì)這3種路徑規(guī)劃方法進(jìn)行了仿真分析。仿真時(shí)，選取軸距為2m、車輪半徑為0.25m。制定3種路徑情況下車輛對(duì)生成路徑進(jìn)行跟蹤時(shí)的轉(zhuǎn)向角和速度。

仿真分析顯示出如下結(jié)果。①車輛在跟蹤平坦路徑規(guī)劃法生成的路徑時(shí)，最大轉(zhuǎn)向角為64°，而車輛轉(zhuǎn)向角由于物理原因被限制在-45°～45°之間，因此用該方法生成的路徑是不可行的，但延長(zhǎng)行駛距離可以解決該問題。②使用多項(xiàng)式路徑規(guī)劃法可以快速生成可行路徑，最大轉(zhuǎn)向角為41.5736°，符合轉(zhuǎn)向角限制，因而認(rèn)為多項(xiàng)式路徑規(guī)劃法比平坦路徑規(guī)劃法好，但車輛在路徑跟蹤過程中，行駛速度的變化出現(xiàn)了指數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，這與實(shí)際不符。③車輛在跟蹤使用對(duì)稱多項(xiàng)式路徑規(guī)劃法生成的路徑時(shí)，車輛的最大轉(zhuǎn)向角為41.1622°，符合轉(zhuǎn)向角限制，且其速度在離開起始點(diǎn)時(shí)逐漸增加，在即將到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)時(shí)逐漸降低，這與實(shí)際相符，因而使用對(duì)稱多項(xiàng)式路徑規(guī)劃法生成的路徑最優(yōu)。建議將該算法應(yīng)用到無人駕駛車輛的路徑規(guī)劃中。

Vu Trieu Minh et al. Hindawi Publishing Corporation Mathematical Problems in Engineering Volume 2014.

編譯：王維