自動駕駛汽車變道的決策及預測控制算法研究

摘要：針對自動駕駛汽車的變道問題，提出一種基于規則和模型預測控制的自動駕駛汽車變道決策和控制算法。首先建立以后軸中心為原點的車輛運動學模型，并在模型中加入模型與測量的不確定性因素，使之更為接近現實場景。然后完成兩車道車輛變道場景建模，基于預測碰撞時間的概念設計一套適用于車輛變道的決策規則，自動駕駛汽車能夠通過感知周圍車的狀態信息實時進行變道判定；利用三次貝塞爾曲線完成車輛的變道路徑規劃，并使用模型預測控制方法對規劃的路徑進行軌跡跟蹤，設計代價函數，將跟蹤控制問題轉化為最優控制問題。最后利用MATLAB對算法進行仿真。結果表明，所提變道算法的自動駕駛汽車不僅能夠完成實時變道的任務，還具有一定的抗干擾能力。

關鍵詞：自動駕駛汽車；變道決策；路徑規劃；模型預測控制；貝塞爾曲線

中圖分類號：U463.6；TP13 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.04.006

文章編號：1006-0316 （2024） 04-0034-08

Decision-Making and Predictive Control Algorithms for Lane Changing of Autonomous Vehicles

HE Qian，ZHONG Lei，QIU Jianbin，ZHANG Ziyang，PAN Junlin，WANG Yanhong

（ School of Automobile and Transportation， Chengdu Technological University， Yibin 664000， China ）

Abstract： This paper proposes a rule-based and model-based predictive control decision-making and control algorithm for lane-changing of autonomous vehicles. Firstly， a vehicle kinematics model with the center of the rear axle as the original point is established， and the uncertainty factors of model and measurement are added to the model to make it closer to the real scene. Then the modeling of two-lane vehicle lane changing scenario is completed， and a set of decision rules applicable to vehicle lane changing is designed based on predicting time to collision. The autonomous vehicle is able to make lane changing decision in real time by sensing the status information of the vehicles around. The lane-changing path planning of the vehicle is accomplished using cubic Bessel curves， and the trajectory tracking of the planned path is carried out with the model predictive control method. A cost function was designed to transform tracking control into optimum control. Finally， MATLAB was utilized to simulate the algorithm， and the results show that the autonomous vehicle with the proposed lane changing algorithm is not only capable of completing the task of real-time lane changing， but also has the "anti-interference ability.

Key words：autonomous vehicle；lane change decision-making；path planning；model predictive control；Bessel curves

根據沃爾沃的一份事故報告，90%的交通事故主要原因是人為操作失誤[1]。由于對周圍交通的不準確估計或非法操縱，變道操縱成為造成各種嚴重高速公路事故的原因。作為汽車領域未來的發展方向和科技創新前沿，自動駕駛汽車被視為減少交通事故的最可靠途徑[2]。車輛變道決策與控制作為最復雜的自動駕駛任務之一，一直以來都是研究的熱點[3-5]，但其高動態性和高安全性要求也給研究帶來了挑戰。

自動駕駛技術可大致分為環境感知模塊、軌跡規劃模塊和軌跡跟蹤控制模塊。在軌跡規劃方面，王明等[6]提出一種考慮預測風險的自動駕駛車輛運動規劃方法，基于圖結構建立了車車之間的交互模型，考慮了預測結果的不確定性風險。黃鵬程等[7]提出一種時空耦合的實時軌跡規劃方法，能夠使自動駕駛汽車結合橫縱向舒適性、安全性和效用性的多指標評價函數選擇最優軌跡。JIE等[8]通過構造三維虛擬危險勢場，在車輛可能與障礙物發生碰撞時，規劃車輛期望的避碰軌跡。彭浩楠等[9]基于貝葉斯概率理論考慮了車道安全性條件概率，提出基于非線性模型預測控制的軌跡規劃方法。在軌跡跟蹤控制方面，李磊等[10]提出一種改進滑模控制的魯棒控制器，通過使用時變的誤差模型，提升了控制器的魯棒性。MENG等[11]提出一種自動駕駛系統的滾動時域控制方法，在中央框架下聯合評估戰術級車道變換決策和控制的加速度。張紫微等[12]考慮前車運動的不確定性，提出一種基于高斯過程的隨機模型預測多目標自適應巡航控制方法，具有良好的工況適應性。QINGYU等[13]開發了一種具有攻擊性估計的博弈論模型預測控制器，用于處理周圍有多輛車輛存在情況下的強制變道問題。然而，在車輛變道場景下，還沒有一種簡單且高效的決策與規劃控制算法。

基于此，本文提出一種基于規則和模型預測控制的車輛變道決策和控制算法。首先建立考慮模型與測量不確定性的車輛運動學模型；然后完成兩車道車輛變道場景建模，基于預測碰撞時間的概念設計一套車輛變道的決策規則，并利用三次貝塞爾曲線規劃車輛變道的軌跡，進而利用模型預測控制方法完成車輛的軌跡跟蹤控制；最后利用MATLAB軟件對算法進行仿真驗證。

6 結論

本文提出一種適用于自動駕駛汽車變道的決策和控制算法，建立了兩車道車輛變道場景，設計了一套車輛變道的規則，然后基于貝塞爾曲線規劃變道路徑，最后利用模型預測控制完成了路徑跟蹤。本算法具有簡潔高效等優點，適用于自動駕駛汽車完成變道動作，而且具有一定的抗干擾能力。后續將聚焦于自動駕駛汽車在不確定駕駛環境下的變道以及連續變道，并進一步對算法進行優化。

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