智能車高速穩(wěn)定行駛局部路徑規(guī)劃算法

　　兩段外切圓弧目標(biāo)轉(zhuǎn)向半徑的確定

　　當(dāng)兩段圓弧外切連接，可采用“弦線法”確定兩段圓弧的切點(diǎn)，如圖8，將圓弧平分為7段，分別連線13，24，35，46，57，68，則有一條弦線與圓弧相交，若沒有找到交點(diǎn)或找到多個(gè)交點(diǎn)，可將圓弧平分為更多段數(shù)進(jìn)行連線，直到僅找到一個(gè)交點(diǎn)為止，近似認(rèn)為該交點(diǎn)即為切點(diǎn)。將切點(diǎn)作為兩段圓弧的公用特征點(diǎn)，再分別從兩段圓弧上各提取兩點(diǎn)作為特征點(diǎn)，按照一段圓弧圓心位置的計(jì)算方法，可分別求出兩段圓弧的圓心位置和半徑，進(jìn)而可分別計(jì)算出響應(yīng)遠(yuǎn)端圓弧的目標(biāo)轉(zhuǎn)向半徑Rf和響應(yīng)近端圓弧的目標(biāo)轉(zhuǎn)向半徑Rn，如圖9。若響應(yīng)遠(yuǎn)端圓弧的目標(biāo)圓弧與響應(yīng)近端圓弧的目標(biāo)圓弧彎曲方向相反，則選取Rf為目標(biāo)半徑;否則，即兩者彎曲方向相同時(shí)，當(dāng)Rf ≤Rn時(shí)，為保證響應(yīng)近端彎道時(shí)不觸及道路邊界，選取Rn為目標(biāo)半徑，當(dāng)Rf>Rn時(shí)，選取Rf為目標(biāo)半徑。由此可在連續(xù)彎道中規(guī)劃出一條近似最優(yōu)的通過路徑。

　　舵機(jī)轉(zhuǎn)角和行駛速度的確定

　　當(dāng)智能車行駛速度較高且側(cè)向加速度劇烈變化時(shí)，容易出現(xiàn)側(cè)向附著力不足以提供車輛所需的側(cè)向力的情況。這種情況發(fā)生在前輪，會(huì)造成前輪失去轉(zhuǎn)向能力;發(fā)生在后輪，則會(huì)造成后輪側(cè)滑甚至激轉(zhuǎn)。由于在智能車實(shí)際行駛過程中發(fā)生側(cè)滑現(xiàn)象較多，故通過定圓周實(shí)驗(yàn)可確定智能車在一系列不同轉(zhuǎn)向半徑下確保智能車不發(fā)生側(cè)滑的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角及最高穩(wěn)定速度，并擬合出轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向半徑及最高穩(wěn)定速度與轉(zhuǎn)向半徑之間的關(guān)系曲線，如圖10、11。因此，在智能車行駛過程中通過路徑規(guī)劃計(jì)算出目標(biāo)轉(zhuǎn)向半徑后，可通過查表確定期望的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角及最高穩(wěn)定速度，并通過PID控制器對(duì)舵機(jī)和電機(jī)進(jìn)行控制。

　　智能車及無線傳輸模塊試驗(yàn)平臺(tái)

　　為實(shí)時(shí)監(jiān)視智能車運(yùn)行參數(shù)，搭建智能車及無線傳輸模塊硬件試驗(yàn)平臺(tái)如圖12。試驗(yàn)平臺(tái)由智能車和計(jì)算機(jī)兩部分組成，智能車是試驗(yàn)平臺(tái)的主體，計(jì)算機(jī)通過虛擬儀器語言Labwindows開發(fā)的監(jiān)控程序?qū)崿F(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)控及顯示，兩者之間通過無線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。其中，智能車部分包括：①傳感器單元，由CCD傳感器，測(cè)速編碼器組成;②MC9S12DP512單片機(jī)，為智能車的控制器;③電源管理單元，為智能車各工作單元提供能源;④動(dòng)作執(zhí)行單元，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)及舵機(jī)組成⑤無線通信模塊發(fā)射端。計(jì)算機(jī)部分主要由Labwindows監(jiān)控程序及無線模塊接收端組成。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與比較

　　為驗(yàn)證算法有效性，搭建實(shí)驗(yàn)道路如圖13，分別使智能車采用傳統(tǒng)的跟蹤道路中心線循跡控制算法和采用路徑規(guī)劃算法由起點(diǎn)開始各逆時(shí)針方向行駛一周，兩者皆根據(jù)上文中標(biāo)定實(shí)驗(yàn)分配轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角和車速，并在行駛過程中通過無線傳輸模塊發(fā)送其轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角及實(shí)時(shí)車速，并通過計(jì)算機(jī)擬合出轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角對(duì)比曲線如圖14，車速對(duì)比曲線如圖15。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不觸及道路邊界的前提下，相比傳統(tǒng)的跟蹤道路中心線循跡控制算法，通過局部路徑規(guī)劃算法可以使智能車在復(fù)雜的行駛道路中平均車速提高大約40%，縮短了智能車的行駛時(shí)間;轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的絕對(duì)值總體上減小大約50%，降低了側(cè)向加速度劇烈變化危險(xiǎn)工況發(fā)生的幾率，提高了智能車的高速行駛穩(wěn)定性。