摘要
自动驾驶技术为人们提供安全、快捷、智能的出行方式，在诸多自动驾驶应用场景研究中，高速公路自动驾驶技术尤为关键。其中，高速公路超车行为成为研究重点，高速公路场景下的超车行为主要围绕决策、路径规划和跟踪控制三个方面，使自动驾驶汽车能满足安全性、稳定性和舒适性要求。本文对高速公路场景下自动驾驶汽车的超车行为进行研究，具体如下： （1）对高速公路场景下汽车超车过程详细分析，将其划分为五个阶段，对变道过程中的碰撞类型进行分析，建立最小安全距离模型。对前方车辆速度和相对距离进行判断，通过判断条件确认自车的运动状态，实现超车行为决策。建立车身椭圆轮廓模型，为超车道路环境下定义车辆的斥力作用范围奠定基础。 （2）采用 A*算法实现全局路径规划，并结合人工势场法完成局部路径优化。使用A*算法规划全局路径，设置道路中心线成本函数，使自车直线行驶时保持在道路中心线上，符合车辆道路行驶规则。设置路径偏移修正函数，引导车辆在变道完成后，快速返回道路中心行驶。使用人工势场法进行局部路径规划，建立道路环境斥力势场，模拟真实道路环境。在传统人工势场法基础上，增添相对速度势场，对引力斥力势场影响范围阈值分段，在一定程度上解决了目标不可达问题。在路径偏移修正函数中，全局路径规划的路径点，可以帮助车辆逃出局部最优陷阱。最后，选用 B样条函数对规划的路径点进行拟合，确保规划的路径能被自动驾驶汽车跟踪控制。 （3）搭建高速公路超车路径跟踪控制器模型，采用PSO算法优化LQR横向路径跟踪控制器的权重矩阵系数，搭建 MATLAB/Simulink与 Carsim的联合仿真模型。通过跟踪换道曲线，与前馈-LQR 横向路径跟踪控制器的仿真结果对比， PSO-LQR路径跟踪控制器的横向误差值更小，精度提升85.84%。 （4）基于Prescan、Carsim和MATLAB/Simulink联合仿真平台，验证单车超车场景与多车超车场景两种超车工况，采用不同的车速，分别进行超车实验。实验结果表明，在高速公路超车场景下，自动驾驶汽车能够安全超越障碍车，避免与周边车辆发生碰撞，并且车辆相对速度越高，变道时间越早，变道提前距离越长，符合实际道路交通规则。
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