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1、本科毕业设计开题报告课题名称车辆自动驾驶的路径规划学号姓名专业指导教师评阅教师开题时间年3月1日、立论依据1 .本课题的目的和意义由于驾驶员的驾驶工作繁重，同时随着汽车拥有量的增加，非职业驾驶员的熟练增多， 导致交通事故频繁发生（据统计每分钟世界上就有一个人死于车祸，交通事故现已成为现代 社会的第一公害）。如何提高汽车的主动安全性和交通安全性已成为急需解决的社会性问题。随着计算机技术、电子技术、图像处理等信息处理技术研究的发展，研究人员开始将各 种先进的技术应用于汽车控制上，从而辅助驾驶员进行汽车的操纵控制，如目前已经实用化 的制动防抱控制系统、驱动力控制系统、四轮转向系统以及汽车稳定性控制系
2、统等。在这些 汽车电子控制系统研究的基础上，结合蓬勃发展的智能化信息处理技术，逐步产生了一个新 兴的交叉学科-车辆的自动驾驶（又称为智能汽车）。未来实用化的智能汽车将最大限度地减 少交通事故、提高运输效率、减轻驾驶员操纵负担，从而提高整个道路交通的安全性、机动 性与汽车行驶的主动安全性。科技部于2001年已正式启动实施了十五计划中的国家科技攻关 计划重大项目“智能交通系统关键技术开发和示范工程”来提高我国整个运输系统的管理 水平和服务水平，提高效率和安全性，车辆的自主驾驶是实现ITS的关键。车辆自主驾驶系统从本质上讲是一个智能控制机器，其研究内容大致可分为信息感知、 行为决策及操纵控制三个子系
3、统。路径规划是智能车辆导航和控制的基础，是从轨迹决策的 角度考虑的，可分为局部路径规划和全局路径规划。全局路径规划的任务是根据全局地图数 据库信息规划出自起始点至目标点的一条无碰撞、可通过的路径。目前正在研究的有准结构 化道路环境多种约束条件下的路径规划技术，自然地形环境下的路径规划技术，以及重规划 技术等。由于全局路径规划所生成的路径只能是从起始点到目标点的粗略路径，并没有考虑 路径的方向、宽度、曲率、道路交叉以及路障等细节信息，加之智能车辆在行驶过程中受局 部环境和自身状态的不确定性的影响，会遇到各种不可测的情况。因此，在智能车辆的行驶 过程中，必须以局部环境信息和自身状态信息为基础，规划
4、出一段无碰撞的理想局部路径， 这就是局部路径规划。通常路径规划的方法有:空间搜索法、层次法、动作行为法、势场域法、 栅格法、模糊逻辑法和神经网络法等。车辆自动驾驶系统实际上是智能化信息处理技术和智能控制技术在汽车上的具体应用。 其研究将重点解决车辆的智能控制及车载信息的感知、处理与传输等关键技术，从而探索出 适合我国国情的车辆自主驾驶系统的发展模式，为我国智能交通系统的开发、应用及产业化 奠定基础，进而带动制造业和服务业的发展，促进我国通过高新技术改造传统产业、信息化 带动工业化的进程。同时，车辆自主驾驶系统的设计原理、设计思想和应用的理论，完全可 以移植到诸如战车的自主驾驶、飞机的自主驾驶等
5、其他智能机器上。二、文献综述1 .国内外研究现状、发展动态国外：从80年代开始美国国防高级研究计划局(DARPA)专门立项，制定了地面无人作战平 台的战略计划。目标是研制出一台智能车辆，可以在崎岖的地形上沿规划的路线自主导航及 躲避障碍，必要时重新规划其路线。从此，在全世界掀开了全面研究智能车辆的序幕，如DARPA 的“战略计算机”，计划中的自主地面车辆(ALV)计划(19831990)，能源部制订的为期10 年的机器人和智能系统计划(RIPS)(19861995)，以及后来的空间机器人计划；日本通产省 组织的极限环境下作业的机器人计划；欧洲尤里卡中的机移器人计划等。虽然智能车辆的研 究起源于
6、军事的要求，但是在其他领域的应用也有极大的价值，并且在研究上也取得了一定 的成果。在太空探索方面，美国NASA研制的火星探测机器人索杰那于1997年成功登上火星。这是 一个具有六个轮子的自主移动机器人。为了在火星上进行长距离探险，NASA又开始了新一代 样机的研制，命名为Rocky7，并在Lavic湖的岩溶流上和干枯的湖床上进行了成功的实验。在民用方面，智能车辆也有许多成功的例子。如：日本的智能汽车系统为VERTIS系统，该 系统研究的智能汽车主要有23个ITSZ子系统.该智能汽车主要用于实现车载通讯，信息加工处 理，环境探测，辅助控制(自动驾驶)四项功能。另据雷诺汽车公司介绍，自动汽车或智能
7、车 辆研制的关键是要让汽车能够感知周围环境，如道路状况、附近车辆的距离及行驶速度等， 并能根据具体情况及时作出调整车速，校正方向等正确反应。而“自动行驶控制系统”所要 解决的正是这些问题。目前，雷诺公司正在进行红外摄像、雷达、激光扫描等仪器的研究， 他们希望这仪器能够组成汽车的“感知系统”。法国公路技术研究所技术顾问克洛德科贝 表示，开展“自动行驶控制系统”研究是迈向公路交通无人驾驶的第一步。这一系统研制成 功后，可以首先实现有人自动行驶。如在超车时，驾驶员只需根据计算机所提示的前方车辆 行驶速度，输入有关最高限速等简单命令，计算机便会根据公路上的具体情况，自动调整速 度和方向，并在绝对安全的
8、情况下，实现超车。这将大大减少由驾驶员的判断和操作失误导 致的交通事故。国内：我国对智能车辆的研究起步较晚，但是发展较快。1986年开始的高技术研究发展 计划(“863计划”)制定了智能机器人主题的总体战略目标。1994年10月清华大学研制成我国 第一台“室外智能移动机器人THMR-III”。之后，国防科技大学，北京理工大学，南京理工 大学陆续开展了智能车辆的研究。我国清华大学计算机科学与技术系的人工智能与智能控制 实验室己进行了多年的研究，并且取得了很大的成果。目前，他们研制的自主移动机器人实 验车THMR-V已经能够在较复杂的环境自行行驶，他们在这个系统中采用激光雷达和摄像机来 做视觉系统
9、，并采用自己己有的先进的图像处理技术，进行信息识别和处理，再进行智能控 制实现汽车的运动。这就是我国目前最先进的智能自动驾驶汽车系统。为了更好的实现各项 功能，他们正在进行进一步的研究和完善，使其在实际生活中得以应用。2.所阅文献的查阅范围及手段查阅范围：车辆智能驾驶，路径规划、跟踪，机器人智能控制，Matlab仿真网络资源东北大学图书馆-超星数字图书数据库；东北大学图书馆-万方学位论文数据库东北大学图书馆-中国优秀博硕士学位论文全文数据库东北大学图书馆-中国期刊全文数据库；东北大学图书馆一Elsevier Science数据库Baidu和google搜索引擎图书资源东北大学图书馆参考文献1美
10、赵亦林.车辆定位与导航系统M,北京：电子工业出版社，19992张三同，陈峰浴.车辆组合导航的新方法，北京理工大学学报，1999(1)3林怡青，周其节.一种有指导的轮式机器人全局规划方法，控制理论与应用，1998(1)4张桂香，王辉.计算机控制技术M,成都：电子科技大学出版社，19995孙志礼，冷兴聚，魏延刚等.机械设计M，沈阳：东北大学出版社，20006安部正人，陈辛波.汽车的运动和操纵M，北京:机械工业出版社，19987薛定宇.反馈控制系统设计与分析一MATLAB语A应用M，北京:清华大学出版社，20008赵会平.GPS在汽车导行中的应用，世界汽车.1996 (6): 23-269唐新蓬.基
11、于图像信息处理的车辆自动驾驶控制方法，华中理工大学学报，1998(10) :87-8910余志生.汽车理论第1版M，北京：机械工业出版社，199911李东江.现代汽车用传感器及其故障检测技术第1版M，北京：机械工业出版社，199912YKanayama, and B. I. Hartman. Smooth local path planning for autonomous vehicles. in Proc.IEEE Int. Con# Robotics Automat., (Scottsdate, AZ), 1989(5):1265-127013YKanayama, and S. 1. Y
12、uta. Vehicle path specification by, a sequence of straight lines. IEEE J.Robotics Automat., V?1.4,no. 3, pp.265-276,June 198814王磊，王为民.模糊控制理论及其应用M，北京：国防工业出版社，199015W. Nelson. Continuous-curvature paths for autonomous vehicles. in Proc.IEEE Int. Conf Robotics Automat., (Scottsdate, AZ), May 1989,pp: 1
13、260-1264.三、研究内容1 .课题的构想与思路通过对智能车辆进行功能分析，结合课题（车辆自动驾驶的路径规划）的要求，智能车 辆必须具备车辆定位和路径跟踪以及控制判断等能力，本课题可以针对以下三方面的问题进 行理论上的研究和探讨：（a）智能车辆的体系结构；（b）智能车辆的精确定位方法；（c）智 能车辆的路径跟踪策略。以改装后的遥控车自动驾驶完成8字形路径为实验，得到可靠的数据 并进行分析，得出系统的控制规律，最后利用MATLAB的SIMULINK模块进行控制系统的计算机 仿真。2.主要设计内容a）对智能车辆进行功能分析。b）绘出控制部分的框图以及关键部分或部件的原理图结构图等。c）对遥控车
14、进行结构改装。d）确定车辆的精确定位方法。e）确定车辆的路径跟踪策略。f）建立车辆的运动控制模型。g）进行指定8字形路径的自动驾驶实验，获取实验数据，得出控制规律。h）用MATLAB的SIMULINK模块进行控制系统的计算机仿真。3 .拟解决的关键技术a）遥控车结构改装设计创新（电气结构图，检测方案，电源，转向控制机构，驱动及调 速，防撞及刹车，控制器选型路面设计，角度反馈检测等）。b）车辆定位技术的选择比较。c）路径跟踪（遥控车行驶等效模型，运动模型，运动方程，路径跟踪方式，路径特征向 量的提取，智能车辆路径跟踪的控制策略，基于模糊逻辑的智能车辆路径跟踪的纠偏 策略等）。d）建立车辆的运动控
15、制模型。e）实验数据测定分析（遥控车速度，转向角，曲率，转向电机转速等）+实验数据准确 性验证。f）用MATLAB的SIMULINK实现控制系统的计算机仿真。4.总体设计方案a）遥控车传感器采取车前和车后安装金属探测器各三个，分左、中、右。8字形道路中 间铺设金属条。（一些细节方面的改装在实际进行操作的时候进行计算设计，包括电 气结构图，检测方案，电源，转向控制机构，驱动及调速，防撞及刹车等）。b）智能车辆的精确定位初步采取复合定位和地图匹配相结合（如果发现更好的更精确 的车辆定位方式可以择优选择）。c）选择合适的路径跟踪方式（现有路径跟踪方式进行比较选择，并进行创新）。d）建立车辆的运动控制模型。e）利用改装的遥控车以及铺设的道路，进行实验并且进行验算调试，记录实验数据， 并绘出曲线。f）用MATLAB的SIMULINK实现控制系统的计算机仿真。五、工作计划序号阶段及内容工作量估计 （时数）起止日期阶段成果形式1资料查阅收集以及撰写开题报告1203月1日-3月 15日开题报告及相关 文献资料2智能车辆的功能分析以及遥控车的 改装调试1203月16日-4 月10日相关框图原理图 等3定位方法以及跟踪策略的选取1204月11
