1.课题目的及意义

随着汽车行业和计算机等行业的迅猛发展，汽车智能化成为不可阻挡的发展趋势，自动驾驶技术也越来越受到企业和用户的重视。一方面，自动驾驶技术仍在起步阶段，许多问题亟待解决；但同时自动驾驶技术发展是迅速的，其市场也是巨大的，国内外均在全力进行研发。随着社会和科技的发展，其必将逐渐取代现有汽车。

自动驾驶车辆能够感知环境^[1][2]，进行自主决策，规划行驶路径^[3]，并控制车辆跟踪期望的路径，到达预期目的地，完成设定的任务。轨迹跟踪的目的是让自动驾驶汽车跟踪设定或由算法规划得到的轨迹。其主要任务是根据车辆的运动学和动力学约束输出相应的控制参数^[4]。

作为在路面行驶的车辆，安全而快速地进行换道操作具有重要的意义^[5][6]。本文旨在研究自动驾驶车辆换道时的轨迹跟踪控制方法，分别建立能够描述车辆运动关系的运动学模型和满足动力学约束的动力学模型，选择合适的控制算法，并分别基于两种模型设计轨迹控制跟踪器。

2.国内外研究现状

2.1国外研究现状

轨迹跟踪控制的难点在于合理的对建立的模型进行简化，建立的模型过于复杂，控制器的计算量增大，无法满足自动驾驶系统的实时性要求；而过于简化，则控制精度达不到要求。针对这个问题，Liu L及Jayakumar P等关于模型复杂度对控制效果的分析为控制过程中的模型简化提供了依据^[7]；Kuhne F等人采用线性化模型预测控制算法进行轨迹跟踪，并通过仿真和实车实验分别验证了算法的可靠性^[8]；MIT的Robotic Mobility Group课题组通过微分平坦理论、点质量模型对车辆动力学进行合理简化，提高了系统的实时性^[9][10]。

2.2国内研究现状

我国对自动驾驶的研究稍落后于国外，在总结前人工作的基础^[11][12]上，龚建伟认为车辆控制主要分为横向和纵向控制^[13][14]，轨迹跟踪的实质是通过车辆的运动来减少车辆与参考轨迹之间的时间和空间的误差，且车辆动力学的建模已经比较成熟，主要突破点应为：1）对动力学模型合理简化，减少控制器的在线计算量，提高控制系统的实时性；2）对高速情况下的动力学模型进行分析，提高控制系统在车辆高速行驶时的控制精度^[4]。

2. 研究的基本内容与方案

本研究分为三个部分，即：理论建模，数值仿真和虚拟场景仿真。