文 献 综 述
一．无人车辆轨迹跟踪研究的背景与意义
无人车辆是一种通过车轮或履带驱动，具备在道路或非道路条件下地面自主机动能力的智能机器人系统。早期的地面无人系统诞生于机器人领域，并采用遥控操作，随着地面无人系统逐步向半自主、全自主方向发展，与车辆行业的智能化、无人化研究发展在技术特征层面呈现高度重合性。
由于无人车辆能够代替驾驶员执行枯燥或危险的任务，且具有机动性强、适应能力和生存能力高等诸多优点，因此在军事、民用等方面均有广阔的应用前景。无人车辆是一个集定位导航、环境感知、信息融合、规划决策、控制技术、人机交互等于一体的综合系统，集中地运用了计算机、现代传感、信息融合、通信、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术的综合体，世界各高校、科研院所及相关企业，都在积极进行无人车辆及相关技术的研发。
无人车辆的关键技术包括环境感知技术、定位技术、导航技术和控制技术。目前无人车的研究热点主要集中在如何基于车辆动力学极限开展车辆动力学控制与轨迹跟踪，以及面向轮毂电机电驱动、全轮独立转向等新型结构车辆的动力学控制技术。[1]
无人驾驶车辆是未来智能交通系统的有机组成部分，而车辆自动转向系统在无人驾驶车辆中占有非常重要的地位。[2]轨迹跟踪控制是自动转向过程中的基本控制问题之一，它要求无人驾驶车辆在指定的时间到达给定的或规划的轨迹点。由于车辆是一个强非线性、高度耦合的复杂系统，很难建立精确的车辆动力学系统模型，因此无人驾驶车辆的轨迹跟踪控制始终是一个难点。
现有的绝大部分无人驾驶车辆轨迹跟踪控制算法仅考虑了车辆在常速下的非完整约束，这显然无法满足未来无人驾驶车辆高速行驶的控制需求。高速行驶时车辆在紧急转向或低附着路面上变道、紧急避障时，轮胎附着力常常达到饱和，轮胎侧偏力接近附着极限，在弯道行驶中易发生因前轴侧滑而失去轨迹跟踪能力的车道偏离现象或因后轴侧滑而甩尾的失稳现象。大多数滑移事故发生时，即使是熟练的驾驶员也经常无法控制车辆的稳定行驶。如果轨迹跟踪控制系统能够通过预测来满足滑移、侧倾等动力学约束，并通过主动前轮转向控制车辆，在保证车辆稳定性的前提下跟踪规划轨迹，则可有效地避免事故。预测的有效性依赖于建立在以车辆动力学模型和轮胎动力学模型为基础的控制方法上。
模型预测控制是一种近年来被广泛讨论的一种反馈控制策略，该方法考虑控制系统的非线性动力学模型并预测未来一段时间内系统的输出行为，通过求解带约束的最优控制问题使得系统在未来一段时间内的跟踪误差最小。[3]模型预测控制适合于处理快速动态系统和非线性系统。因此使用模型预测控制方法对轨迹跟踪问题进行研究。
二.车辆动力学建模
车辆动力学建模分析对于解决无人驾驶车辆运动规划与控制问题具有十分关键的作用。首先，在规划与控制系统中引入动力学模型可以通过模型的等效约束转化减少规划与控制的计算量，提高系统的实时性，其次，以准确的动力学模型作为预测模型，可以提高控制器对车辆未来行为的预测能力，进而在保证车辆稳定运行的同时，充分发挥车辆的机动潜能，比如高速运行状况下的主动危险规避运动规划与控制，充分体现车辆平台运动学与动力学约束条件的影响。[4]
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