1.1目的与意义

进入21世纪以来，随着经济的高速发展，目前我国已经成为全球第一大汽车产销市场。根据公安部最新统计数据，截止2017年底，中国机动车保有量达到3.10亿辆，其中汽车2.17亿辆；机动车驾驶人达到 3.85 亿人，汽车驾驶人 3.42 亿人，我国是目前汽车保有量第一大国^[1]。由于汽车增加所造成的交通拥堵问题也日益成为亟待解决的城市问题，据中国交通部发表的统计数据显示，交通拥堵带来的经济损失已经占到了城市人口可支配收入的20%^[2]。而且因为交通拥堵，不仅导致汽车行驶时间增加，而且使得驾驶员频繁启动车辆导致了额外的资源消耗。汽车保有量的增加不仅导致交通拥堵现状的不断加剧，还导致交通事故的增加。根据国家安全监管局、交通运输部 12 月 19 日的最新研究报告显示，虽然近些年我国发生交通事故的次数在下降，但仍然造成了约 6.3 万人死亡，死亡人数位居世界第二位^[3]。在对交通事故原因的分析中发现：构成交通事故原因的人、车和交通环境三要素中，人由于驾驶经验技能不足、酒驾以及性格特征上的弱点占到交通事故原因的比重达到了55%～90%^[4]。

高比例的交通拥堵和人为因素交通事故在一定程度上导致并推动了智能汽车的发展。将智能汽车的无人驾驶技术代替驾驶员操纵车辆，能够提高道路利用率，减轻交通拥堵，还能减少因人为因素导致的交通事故。智能汽车驾驶系统划分为信息感知、轨迹决策和跟踪控制三个部分^[5]。轨迹跟踪控制是无人驾驶实现的最后一环，是实际的操纵机构与执行机构。因此研究针对四驱电动汽车的轨迹跟踪控制算法对于我国缓解交通拥堵、节能减排和降低人为因素交通事故发生率都具有重要的意义。

1.2国内外研究现状

1954年，世界上第一台自动引导车辆系统AGVS（AutomatedGuided Vehicle System）在美国研制成功，由此宣告了智能车辆的诞生^[6]。1991年，美国加州的PATH项目中就包含了研究汽车自动驾驶系统，该自动驾驶系统包括了横线控制和保持车间距离的车辆队列纵向行驶控制^[7]。美国国防部于2004年发起了“DARPA”无人驾驶挑战赛，这项一开始旨在促进在极限环境下无人驾驶车技术发展的赛事，一共举办了三届，最后极大地促进了全世界范围内无人驾驶技术的发展^[8-9]。谷歌与2010年开始研究无人驾驶汽车，目前已经进行了一百多万公里的道路测试，且在2015年发布了没有方向盘和踏板等执行机构的无人车原型样车。

相较于欧美发达国家，我国的智能车辆起步研究较晚。由北京理工大学等五所高校联合研制的ATB-1是我国第一辆自主行驶测试样车，在此基础上，后期又开发了ATB-2和ATB-3。一汽集团的红旗HQ3无人驾驶车于2011年首次完成了从长沙到武汉的自主行驶实验，在实验过程中完成了多次的自主超车与换道^[10]。清华大学研制的THMR-V智能车具有较高的控制精度，可在各种条件下实现自主驾驶。THAVS实验平台车辆纵向运动控制领域取得了丰硕的研究成果^[11]。上海交通大学与欧盟合作开发了Cyber C3无人驾驶车辆，并面向大众进行了演示和体验。百度公司于2017年4月发布了“阿波罗”无人驾驶汽车平台，旨在向全世界范围内的汽车厂商和研究机构提供一套完整的软硬件和服务系统，包括车辆平台、硬件平台、软件平台、云端数据服务等四大部分。

预瞄理论最早由MacAdam和郭孔辉等人提出^[12-13]。这种理论是基于驾驶员的视角，由前方轨迹一点的信息和当前汽车的运动状态估计得到到达该预期点的误差，计算出一个最优的圆弧轨迹，并根据圆弧曲率和方向盘转角的对应关系计算方向盘的输入转角。Symonds采用多点预瞄方法，建立了预瞄误差和方向盘转角的关系，同时建立了基于航向角以及车辆位置的比例反馈控制，提高了控制精度^[14]。陈焕明等人同样采用了基于航向角以及位置偏差的PD路径跟随控制，并利用遗传算法优化了PD控制器参数^[15]。张希正等人设计了一种基于滑膜控制方法和二自由度车辆模型的最优预瞄线性二次型调节器，与传统的预瞄转向几何模型横向控制器进行仿真比较，结果显示其可以更好地跟踪期望的轨迹^[16]。黄国强等人提出了一种基于滑模变结构控制理论的直接横摆力矩控制算法，并对Dugoff轮胎模型进行了改进，仿真结果表明该控制方法能够有效提高横摆率跟踪的速度和精度^[17]。胡川等人设计了自适应鲁棒线性二次型调节器控制器，以获得最佳主动前轮转向和直接横摆力矩控制输入^[18]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究的基本内容与目标

基于最优预瞄理论，建立智能汽车中的轨迹跟踪控制算法，利用动力学仿真软件，建立仿真模型，进行仿真分析。论文主要内容包括：

1、基于智能四驱电动汽车，建立纵向和横向动力学控制模型；