为紧跟汽车前沿，培养能够适应未来无人汽车领域变化的有经验的工程师，德国大学生 方程式汽车大赛组委会在 2016 年比赛中设立“无人赛车概念设计大奖”，号召全球各个国家的大学生方程式车队共同参与。为加快培养相关人才，中国汽车工程学会拟于 2017 年度正式启动中国大学生无人驾驶方程式大赛，初定于 2017  年 10  月与中国大学生方程式汽车大赛（Formula Student China，简称 FSC）以及中国大学生电动方程式（Formula Student Electric China  ，简称 FSEC）合并比赛。

1.4 本课题的研究内容

本课题背景是大学生方程式汽车大赛无人车组别赛事。为进一步发展我校大学生方程式 的先驱优势及技术创新的传统，因此，基于我校电动方程式赛车平台进行无人方程式赛车的 前期研究及总体方案设计。

本文主要研究应用于无人驾驶车辆的路径规划和轨迹跟踪系统，分析其可行性及稳定性。 首先，广泛阅读文献，了解无人驾驶系统的基本原理及构造，了解当前主流的系统解决方案， 并且结合本课题研究对象和应用环境设计针对性的基本方案。然后，利用 MATLAB 中的 Simulink 模块和车辆动力学仿真软件 Carsim 设计分析路径规划的基本算法并加以比较，探索 满足实时性的最优方案。最后，按照目标要求设计运动控制器，验证其可行性和稳定性。

2 无人驾驶系统的体系架构

2.1 体系架构的研究概述

无人驾驶车辆的体系结构是其系统的“骨架”，占据非常重要的地位。它描述了系统各个 组成部分的分解和组织，以及各组成部分之间的交互；定义了系统软硬件的组织原则、集成 方法及支持程序[7]；确定各子系统组成模块及其输入输出；确定系统的信息流和控制流；提供 总体的协调机制，并按工作模型进行总体协调指挥[8]。常见的体系结构主要有分层式体系结 构、反应式体系结构和二者结合的混合式体系结构。 

分层式体系结构，本质上是一种串联的结构形式，其中，传感器感知、建模、任务规划、 运动规划、运动控制和执行器等模块次序分明，前者输出结果为后者的输入。这种结构的优 点是能够进行良好地规划推理，即自上而下对任务逐层分解，使得单个模块工作范围逐层缩 小，底层问题的求解更加细化[9]。缺点是对通用理想的环境模型对传感器的要求高，并且感知 和建模过程受限于计算能力，即传感器到执行器的控制环路存在延时，缺乏实时性和灵活性 [10]。其结构如图 2.1 所示。 

图 2.1 分层式体系结构 图 2.2 反应式体系结构

反应式体系结构，本质上是一种并联体系结构，常用的是基于行为的反应式体系结构， 如图 2.2 所示。它针对每一个局部目标设计相应的基本行为机制，每一个控制层都可以直接 基于感知结果进行决策，具备良好的适应性，突出了“感知-动作”的行为机制。在该体系结 构中，许多行为被细化设计成一个简单任务，内存占用小，响应快速，实时性强，系统的鲁 棒性和灵活性也得到极大提高。同时，其优点也体现在即使某一层模块出现故障，其他层次仍然可以产生有意义的动作[11]。但这种结构最大的难点在于需要设计一个有效的协调机制来 解决各控制回路对同一控制器争夺控制的冲突，以获得有意义的结果[12]。 

混合体系结构是一类综合分层式和反应式的特殊体系结构的总称。通常，这类体系结构 主要基于功能和行为分解，包括 4 层: 环境感知层、全局路径规划层、局部路径规划层和底 盘控制层，使得系统的功能实现逐步推演，共同实现无人驾驶系统的全部功能[13-14]。一种现 有的混合体系结构，如图 2.3 所示。  无人驾驶赛车的路径规划及控制系统设计(4):http://www.chuibin.com/jisuanji/lunwen_206256.html