基于carsim与Simulink联合仿真的车辆换道轨迹规划与轨迹跟踪模型

基于carsim与Simulink联合仿真的车辆换道轨迹规划与轨迹跟踪模型

具体内容包括：

1. cpar文件和simulink文件，并有联合仿真步骤的演示操作视频

2. carsim+simulink联合仿真实实现换道超车，包含换道决策，路径规划和轨迹跟踪，有直道和弯道超车两种。

3. 包含路径规划算法+mpc轨迹跟踪算法可以适用于弯道道路，弯道车道保持，弯道变道86

4. carsim内规划轨迹可视化，道路环境可以自定义，资料包里面有视频教学和算法讲解。
   
   

   
   以下是一个基于 CarSim 和 Simulink 联合仿真的车辆换道轨迹规划与轨迹跟踪模型的实现。该模型包括以下部分：

5. 换道轨迹规划：在 Simulink 中生成平滑的换道轨迹。

6. 轨迹跟踪控制：使用 PID 控制器或 MPC（模型预测控制）实现轨迹跟踪。

7. CarSim 仿真：通过 CarSim 提供高精度的车辆动力学模型。

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1. 系统概述

功能

• 轨迹规划：生成平滑的换道轨迹（如五次多项式或正弦函数）。
• 轨迹跟踪：通过控制器使车辆跟随规划的轨迹。
• 联合仿真：Simulink 生成控制输入，CarSim 模拟车辆动力学行为。

关键技术

• 轨迹规划：五次多项式插值、正弦函数等。
• 轨迹跟踪控制：PID 控制器、MPC 控制器等。
• 联合仿真接口：通过 Simulink-CarSim 接口实现数据交互。

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2. MATLAB/Simulink 实现

主程序文件 (main_trajectory_planning_tracking.m)

clc; clear; close all;

% 初始化参数
dt = 0.01; % 时间步长
T = 10; % 仿真时间
t = 0:dt:T; % 时间向量

% 换道轨迹规划
laneChangeTrajectory = planLaneChangeTrajectory(t);

% 将轨迹传递给 Simulink
simin.time = t';
simin.signals.values = laneChangeTrajectory';
simin.signals.dimensions = [2, 1]; % [横向位置, 纵向位置]

% 设置 Simulink 参数
set_param('VehicleTrajectoryTracking', 'SimulationCommand', 'update');
set_param('VehicleTrajectoryTracking', 'StopTime', num2str(T));

% 运行 Simulink 模型
sim('VehicleTrajectoryTracking');

% 获取仿真结果
simout = out.simout.Data; % 从 Simulink 输出获取轨迹跟踪结果

% 绘图
figure;
plot(laneChangeTrajectory(:, 1), laneChangeTrajectory(:, 2), 'r--', 'LineWidth', 1.5);
hold on;
plot(simout(:, 1), simout(:, 2), 'b-', 'LineWidth', 1.5);
xlabel('纵向位置 (m)');
ylabel('横向位置 (m)');
legend('规划轨迹', '实际轨迹');
title('车辆换道轨迹规划与跟踪');
grid on;

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换道轨迹规划函数 (planLaneChangeTrajectory.m)

function trajectory = planLaneChangeTrajectory(t)
    % 规划换道轨迹
    % 输入: 时间向量 t
    % 输出: 轨迹 [x, y] (纵向位置, 横向位置)
    
    % 参数
    v = 20; % 车速 (m/s)
    laneWidth = 3.5; % 车道宽度 (m)
    T = max(t); % 总时间
    
    % 纵向位置 (匀速行驶)
    x = v * t';
    
    % 横向位置 (五次多项式插值)
    coeffs = [0, 0, 0, 10*laneWidth/T^3, -15*laneWidth/T^4, 6*laneWidth/T^5];
    y = polyval(coeffs, t');
    
    % 轨迹矩阵
    trajectory = [x, y];
end

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Simulink 模型 (VehicleTrajectoryTracking.slx)

1. 输入信号

• 使用 From Workspace 模块加载规划的轨迹数据（simin）。
• 输入信号格式为 [时间, 横向位置, 纵向位置]。

2. 轨迹跟踪控制器

• PID 控制器：
  • 使用两个 PID 控制器分别控制横向和纵向误差。
  • 参数需要根据实际车辆模型进行调整。
• MPC 控制器（可选）：
  • 使用 MATLAB 的 MPC Toolbox 设计模型预测控制器。
  • 需要提供车辆的动力学模型作为预测模型。

3. CarSim 接口

• 使用 Simscape Multibody 或 CarSim S-Function 模块与 CarSim 进行联合仿真。
• 将 Simulink 的控制输入（如方向盘转角、油门、刹车）传递给 CarSim。
• 从 CarSim 获取车辆状态（如位置、速度、加速度）。

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PID 控制器实现 (pidController.m)

function controlInput = pidController(error, errorSum, lastError, Kp, Ki, Kd, dt)
    % PID 控制器
    % 输入:
    %   error: 当前误差
    %   errorSum: 累积误差
    %   lastError: 上一次误差
    %   Kp, Ki, Kd: PID 参数
    %   dt: 时间步长
    % 输出:
    %   controlInput: 控制输入
    
    % 计算 PID 控制输入
    P = Kp * error;
    I = Ki * errorSum * dt;
    D = Kd * (error - lastError) / dt;
    controlInput = P + I + D;
end

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3. 功能说明

1. 换道轨迹规划：

   • 使用五次多项式生成平滑的换道轨迹，确保轨迹的连续性和可跟踪性。

2. 轨迹跟踪控制：

   • PID 控制器：简单易实现，适合线性系统。
   • MPC 控制器：考虑多变量约束和未来动态，适合复杂场景。

3. CarSim 仿真：

   • 提供高精度的车辆动力学模型，模拟真实车辆行为。
   • 支持复杂的道路条件和环境干扰。

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4. 实验结果

运行上述代码后，程序会生成以下内容：

1. 规划轨迹：
   • 显示理想的换道轨迹。
2. 实际轨迹：
   • 显示车辆在 CarSim 中的实际运动轨迹。
3. 误差分析：
   • 分析横向和纵向误差，评估轨迹跟踪性能。

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5. 注意事项

1. MATLAB 工具箱依赖：

   • 需要安装 Simulink、CarSim 接口、Control System Toolbox 和 MPC Toolbox。

2. 参数调整：

   • 根据实际车辆参数和仿真需求调整 PID 或 MPC 控制器的参数。

3. 扩展功能：

   • 可以引入障碍物检测与避障算法，增强换道安全性。
   • 支持多车道换道和复杂道路条件。

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希望这段代码能够帮助你完成基于 CarSim 和 Simulink 的车辆换道轨迹规划与轨迹跟踪模型！