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wzjs 2025/7/21 11:38:21

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已思考完成

收起

嗯，用户想了解自动驾驶中的路径规划和控制算法，需要详细一些。我得先整理一下参考内容里的信息，然后有条理地呈现出来。首先，路径规划和控制算法是自动驾驶系统的核心模块，需要分别介绍它们的基本概念、常用方法和应用场景。

路径规划方面，参考内容里提到的算法有很多，比如基于搜索的A*、Dijkstra，基于采样的RRT，基于曲线插值的多项式拟合，还有优化方法如MPC。还有分全局和局部规划，全局可能用A或Hybrid A，局部可能用Lattice或EM Planner。还要注意坐标系，比如Frenet坐标系的应用，这在规划中很常见。另外，行为预测和路径规划的结合也是关键，比如概率方法和学习方法的结合。

控制算法方面，参考内容提到LQR、PID、MPC。横向控制常用LQR，纵向用PID，而MPC因为能处理多约束越来越受关注。还要提到控制算法的输入输出，比如规划轨迹后如何跟踪，考虑车辆动力学模型。此外，像iLQR这样的进阶方法也有应用，需要解释一下。

需要区分路径规划和控制的区别，路径规划是生成轨迹，控制是跟踪轨迹。还要注意实际应用中的挑战，比如实时性、复杂场景处理、传感器误差等。参考内容里的一些例子，比如避障、超车，可以具体说明算法如何处理这些情况。

可能用户是学生或刚入行的工程师，需要全面但不过于技术化的解释。要避免太专业的术语，或者适当解释。结构上先讲路径规划，再讲控制，每个部分分方法、原理、优缺点和应用。可能用列表或对比表格来总结不同算法，但用户要求不要用标题，所以需要用文字描述。

需要检查是否有遗漏的重要算法，比如EM Planner、Lattice Planner在参考中被多次提到，应该包含。还有最新趋势，如强化学习和神经网络在规划中的应用，参考内容里也有提到，可以简要提及。

最后，确保信息准确，引用参考内容中的不同来源，比如知乎文章的时间，有些是2021年的，有些是较新的2023年或2025年，可能需要说明技术的发展。不过用户提供的参考内容时间范围较广，需要注意信息的时效性。

总结一下，回答的结构大致分为路径规划和控制两大部分，每个部分详细讲解常用算法、原理、优缺点，结合实际应用案例，最后可能提到挑战和未来方向。这样用户能获得全面的理解，同时满足详细的需求。

在自动驾驶系统中，路径规划与控制算法是实现车辆自主导航的核心模块，两者紧密配合以实现安全、高效的行驶。以下从技术原理、典型方法及实际应用角度展开说明：

一、路径规划（Path Planning）

路径规划的目标是生成从起点到终点的可行轨迹，需综合考虑障碍物、交通规则、车辆动力学等因素。主要分为全局规划和局部规划两个层级：

全局规划
- 适用场景：长距离导航，如城市道路或高速公路行驶。
- 典型算法：
  - A*算法：基于启发式搜索，通过代价函数（f(n) = g(n) + h(n)）平衡路径长度与目标导向性，适合结构化道路。
  - Hybrid A*：改进版本，结合连续空间搜索与车辆运动学约束，用于泊车等复杂场景。
- 挑战：需处理高精度地图信息，动态障碍物适应性较差。
局部规划
- 适用场景：实时避障、变道、超车等动态场景。
- 典型方法：
  - Lattice Planner（采样法）：横纵向解耦采样目标点，用五次多项式生成候选轨迹，通过代价函数（安全性、舒适性等）筛选最优解。
  - EM Planner（优化法）：分路径和速度两阶段优化，结合动态障碍物预测，适用于城市道路。
  - Frenet坐标系：以道路中心线为参考，简化轨迹生成与碰撞检测。
- 关键步骤：
  - 轨迹生成：多项式/样条插值保证平滑性。
  - 碰撞检测：采用分离轴定理（SAT）或GJK算法。
  - 代价评估：综合障碍物距离、曲率、加速度等指标。
前沿方向
- 强化学习：通过试错学习复杂交互策略（如超车）。
- 时空联合规划：直接生成时空轨迹，解决动态障碍物避让问题。

二、控制算法（Control Algorithm）

控制算法的任务是精准跟踪规划轨迹，输出方向盘转角、油门/刹车信号。核心分为横向控制与纵向控制：

横向控制（Lateral Control）
- LQR（线性二次调节器）：基于车辆动力学模型设计状态反馈，优化跟踪误差与控制量。
- MPC（模型预测控制）：滚动优化未来时域内的控制序列，处理多约束（如曲率、加速度限制）。
- Stanley算法：通过前轮反馈修正航向误差，适合低速场景。
纵向控制（Longitudinal Control）
- PID双环控制：外环计算目标加速度，内环调节油门/刹车。
- 滑模控制：鲁棒性强，应对路面附着变化。
融合控制
- 动力学模型：二自由度模型（2-DOF）描述横摆与侧向运动。
- 输入输出：规划轨迹（位置、速度、加速度）→ 控制量（方向盘转角、纵向加速度）。

三、实际应用与挑战

典型场景
- 高速公路巡航：Lattice + LQR实现稳定跟车。
- 泊车：Hybrid A*生成初始路径，MPC优化跟踪。
- 城市拥堵：EM Planner结合预测模块处理行人、车辆交互。
技术瓶颈
- 动态不确定性：障碍物意图预测误差影响规划鲁棒性。
- 实时性：复杂场景下优化算法（如MPC）计算延迟。
- 车辆动力学约束：高速下需兼顾轮胎力饱和与舒适性。
发展趋势
- 端到端学习：直接由感知输入生成控制信号（如Wayve方案）。
- 车路协同：V2X信息提升规划前瞻性。

四、总结对比

类别	典型算法	优势	局限性
路径规划	A、Hybrid A、Lattice	结构化场景高效，支持动态避障	复杂交互场景需依赖预测模块
横向控制	LQR、MPC	模型驱动，稳定性高	MPC计算资源需求大
纵向控制	PID、滑模控制	简单易实现，响应快	非线性场景适应性弱