基于人工势场法的道路建模与车辆避障系统

资 源 简 介

该项目利用人工势场（Artificial Potential Field, APF）理论在MATLAB环境下构建完整的道路模型并实现车辆的自主避障任务。系统核心功能包含环境建模、势场函数构建与车辆运动仿真三大部分。首先，通过数学公式定义结构化道路模型，包括道路中心线引力源和道路边缘斥力墙。其次，针对路径中的静态或动态障碍物，建立指数级衰减的点状或几何状斥力场模型，确保车辆在接近障碍物时能获得足够的反向推力。项目实现了引力场与多个斥力场的矢量叠加运算，实时计算车辆所受的合力方向与大小，并将其转化为车辆的加速

详 情 说 明

基于人工势场法的道路建模与车辆自主避障系统

项目介绍

本项目是一个利用人工势场（Artificial Potential Field, APF）理论在MATLAB环境下实现的自动驾驶局部路径规划仿真系统。系统通过模拟引力场与斥力场的相互作用，赋予车辆感知环境并自主决策避障的能力。引力场引导车辆向目标点行驶，而斥力场确保车辆与道路边缘及障碍物保持安全距离。该系统提供了一个直观的仿真平台，用于研究复杂路况下的车辆运动控制、势场能量平衡以及局部极小值问题的优化解决方案。

功能特性

1. 结构化道路建模：自动生成包含中心线、车道边界及长度限制的标准化道路环境。
2. 复合势场计算：实时叠加目标点引力、多障碍物斥力以及道路边缘约束力。
3. 局部极小值避障优化：引入切线分量力场与随机扰动算法，降低车辆陷入受力平衡点的概率。
4. 二阶动力学仿真：模拟车辆的加速度、速度与位移转换，支持速度限幅控制。
5. 多维可视化输出：实时展示二维运动轨迹、三维势场能量云图以及速度响应曲线。
6. 动态动画演示：提供车辆避障过程的逐帧动画，便于观察算法的实时表现。

使用方法

1. 启动环境：打开 MATLAB 软件。
2. 运行脚本：在工作目录中直接运行核心仿真程序。
3. 观察输出：系统将自动弹出绘图窗口，按顺序展示道路环境、势场分布、速度趋势以及动态行驶动画。
4. 参数调整：根据需求修改代码中的增益系数（如 K_att, K_obs）、障碍物坐标或初始位姿，即可验证不同场景下的避障效果。

系统要求

• MATLAB R2016b 或更高版本。
• 具备基础的绘图（Graphics）与数学运算能力。

核心实现逻辑说明

系统的实现流程严格遵循环境感知、受力分析、运动更新、效果展示四个阶段：

1. 参数与环境初始化

系统预设了 100m x 8m 的直线道路。车辆从坐标 (0, 2) 出发，目标点设在道路尽头的 (100, 2)。环境中布置了三个具有不同位置（x, y）和影响半径（Radius）的圆形障碍物。同时设定了引力增益、斥力增益以及各类影响距离阈值。

1. 人工势场构建逻辑

• 目标引力：采用与距离成正比的改进型公式。当车辆远离目标时产生恒定指向目标的拉力，靠近目标时拉力线性减小，确保车辆平稳抵达。
• 障碍物斥力：采用基于距离平方反比定律的斥力函数。只有当车辆进入障碍物的“影响半径 + 安全裕度”范围内时，斥力才会生效且随距离缩减呈指数级增长。
• 道路边界斥力：在道路的上边缘 (y=8) 和下边缘 (y=0) 设置边界场。当车辆靠近边缘时，会受到指向车道中心的推力，保证车辆不脱离路面。

1. 算法优化机制

• 虚拟分量引入：在障碍物斥力的基础上，系统增加了一个垂直于斥力方向的切线向量。该设计能诱导车辆在面对正前方障碍物时产生绕行倾向，有效解决 APF 法中常见的“目标不可达”或“正对面僵持”问题。
• 随机扰动处理：代码中包含一个监控逻辑，若车辆受到合力过小（接近 0.1）且尚未到达目标，系统将自动施加一个随机波动量，模拟外界扰动以帮助车辆跳出局部势能阱。

1. 运动学模型与限幅

车辆被建模为二阶质点系统。计算出的合力根据牛顿第二定律转换为加速度。系统在更新速度时加入了 v_max 最大速限逻辑，防止车辆在极高势能区域产生不切实际的瞬时位移，增强了仿真的物理真实感。

关键函数与算法细节分析

• 矢量叠加计算：每一仿真步长内，系统通过 F_total = F_att + F_obs + F_road 进行矢量求和，实时决定车辆的运动方向。
• 势场能量分布计算：为了生成 3D 云图，系统在二维网格上对空间各点的势能进行离散采样。引力势能采用二次函数形式，斥力势能采用反比平方形式，并对碰撞区域的最高势能进行截断处理，以便在 colormap jet 映射下清晰分辨高能点。
• 动画更新技术：动态演示环节利用 MATLAB 的绘图句柄技术（set 函数更新 XData/YData），通过 drawnow 实现流滑顺的动画效果，而非简单的重复绘图，提高了显示效率。
• 终止判定逻辑：系统根据欧氏距离判定车辆是否进入目标点的 DistThreshold（1.0m 范围内），步数达到 MaxSteps 后自动停止，具有良好的数值收敛管理。