Overtaking Obstacle Avoidance Study Based on Unilateral-phase-by-phase Guided Potential Field

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.08.006

Abstract

Abstract:

To effectively avoid obstacle vehicles during lane-changing and overtaking maneuvers， this study proposes a dynamic obstacle avoidance strategy based on a unilateral hierarchical guiding potential field. A unilateral repulsive field for obstacle vehicles is constructed using cubic quasi-uniform B-spline curves to achieve more accurate risk characterization. A dynamic target attractive field is established to provide hierarchical path guidance. Additionally， a waypoint oscillation identification and filtering method is introduced to suppress oscillations caused by large simulation steps. For precise trajectory tracking， a feedforward-augmented LQR predictive controller is designed based on a 2-DOF vehicle model. Co-simulation using Matlab/Simulink and CarSim， along with HIL tests， confirms the effectiveness and safety of the proposed strategy. The results show a mean lateral error of less than 0.08 m， an 18%‒25% reduction in key dynamic metrics such as front-wheel steering angle and sideslip angle， and a 10.3% reduction in overtaking distance.

Key words: lane changing, path planning and tracking control, improved artificial potential field method, linear quadratic regulator （LQR） control, hardware-in-the-loop（HIL）

摘要：

针对换道超车过程中的动态避障问题，提出一种基于单边-逐级引导势场的避障策略。结合三次准均匀B样条曲线构建障碍车单边斥力势场，以更准确地表征障碍车风险，在此基础上建立动态目标引力势场，实现逐级路径引导；提出一种路径点振荡识别与过滤方法，用于抑制因仿真步长偏大引起的路径振荡。为保障轨迹跟踪精度，基于二自由度车辆动力学模型和线性二次型调节器（LQR）控制理论，设计了带有前馈控制量的LQR预测控制器。最后进行MATLAB/Simulink与CarSim联合仿真及硬件在环实验，结果表明：所提方法横向跟踪误差均值小于0.08 m，前轮转角与质心侧偏角等关键动力学指标的均值与峰值较传统人工势场法下降18% ~ 25%，超车完成距离平均缩短10.3%，验证了所提策略的有效性与安全性。

关键词: 换道超车, 路径规划和跟踪控制, 改进人工势场法, 线性二次型调节器控制, 硬件在环

CLC Number:

U461

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Figures/Tables 23

Fig.1 Structural block diagram of dynamic obstacle avoidance strategy

Tab.1 Classification of hazard scenarios based on tTC

t_TC取值范围/s	等级
（5，+∞）	一级（无危险）
（3，5］	二级（紧急）
（1，3］	三级（紧迫）
（－∞，1］	四级（濒临碰撞）

Fig.2 The unilateral motion repulsive potential field model

Fig.3 Three-dimensional model of the repulsive potential field

Fig.4 The dynamic target attractive potential field model

Fig.5 Schematic diagram of target point switching for the controlled vehicle

Fig.6 Flowchart of oscillation point filtering

Fig.7 Curve trajectory following

Fig.8 Schematic diagram of the prediction model

Fig.9 Hardware-in-the-loop simulation platform and its principle

Tab.2 Main parameters of the vehicle body model

整车质量m/kg	1413
车辆长度l/mm	4670
车辆宽度w/mm	2082
车辆高度h/mm	1405
前轮侧偏刚度C_αf/（N·rad $- 1$ ）	$-$ 76 600
后轮侧偏刚度C_αr/（N·rad $- 1$ ）	$-$ 41 100
质心到前轴距离/mm	1015
质心到后轴距离/mm	1895
Z轴转动惯量I_Z /（kg·m $- 2$ ）	1536.7

Tab.2 Main parameters of the vehicle body model

整车质量m/kg	1413
车辆长度l/mm	4670
车辆宽度w/mm	2082
车辆高度h/mm	1405
前轮侧偏刚度C_αf/（N·rad $- 1$ ）	$-$ 76 600
后轮侧偏刚度C_αr/（N·rad $- 1$ ）	$-$ 41 100
质心到前轴距离/mm	1015
质心到后轴距离/mm	1895
Z轴转动惯量I_Z /（kg·m $- 2$ ）	1536.7

Fig.10 Comparison of path tracking before and after improvement

Tab.3 Path tracking error data comparison

参数名称	均值	最大值	标准差
改进前误差/m	0.098	0.202	0.072
改进后误差/m	0.071	0.149	0.059

Tab.4 Initial Parameters of Simulation Scenarios

受控车初速/（km·h $- 1$ ）	障碍车初速/（km·h $- 1$ ）	初始车距/m
115	100	50
92	80	40
75	65	35

Tab.4 Initial Parameters of Simulation Scenarios

受控车初速/（km·h $- 1$ ）	障碍车初速/（km·h $- 1$ ）	初始车距/m
115	100	50
92	80	40
75	65	35

Fig.11 Constant-velocity moving obstacle vehicle scenario

Fig.12 Comparison of evaluation metrics for scenario 1

Tab.5 Simulation data comparison for scenario 1

参数	均值		最大值
参数	改进前	改进后	改进前	改进后
前轮转角/（°）	0.634	0.492	1.613	1.260
质心侧偏角/（°）	0.075	0.059	0.189	0.154
横摆角速度/（（°）·s $- 1$ ）	1.572	1.298	3.647	3.152
横向加速度/（m·s $- 2$ ）	0.080	0.066	0.161	0.143

Tab.5 Simulation data comparison for scenario 1

参数	均值		最大值
参数	改进前	改进后	改进前	改进后
前轮转角/（°）	0.634	0.492	1.613	1.260
质心侧偏角/（°）	0.075	0.059	0.189	0.154
横摆角速度/（（°）·s $- 1$ ）	1.572	1.298	3.647	3.152
横向加速度/（m·s $- 2$ ）	0.080	0.066	0.161	0.143

Fig.13 Comparison of evaluation metrics for scenario 2

Tab.6 Simulation data comparison for scenario 2

参数	均值		最大值
参数	改进前	改进后	改进前	改进后
前轮转角/（°）	0.632	0.476	2.013	1.605
质心侧偏角/（°）	0.070	0.054	0.231	0.187
横摆角速度/（（°）·s $- 1$ ）	1.353	1.036	4.511	3.536
横向加速度/（m·s $- 2$ ）	0.070	0.054	0.225	0.184

Tab.6 Simulation data comparison for scenario 2

参数	均值		最大值
参数	改进前	改进后	改进前	改进后
前轮转角/（°）	0.632	0.476	2.013	1.605
质心侧偏角/（°）	0.070	0.054	0.231	0.187
横摆角速度/（（°）·s $- 1$ ）	1.353	1.036	4.511	3.536
横向加速度/（m·s $- 2$ ）	0.070	0.054	0.225	0.184

Fig.14 Lane-changing moving obstacle vehicle scenario

Fig.15 Comparison of evaluation metrics for scenario 3

Tab.7 Simulation data comparison for scenario 3

参数	均值		最大值
参数	改进前	改进后	改进前	改进后
前轮转角/（°）	1.165	0.894	3.009	2.295
质心侧偏角/（°）	0.139	0.107	0.358	0.275
横摆角速度/（（°）·s $- 1$ ）	1.746	1.327	4.468	3.427
横向加速度/（m·s $- 2$ ）	0.117	0.090	0.301	0.229

Tab.7 Simulation data comparison for scenario 3

参数	均值		最大值
参数	改进前	改进后	改进前	改进后
前轮转角/（°）	1.165	0.894	3.009	2.295
质心侧偏角/（°）	0.139	0.107	0.358	0.275
横摆角速度/（（°）·s $- 1$ ）	1.746	1.327	4.468	3.427
横向加速度/（m·s $- 2$ ）	0.117	0.090	0.301	0.229

Fig.16 Comparison of vehicle yaw angle before and after optimization

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