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动态交通环境下自动驾驶汽车换道决策与轨迹规划研究

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动态交通环境下自动驾驶汽车换道决策与轨迹规划研究

作者：汪晓重庆大学

学位级别：硕士

自动驾驶是汽车行业发展的一个重要方向,它能够改变人们的出行方式,引起社会的重大变革。目前世界各国纷纷出台国家战略,企图抢占自动驾驶的制高点,推动国家社会经济发展。目前单车道的智能化如ACC（自适应巡航）、IACC（集成式自适应... 详细信息

自动驾驶是汽车行业发展的一个重要方向,它能够改变人们的出行方式,引起社会的重大变革。目前世界各国纷纷出台国家战略,企图抢占自动驾驶的制高点,推动国家社会经济发展。目前单车道的智能化如ACC（自适应巡航）、IACC（集成式自适应巡航）、LKA（车道保持辅助）等功能已经逐渐普及,智能汽车正从单车道的Lv.2级往多车道的Lv.3级自动驾驶发展。如何在动态交通环境下实现智能的换道决策以及安全高效舒适的换道轨迹规划是目前亟待解决的问题。为了获得智能拟人化的自动驾驶换道决策模型和具备动态交通环境适应性的换道轨迹规划方法,本文开展了动态交通环境下自动驾驶汽车换道决策与轨迹规划研究,主要研究内容如下:（1）基于NGSIM（下一代仿真）数据集对换道过程数据进行提取,提出换道数据提取依据并验证了其有效性。对换道决策过程进行了分析,建立换道过程的收益模型、安全模型、容忍距离模型。为了探明换道过程中各个参数对换道过程影响的重要性,采用Relief算法对换道过程进行影响因素深入分析,获得了各个影响因素的比重关系。（2）基于换道过程的收益模型、安全模型、容忍距离模型和换道过程的比重关系,建立了基于线性关系的智能汽车换道规则决策模型。针对换道决策的多参数非线性特征难以建模问题,将换道决策多维非线性建模问题转换成基于支持向量机的分类问题,对比分析线性核函数、多项式核函数和高斯核函数的特点,采用基于高斯核函数的支持向量机模型。为了提高换道决策模型的准确度,利用贝叶斯优化理论对高斯核函数支持向量机的高斯核带宽和正则化常数进行优化。（3）基于GPS（全球定位系统）/IMU（惯性导航单元）组合定位的离散全局轨迹,建立Frenet坐标系与笛卡尔坐标变换关系。通过三次多项式曲线建立离散全局轨迹坐标下的路径和速度生成方法。为了优化生成的轨迹,建立的效率模型、舒适度模型、安全模型,并综合考虑三种因素建立多目标优化函数。考虑到优化函数求解复杂、存在无法求出可行解以及换道前后车辆行为控制衔接等问题,建立了动态解耦轨迹规划模型。在设计的三个动态交通场景下,以效率、舒适、安全和实时性为评价指标,对比分析了静态换道规划算法、动态优化规划算法以及动态解耦算法,证明本文所提出的动态解耦算法综合性能最佳。（4）基于Carsim和Simulink软件,建立了Carsim和Simulink联合仿真的信息交互流程图。通过Carsim软件,确定了汽车模型仿真参数、道路形状以及各个车辆的行驶速度。分析了车辆横纵向控制方法,阐述了基于Stanley算法的横向控制原理,制定出汽车节气门开度和制动踏板控制的逻辑图。在不同的动态交通场景下进行了决策规划算法验证,探讨了换道决策模型和轨迹规划模型对车辆的作用机理,验证了动态解耦模型在复杂动态交通环境下具有很好的鲁棒性。

关键词：自动驾驶汽车动态交通环境换道决策换道轨迹规划

基于二次规划的智能车辆动态换道轨迹规划研究

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中国公路学报 2021年第7期34卷 79-94页

作者：王莹卫翀马路北京交通大学交通运输学院北京100044 北京交通大学综合交通运输大数据应用技术交通运输行业重点实验室北京100044

为实现智能车辆的自主换道操作并满足安全性、舒适性和实时性等约束条件,提出一种针对动态交通环境的换道轨迹规划模型。该模型由道路平面曲线表征模块、路径生成模块以及速度曲线生成模块组成。首先,在道路平面曲线表征模块中,模型基... 详细信息

为实现智能车辆的自主换道操作并满足安全性、舒适性和实时性等约束条件,提出一种针对动态交通环境的换道轨迹规划模型。该模型由道路平面曲线表征模块、路径生成模块以及速度曲线生成模块组成。首先,在道路平面曲线表征模块中,模型基于实时获取的周边道路信息,利用切比雪夫多项式插值法回归拟合出连续可导的道路平面曲线函数,用以保证模型在各种道路平面线形上的普适性。然后,在路径生成模块中,根据换道车辆初始时刻的运动状态,建立一系列多项式方程,并利用牛顿迭代法求解方程未知参数,以此生成连接初始位置和目标位置的换道路径,用以保证换道轨迹的平滑性。最后,在速度曲线生成模块中,以满足防碰撞约束、跟驰加速度约束以及车辆运动状态约束为目标,构建二次规划模型,生成沿着换道路径的车辆速度曲线,用以保证换道轨迹的安全性和舒适性。此外,考虑到周边动态的交通环境,车辆系统在每个时间步内会循环调用提出的模型实时更新换道轨迹,直至车辆到达目标位置。仿真试验结果表明:应用提出的换道轨迹规划模型,车辆能够有效避免与周边动态车辆发生碰撞,成功完成换道;基于二次规划框架,模型优化求解时间明显缩短,满足轨迹规划的实时性和有效性要求。

关键词：汽车工程换道轨迹规划二次规划智能车辆动态交通环境约束最优化

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基于用户出行行为的动态用户最优模型

公路交通科技 1998年第4期15卷 39-41,51页

作者：杨兆升徐立群吉林工业大学

以往的用户最优模型没有充分考虑以用户为主体的交通活动。在目前的城市交通条件下，用户的出行行为随时都随交通条件的变化而变化。本论文对动态交通环境下用户的出行行为进行了分析。

关键词：动态交通环境用户最优模型用户出行行为交通

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考虑侧倾稳定性的智能卡车动态变道轨迹规划

重庆理工大学学报（自然科学） 2023年第4期37卷 95-104页

作者：周贻聂枝根刘东昆明理工大学交通工程学院昆明650500

为实现智能卡车在实际交通环境下自主变道操作,提出了考虑侧倾稳定性的动态变道轨迹规划策略。考虑车辆悬架的动刚度特性和轮胎的非线性特性,应用TruckSim软件建立整车动力学模型,进行不同车速和路面附着系数与变道纵向长度的正交仿真实... 详细信息

为实现智能卡车在实际交通环境下自主变道操作,提出了考虑侧倾稳定性的动态变道轨迹规划策略。考虑车辆悬架的动刚度特性和轮胎的非线性特性,应用TruckSim软件建立整车动力学模型,进行不同车速和路面附着系数与变道纵向长度的正交仿真实验,建立临界最小变道纵向长度的数学模型。根据周围车辆状态的动态变化,通过避障检测获得安全变道界限。设计智能卡车的变道效率、车辆稳定性等目标函数,获得最优变道轨迹。搭建Matlab/Simulink与TruckSim联合仿真平台,进行规划策略的仿真分析。仿真结果表明:所提规划策略,智能卡车能够有效避免与周围动态车辆发生碰撞,成功完成变道,并保证了智能卡车在变道过程中的侧倾稳定性。

关键词：智能卡车变道动态轨迹规划车辆侧倾稳定性动态交通环境

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复杂驾驶条件下智能燃料电池汽车生态驾驶控制策略研究

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复杂驾驶条件下智能燃料电池汽车生态驾驶控制策略研究

作者：贾元昆明理工大学

学位级别：硕士

近年来,燃料电池汽车(Fuel Cell Hybrid Electric Vehicle,FCHEV)的发展取得了的很大的成功,凭借其零污染、高能量密度以及高效率等优点,实现了氢能的充分利用,被认为是最具有发展的理想车型。然而,复杂动态交通环境中的不确定因素,为... 详细信息

近年来,燃料电池汽车(Fuel Cell Hybrid Electric Vehicle,FCHEV)的发展取得了的很大的成功,凭借其零污染、高能量密度以及高效率等优点,实现了氢能的充分利用,被认为是最具有发展的理想车型。然而,复杂动态交通环境中的不确定因素,为燃料电池汽车的速度规划和能量管理的造成了巨大的困难。因此,本研究依托国家自然科学基金项目“面向复杂交通环境的智能重型半挂车动态变道多模式切换的鲁棒控制研究”(52262053)、2021年云南省科技计划项目基础研究专项“考虑路面参数动态变化的山区高速公路复杂工况的重型半挂车稳定性控制策略研究”(202101AT070108)和“兴滇人才支持项目”,针对不同动态交通环境,研究燃料电池汽车的生态驾驶控制策略,旨在提高车辆的整体能量经济性。首先,分析了燃料电池汽车的几种基本构型的优缺点,根据本文研究适应场景,选取了“燃料电池+动力电池”的动力系统构型为研究对象。基于选定的基本构型,分别对燃料电池和动力电池进行了参数匹配和简化模型的建立。此外,分析了车辆行驶过程中受到的阻力来源,建立了车辆纵向动力学模型,同时也分析了电机在不同工作模式下的输入输出特性关系。其次,讨论了生态驾驶控制策略的整体框架与工作流程。考虑到车辆未来行驶状态对整车安全性及经济性的影响,以及现有速度规划策略预测效率和预测精度低的问题。本文采用了基于投影梯度的模型预测(Gradient-based Augmented Model Predict Control,GRAMPC)算法执行上层速度优化,可以显著提高运算效率和计算精度。此外,为了综合考虑设计的能量管理策略的性能,本文从氢气消耗、电池退化、SOC约束以及综合成本等方面性能指标进行评价。为了探究动态复杂环境下的生态驾驶控制策略,首先选取了城市信号灯场景作为研究目标,规划车辆通过连续信号灯的能量最优速度轨迹。考虑到车辆在信号交叉口前的频繁加减速特征,重点设计了基于模糊规则的制动能量回收策略,结果表明与固定制动力分配系数相比可以显著提升节能效果。随后引入前后车的动态干扰,仿真结果表明FCHEV顺利通过信号交叉口的同时避免了与前后车的碰撞。此外,通过与巡航驾驶状态相比,其显著提升了能量经济性。在连续弯道路面的驾驶场景中,首先确定了不同弯道曲率下的临界安全速度。考虑到车辆驾驶状态对能量管理策略的影响,又设计了基于功率比的自适应等效能量消耗最小控制策略(Power Ratio-based Adaptive Equivalent Consumption Minimization Strategy,PR-AECMS),旨在满足等效因子随车辆状态实时变化,提升能量效率。最后,在有前后车动态干扰的复杂交通环境下进行仿真实验,结果表明所提出的策略能显著提升整车能量经济性以及确保弯道行车稳定性和安全性。

关键词：燃料电池汽车能量管理策略动态交通环境生态驾驶

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考虑HV-AV交互的动态换道轨迹规划方法

中国公路学报 2024年第12期 340-356页

作者：高雪溢慈玉生李珊珊徐浩城哈尔滨工业大学交通科学与工程学院

精确预测邻近车辆控制行为的潜在变化对于自动驾驶车辆(AV)理解驾驶环境、预防安全隐患、提升换道安全至关重要。现有换道轨迹规划方法未能充分考虑邻近车辆控制行为的不确定性，这种不确定性在包含人类驾驶车辆(HV)的混合交通环境中尤... 详细信息

精确预测邻近车辆控制行为的潜在变化对于自动驾驶车辆(AV)理解驾驶环境、预防安全隐患、提升换道安全至关重要。现有换道轨迹规划方法未能充分考虑邻近车辆控制行为的不确定性，这种不确定性在包含人类驾驶车辆(HV)的混合交通环境中尤为显著。针对此问题，提出了一种考虑HV-AV交互的动态换道轨迹规划方法，以提高包含HV在内的混合交通环境中AV换道行为的适应性和安全性。该方法首先基于LightGBM算法建立驾驶风格识别模型，精确识别邻近车辆驾驶人的不同驾驶风格。随后，通过全速度差(FVD)模型对不同驾驶风格下邻近车辆在AV换道过程中的动态控制反馈进行模拟和分析。最后，综合考虑HV-AV交互反应的影响，动态生成换道轨迹和加速度曲线，以确保换道操作的安全性和流畅性。研究结果表明，与传统的换道轨迹规划方法相比，所提出的方法在实际换道场景中表现出较高的安全性和适应性。该方法能够根据实时交通状况有效调整换道策略，显著降低碰撞风险。

关键词：汽车工程换道轨迹规划 HV-AV交互自动驾驶车辆周围车辆控制反馈动态交通环境