【《汽车自适应巡航控制系统自主换道决策及轨迹规划分析案例》4200字】

4优化设计汽车自适应巡航控制系统自主换道决策及轨迹规划分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u3246汽车自适应巡航控制系统自主换道决策及轨迹规划分析案例 1267151.1引言 1130741.2换道行为决策 26781.3换道意图主客观因素辨识 2271241.3.1考虑驾驶员主观换道意图 3169901.3.2考虑驾驶员客观换道意图 373791.4基于五次多项式曲线的换道轨迹规划 6302801.5基于两点预瞄的轨迹跟踪 71.1引言在对基于PID控制的ACC系统模型进行搭建了之后，本论文继续讨论关于驾驶员意图的换道决策。自主换道的控制策略是ACC系统上层控制的一个不可或缺的环节。ACC系统的上层控制使得整体算法控制更加合理更加有序更加稳定。上述分析，可知传统的ACC系统只会对车辆进行纵向的定速控制或者跟车控制，而不会对车辆的横向控制产生干预作用。当目标前车车速长时间低于设定车速或者本车快速接近低速行驶的前车且满足换道条件时，一般的ACC系统是无法识别驾驶员换道意图的，只能继续跟着行驶。但大多数驾驶情况都是驾驶员会在换道安全的条件下，进行换道行驶，这样做使得驾驶员对ACC的使用率大大降低，并且很大程度上降低了驾驶员的驾驶体验与对ACC系统的满意度。本章针对上述现象，对传统的ACC系统进行了横向功能的拓展，首先对驾驶员是否会产生换道意图进行了判断，其次对自主换道的可行性进行了分析，最后在确保驾驶员具有换到意图且满足自主换道可行性的条件下，对自主换道轨迹进行了规划。如图1.1所示。图1.1自主换道过程示意图1.2换道行为决策换道行为是汽车行驶在道路上的主要驾驶行为，分为强制性换道和自由换道2种，强制换道主要受到道路与交通条件的限制，其目的是到达指定行车地点；而自由换道是指驾驶员出于对本车道行驶速度期望或是空间期望的不满，而执行换道动作，其目的是获得速度优势或更好的驾驶条件，提升行车效率。强制换道行为产生换道意图的早晚也对行车效率有一定影响，但所对应的换道意图和目标车道由行驶路线给出；而自由换道行为所对应的换道意图和目标车道则与驾驶人心理、当前车辆状态、交通状况等有关。1.3换道意图主客观因素辨识驾驶员产生换道意图主要是以下两种情况，第一种情况是车辆处于跟车行驶状态，前车发生减速，并且减速长时间处于低速行驶状态，车辆长时间无法到达设定车速，所以产生换到意图；第二种情况是车辆开始处于定速模式下行驶，前方出现低速行驶前车，车辆快速接近低速行驶的前车，此时驾驶员会产生换道意图。由于本文是针对驾驶员换道意图的ACC系统控制设计，因此对影响换到意图的主客观因素也应加以分析。1.3.1考虑驾驶员主观换道意图车辆在行驶过程中，驾驶员往往需要根据实际交通状况调整车速。因此，车辆短时间地以低于期望巡航速度的车速行驶的情况并不少见。但此种情况却不足够诱发驾驶员的换道意图。通常当车辆持续以较低车速行驶时，速度期望始终得不到满足，车辆换道意图才可能被激发。因此，为了量化地衡量速度期望的不满足程度，采用速度不满累积度作为评价指标。车辆当前速度小于期望速度时，驾驶员对速度的不满度来自于当前速度与期望速度的差距，故采用期望速度与当前速度差值与期望速度的比值描述当前时刻驾驶人的不满度，不满度的作用时间为采样周期。当期望速度与当前速度的差距越大，不满度值越大，代表驾驶人心理上对行驶速度不满意程度越高。速度不满累积度采用期望速度与当前速度差值与期望速度的比值来表征驾驶员的不满意程度，以采样周期作为不满度的作用时间。c式中，ck为第k个采样点的速度不满度；υdes为期望车速；υℎ驾驶员的不满意程度随时间不断累积，则速度不满累积度表达式如下：Ct式中，Ct不妨给速度不满累积度设定一个阈值，当其超过阈值，表明驾驶员会产生换道意图，而当车辆达到目标车道后，速度不满累积度会相应清零。1.3.2考虑驾驶员客观换道意图在对换道意图进行分析之后，还需要对自主换道的可行性进行分析[]。一般情况下，对自主换道的可行性主要分为以下两个部分：1、车辆在整个自主换道过程中，不可与周围任何交通车辆之间发生碰撞；2、自主换道完成之后，需要保证本车与目标车道内的前车距离以及目标车道内的后车与本车距离大于等于跟车的安全距离，保证在自主换道完成后，本车经过一定的反应时间之后制动减速可以避免碰撞。为了简化分析，一般设定在本车进行换道的较短时间内，周围障碍车辆均以匀速行驶，同时假定本车在换道过程中，纵向运动为匀加速运动，侧向运动满足五次多项式曲线的约束。1）本车与当前车道前车图1.2本车与前车如图1.2所示，本车在换道过程中右前角点有可能与当前车道的前车发生斜向擦碰，则需要对两车之间的安全距离进行约束。当本车换道进行到一半，即t= S=式中，S0为两者之间的初始距离；υf为前车速度；υ0为本车换道初始速度；ax为本车换道纵向加速度；w为车身宽度；上式描述了避免本车与前车发生擦碰的最小安全距离，但对于突发情况的适应性太差，因此需要设置一项安全距离SsafeS+2）本车与目标车道前车图1.3本车与目标车道前车如图1.3所示，本车换道过程中，应避免与目标车道前车右角点发生碰撞，因此需要满足下式： S=S1式中，为本车与目标车道前车之间的初始纵向距离；为目标车道前车的速度。当本车换道完成之后，需要考虑预留一定的安全车距，预防前车突然减速所造成的碰撞。S−υ0式中，为驾驶员反应时间与系统延迟之和；为最大制动减速度；3）本车与目标车道后车图1.4本车与目标车道后车如图1.4所示，本车换道过程中，可能会与目标车道后车发生碰撞危险，因此需对二者之间的距离进行约束，对于目标车道后车的分析需要依据两者的车速分为三种情况。υ0 S=S2式中，为本车与目标车道后车之间的初始纵向距离；为目标车道后车的速度。υ0<υr （14）(3)υ S=S21.4基于五次多项式曲线的换道轨迹规划自主换道轨迹规划主要是在检测到产生换道意图之后，并且在确定自主换道具有可行性的前提下，规划出一条可行、安全、舒适的轨迹，使得本车可以按照规划出的轨迹由原车道顺利的过渡刀目标车道上，且应满足如下条件：自主换道轨迹的起点与终点需要与车道线的曲率保持一致，避免换道前后自主换道车辆的相关位姿调整；为保证乘坐与驾驶的舒适性，换道轨迹需要保证连续、且一阶和二阶导数连续；换刀轨迹需要符合车辆动力学的特性，在换道过程中，车辆不会发生侧滑或侧翻。因此基于上述要求，本文选用五次多项式曲线来进行轨迹规划[]。在研究车辆的运动轨迹时，由于需要考虑周围的交通环境，通常在惯性坐标系O-XY中建立车辆的全局运动学模型。因此，以本车前轴中心为坐标原点，纵向行驶方向为轴，横向为轴。要得到相应轨迹，就是将多项式中的各个系数求解出来，而本文针对自适应巡航系统设计的换道轨迹应满足如下的约束条件：换道初始位置的横纵向坐标均为0,0；换道初始横向速度为0，纵向速度为跟车模式下的；换道终点位置的坐标为YT换道终点位置的横向速度及横向加速度均为0；换道初始位置的横纵向加速度均为0；由于本文假设本车在换道过程中是匀加速运动，横向轨迹满足五次多项式，因此换道过程中本车满足如下表达式： Xt=式中ax表示换道过程中纵向的加速度值，υ0表示换道开始时刻车辆的纵向车速，T表示换道时间，其中υ0是已知的。而纵向加速度a根据自主换道可行性，在已确定不等式约束的情况下，纵向加速度ax与换道时间T具有可行解，所以需要在所有可行解中，基于多目标优化选择最合适的纵向加速度ax与换道时间但对于不等式约束很难直接求出纵向加速度ax与换道时间T在纵向加速度ax与换道时间T跟随性指标：换道完成后，本车会不断调整车速以及车间距，使得两车之间的速度误差及距离误差逐渐接近于理想值。 J1=式中，ω1、ω2均为权重系数，Δd表示自主换道结束时本车与目标前车间的距离与理想车间距的差值，舒适性指标：加减速与驾驶员舒适性密切相关，过度的加速或者减速会使得驾驶员感到不适。 J2=为了解决上述性能目标的最佳控制问题，因此综合代价函数可表示为 J=J1式中，权重系数之和为1，需要设置合适的的权重系数，兼顾舒适性和跟随性的要求。1.5基于两点预瞄的轨迹跟踪图1.5两点预瞄轨迹跟踪控制系统如图1.5所示。在轨迹跟踪方面，本文选择了两点预瞄对轨迹进行跟踪。两点预瞄模型根据期望轨迹、当前车辆位置及车辆运动学特性，确定远近点处的横向偏差;通过远、近点控制器输出各自期望转角，根据模糊控制得到的权重因子计算最优方向盘转角，使车辆始终