基于車輛動(dòng)力傳動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的換道軌跡優(yōu)化策略

廖鵬，唐鐵橋*

(北京航空航天大學(xué)，a.交通科學(xué)與工程學(xué)院；b.車路協(xié)同與安全控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100191)

0 引言

換道過(guò)程是駕駛員根據(jù)自身的駕駛習(xí)慣，綜合考慮當(dāng)前的交通信息(如換道車輛的位置、速度、加速度，以及換道車輛與周圍車輛的位置差、速度差、加速度差等信息)，駕駛車輛由原始車道行駛到目標(biāo)車道的復(fù)雜過(guò)程[1-2]。換道過(guò)程涉及到的環(huán)境復(fù)雜且交通因素較多，駕駛員通常需要多次修正其運(yùn)行軌跡。因此，換道行為容易影響其周圍車輛的行駛狀態(tài)，并產(chǎn)生交通沖突，從而降低交通系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性和高效性。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，由駕駛員引起的交通事故高達(dá)96.2%，其中由認(rèn)知錯(cuò)誤、決策錯(cuò)誤和操作不當(dāng)引起的事故分別占41%、33%和11%[3]。此外，美國(guó)公路安全管理局指出，換道引發(fā)的交通事故占所有事故的27%，其中駕駛員因素約占93%[4]。

現(xiàn)有換道軌跡研究主要包括換道軌跡規(guī)劃和換道軌跡跟蹤[5]。換道軌跡規(guī)劃是獲得換道軌跡的過(guò)程，保證換道軌跡具有連續(xù)曲率，同時(shí)滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件的約束。換道軌跡跟蹤通過(guò)控制車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)先規(guī)劃的換道軌跡?；谔囟◣缀吻€和優(yōu)化計(jì)算的軌跡規(guī)劃是最常用的軌跡規(guī)劃方法?；谔囟◣缀吻€的軌跡規(guī)劃中，通常采用各種參數(shù)曲線(多項(xiàng)式曲線、圓曲線、貝塞爾曲線等)擬合換道軌跡點(diǎn)。任殿波等[6]基于多項(xiàng)式曲線構(gòu)建了曲率可變的換道軌跡模型，以換道起始時(shí)刻和終止時(shí)刻的車輛狀態(tài)以及換道時(shí)間標(biāo)定多項(xiàng)式系數(shù)。Keller等[7]基于彈性帶理論構(gòu)造能量函數(shù)，以車輛動(dòng)力學(xué)、道路邊界和障礙物為約束，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)換道軌跡規(guī)劃。比較常見(jiàn)的用于軌跡跟蹤的控制算法有：最優(yōu)預(yù)瞄控制、模型預(yù)測(cè)控制等。Park 等[8]考慮預(yù)瞄駕駛員模型，根據(jù)車速進(jìn)行預(yù)瞄距離修正，實(shí)現(xiàn)了車輛轉(zhuǎn)角控制。Golshan 等[9]采用模型預(yù)測(cè)控制算法對(duì)車輛的方向盤轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)避障軌跡的跟蹤控制。上述對(duì)換道軌跡的研究，相對(duì)獨(dú)立地研究換道軌跡規(guī)劃和換道軌跡跟蹤，從而無(wú)法避免兩者之間產(chǎn)生的誤差。隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于車輛動(dòng)力傳動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的換道軌跡優(yōu)化策略，可以通過(guò)優(yōu)化動(dòng)力傳動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制變量來(lái)規(guī)劃并實(shí)現(xiàn)換道軌跡，從而消除上述誤差。

為提出符合駕駛員駕駛習(xí)慣的換道軌跡優(yōu)化策略，本文通過(guò)NGSIM 數(shù)據(jù)獲得駕駛員在換道過(guò)程中的主要駕駛?cè)蝿?wù)，通過(guò)二自由度車輛模型刻畫車輛的縱向和橫向運(yùn)動(dòng)特性，結(jié)合駕駛員對(duì)車輛動(dòng)力傳動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制，構(gòu)建結(jié)合換道軌跡規(guī)劃和跟蹤的換道軌跡優(yōu)化策略，并根據(jù)不同目標(biāo)函數(shù)選取對(duì)應(yīng)的優(yōu)化策略，在保證安全的前提下，實(shí)現(xiàn)換道的經(jīng)濟(jì)性、舒適性和高效性。本文能夠科學(xué)指導(dǎo)換道軌跡的生成，為換道駕駛輔助系統(tǒng)提供理論依據(jù)和方法指導(dǎo)。

1 基于軌跡數(shù)據(jù)的換道任務(wù)

本文所用車輛軌跡數(shù)據(jù)源于NGSIM項(xiàng)目中的US101 公路的換道數(shù)據(jù)[10]。數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2005年6月15日7:50-8:35，采集地點(diǎn)為US-101 公路中全長(zhǎng)為630 m 的路段，其中包括5 個(gè)快車道(1～5 號(hào)車道)和一個(gè)輔道(6 號(hào)車道)，檢測(cè)路段如圖1所示。本文選取該數(shù)據(jù)集中所有換道車輛的縱向和橫向位置、速度和加速度數(shù)據(jù)，分析換道的主要駕駛?cè)蝿?wù)。

圖1 US101公路檢測(cè)路段Fig.1 Inspection section of US101 highway

1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于NGSIM 數(shù)據(jù)并沒(méi)有被過(guò)濾，故存在人為噪聲。為了校正NGSIM 數(shù)據(jù)中的人為噪聲，本文采用對(duì)指數(shù)移動(dòng)平均法[11]對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。具體算法為

1.2 換道軌跡數(shù)據(jù)分析

在換道過(guò)程中駕駛員操控油門和方向盤來(lái)完成換道駕駛?cè)蝿?wù)。在該過(guò)程中，駕駛員對(duì)油門的控制決定了車輛的加速度，而橫向加速度則是由方向盤轉(zhuǎn)角和車輛速度共同決定的。駕駛員執(zhí)行車道保持任務(wù)和換道任務(wù)時(shí)，由于駕駛行為存在差異，導(dǎo)致車輛橫向加速度變化有明顯不同。當(dāng)橫向加速度呈現(xiàn)輕微的正負(fù)波動(dòng)時(shí)，表示駕駛員在執(zhí)行車道保持任務(wù)，這是因?yàn)轳{駛員需要通過(guò)調(diào)整方向盤轉(zhuǎn)角，消除車輛在行駛過(guò)程中產(chǎn)生的橫向位移偏差。當(dāng)橫向加速度的方向在一段時(shí)間內(nèi)保持相對(duì)不變，且車輛在這段時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)車道線的跨越，則可以認(rèn)為該過(guò)程為換道過(guò)程。因此，根據(jù)車道和橫向加速度的變化可以確定換道開始點(diǎn)、車道號(hào)變化點(diǎn)和換道結(jié)束點(diǎn)。換道開始點(diǎn)為車輛跨越車道線前，最近的一個(gè)橫向加速度為0 m·s-2且上一時(shí)刻加速度方向與換道方向不同的點(diǎn)。車道號(hào)變化點(diǎn)可根據(jù)橫向位置進(jìn)行確定。換道結(jié)束點(diǎn)為車輛跨越車道線后，最近的一個(gè)橫向加速度為0 m·s-2且下一時(shí)刻加速度方向與換道方向不同的點(diǎn)。選取換道開始點(diǎn)和換道結(jié)束點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對(duì)比換道前后換道車輛的變化，可以確定換道的主要駕駛?cè)蝿?wù)。

2 基于車輛動(dòng)力傳動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型

駕駛員在換道過(guò)程中的控制體現(xiàn)在實(shí)時(shí)的縱向和橫向位移變化。本節(jié)首先獲得速度變化與動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)控制變量的數(shù)值關(guān)系，再結(jié)合前輪轉(zhuǎn)向輪(前輪)轉(zhuǎn)角，確定實(shí)時(shí)的縱向和橫向位移。

2.1 基于車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的速度控制

內(nèi)燃機(jī)車輛占據(jù)車輛保有量的97.7%，故本文以內(nèi)燃機(jī)車輛的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)為例，求解車輛速度與動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)控制變量的關(guān)系。內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力依次流經(jīng)內(nèi)燃機(jī)、無(wú)級(jí)變速器、其他傳動(dòng)裝置和車輪。充分考慮動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的控制，內(nèi)燃機(jī)車輛的動(dòng)力學(xué)模型為

式中：a0為車輛加速度；u0為車輛速度；t為時(shí)刻；Te為內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)矩；ne為內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速；ηcvt為無(wú)級(jí)變速器速比；ηT為其他傳動(dòng)裝置效率；Fb為制動(dòng)力；v0為車輛速度；M為整車質(zhì)量；g為重力加速度；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；θ為道路坡度；CA為空氣阻力系數(shù)；δ為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)。

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)能夠控制加速度的變化，從而產(chǎn)生速度變化。在此，將速度變化形式簡(jiǎn)化為“加速-勻速-減速”。并且為了提高計(jì)算速度，加速度的變化采用基于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的燃油最優(yōu)的加速、減速和勻速駕駛模式[12-13]。因此，對(duì)加速度的控制，由對(duì)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)矩、內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速和無(wú)級(jí)變速器速比的實(shí)時(shí)優(yōu)化轉(zhuǎn)化為對(duì)加速持續(xù)時(shí)間、勻速持續(xù)時(shí)間和減速持續(xù)時(shí)間的優(yōu)化。于是，可以得到

圖2 加速模式的加速度和燃油消耗量Fig.2 Acceleration and fuel consumption in acceleration mode

圖4 減速模式的加速度和燃油消耗量Fig.4 Acceleration and fuel consumption in deceleration mode

圖3 勻速模式的每米燃油消耗量Fig.3 Per meter fuel consumption in uniform motion mode

2.2 基于車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的位移計(jì)算

采用二自由度車輛模型作為參考模型[14]，求解不同車輛動(dòng)力傳動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制變量下車輛的縱向位移和橫向位移。將前輪作為轉(zhuǎn)角輪，故該模型根據(jù)實(shí)時(shí)的前輪轉(zhuǎn)角和速度變化，可以求出車輛的狀態(tài)變化。其狀態(tài)方程為

式中：β0為質(zhì)心側(cè)偏角；ω0為橫擺角速度；δ0,f為前輪轉(zhuǎn)角；Iz為整車?yán)@鉛垂軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；kf，kr分別為前、后車輪等效側(cè)偏剛度；lf，lr為整車質(zhì)心至前、后軸距離；ulon,0為車輛縱向速度；ψ0為車輛速度與縱向方向的夾角。

在車輛行駛過(guò)程中，車輛在時(shí)間步的運(yùn)動(dòng)可以簡(jiǎn)化為勻速圓周運(yùn)動(dòng)，如圖5所示。因此，結(jié)合二自由度車輛模型，可以獲得車輛由t行駛到t+Δt時(shí)，所產(chǎn)生的縱向位移和橫向位移為

圖5 基于二自由度車輛模型的縱向位移和橫向示意圖Fig.5 Schematic diagram of longitudinal and lateral displacement based on vehicle two-degree-of-freedom vehicle model

式中：Δdlon，0為車輛縱向位移；Δdlat，0為車輛橫向位移。

前輪轉(zhuǎn)角作為二自由度車輛模型的輸入，與方向盤轉(zhuǎn)角成正比，考慮駕駛員的具體操作情況，其變化形式簡(jiǎn)化為“0-增加-不變-減小-不變-增加-0”，并設(shè)其角速度的絕對(duì)值不變。由此將對(duì)前輪轉(zhuǎn)角的優(yōu)化，轉(zhuǎn)化為對(duì)前輪轉(zhuǎn)角的角速度、轉(zhuǎn)角增加持續(xù)時(shí)間、轉(zhuǎn)角不變持續(xù)時(shí)間和轉(zhuǎn)角減小持續(xù)時(shí)間的優(yōu)化。前輪轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式為

3 換道軌跡優(yōu)化策略

換道軌跡的多樣性是由駕駛員對(duì)油門和方向盤的控制變化產(chǎn)生的，實(shí)際上該變化是內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)矩、內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速、無(wú)級(jí)變速器速比和前輪轉(zhuǎn)角的變化。因此，優(yōu)化策略需要根據(jù)換道駕駛?cè)蝿?wù)，求解出動(dòng)力傳動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制變量?；谲囕v動(dòng)力傳動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型分析，將復(fù)雜的過(guò)程控制問(wèn)題，轉(zhuǎn)化為對(duì)加速持續(xù)時(shí)間、勻速持續(xù)時(shí)間、減速持續(xù)時(shí)間、前輪轉(zhuǎn)角的角速度、轉(zhuǎn)角增加持續(xù)時(shí)間、轉(zhuǎn)角不變持續(xù)時(shí)間和轉(zhuǎn)角減小持續(xù)時(shí)間的優(yōu)化問(wèn)題。所提的軌跡優(yōu)化策略應(yīng)該在保證換道安全的前提下，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、舒適和高效的換道過(guò)程。因此該策略的目標(biāo)函數(shù)為

式中：ωEco為經(jīng)濟(jì)權(quán)重系數(shù)；Qlc為換道過(guò)程的燃油消耗量；Δslc為換道過(guò)程的行駛距離；ωCom為舒適權(quán)重系數(shù)；ωEff為高效權(quán)重系數(shù)；Δtlc為換道時(shí)間。

為了求解優(yōu)化策略，需要引入對(duì)應(yīng)的約束條件。選取不同的加速持續(xù)時(shí)間tv,a、勻速持續(xù)時(shí)間tv,u、減速持續(xù)時(shí)間tv,d、前輪轉(zhuǎn)角的角速度k*lc、轉(zhuǎn)角增加持續(xù)時(shí)間tang,a、轉(zhuǎn)角不變持續(xù)時(shí)間tang,u和轉(zhuǎn)角減小持續(xù)時(shí)間tang,d，就能獲得結(jié)合軌跡規(guī)劃和跟蹤的換道軌跡，并計(jì)算出對(duì)應(yīng)的燃油消耗量Qlc，前輪轉(zhuǎn)角的角速度，換道時(shí)間Δtlc。為了保證求解速度，需要對(duì)優(yōu)化變量進(jìn)行取值約束，即

式中：tmax為最大持續(xù)時(shí)間；為最大的轉(zhuǎn)向輪角速度。

為了保證動(dòng)力傳動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全運(yùn)行，還需引入對(duì)應(yīng)的安全約束，即

同時(shí)為了保證所提軌跡能夠完成換道駕駛?cè)蝿?wù)，需要引入對(duì)應(yīng)的換道任務(wù)約束，即

式中：u0,min為最小車輛速度；u0,max為最大車輛速度；δ0,f,min為最小前輪轉(zhuǎn)角；δ0,f,max為最大前輪轉(zhuǎn)角；為第ntask個(gè)換道駕駛?cè)蝿?wù)的最小期望值；為第ntask個(gè)換道駕駛?cè)蝿?wù)的最大期望值；為第ntask個(gè)換道駕駛?cè)蝿?wù)的完成值。

通過(guò)確定的換道駕駛?cè)蝿?wù)以及優(yōu)化變量的不同取值，可以確定采用的加速度和采用的前輪轉(zhuǎn)角的角速度。再結(jié)合約束條件，就可以根據(jù)目標(biāo)函數(shù)，選取最優(yōu)的換道軌跡。

4 結(jié)果與分析

4.1 基于NGSIM數(shù)據(jù)的換道駕駛?cè)蝿?wù)

選取NGSIM 數(shù)據(jù)集中US-101 公路的所有換道數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算相關(guān)參數(shù)如表1所示。經(jīng)過(guò)處理后，得到換道車輛及其周圍車輛的位置數(shù)據(jù)，同時(shí)確定了換道車輛的換道開始點(diǎn)、車道號(hào)變化點(diǎn)和換道結(jié)束點(diǎn)。圖2 為第12 輛車和周圍車輛的軌跡，以及識(shí)別出的換道開始點(diǎn)、車道號(hào)變化點(diǎn)和換道結(jié)束點(diǎn)。由此說(shuō)明所提的數(shù)據(jù)預(yù)處理能夠很好地識(shí)別出換道軌跡及其關(guān)鍵點(diǎn)。

表1 計(jì)算相關(guān)參數(shù)Table 1 Calculation-relevant parameters

圖6 第12輛車及其周圍車輛的軌跡Fig.6 Trajectories of the 12th vehicle and its surrounding vehicles

通過(guò)對(duì)比換道車輛換道前后的差異，能夠確定主要的換道駕駛?cè)蝿?wù)。分別統(tǒng)計(jì)了換道時(shí)間、縱向位移、橫向位移、縱向速度、橫向速度、合位移和合速度這7個(gè)指標(biāo)，得到它們的最大值、上四分位數(shù)、中位數(shù)、下四分位數(shù)、最小值和平均值，結(jié)果如表2所示。從這些統(tǒng)計(jì)值可以發(fā)現(xiàn)，主要換道任務(wù)是在一定時(shí)間內(nèi)完成特定的位移以及速度變化，其中車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化取決于車輛的縱向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化，即合位移和合速度的變化與縱向位移和縱向速度的變化保持高度一致。通過(guò)對(duì)換道駕駛?cè)蝿?wù)的統(tǒng)計(jì)分析，充分考慮車輛所處的道路環(huán)境，以駕駛?cè)蝿?wù)的最小值和最大值作為對(duì)應(yīng)換道駕駛?cè)蝿?wù)的最小和最大期望值。

表2 NGSIM數(shù)據(jù)的換道前后差異Table 2 Difference before and after lane-changing from NGSIM data

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提駕駛?cè)蝿?wù)的準(zhǔn)確度，本文采用部分highD 數(shù)據(jù)[15]對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，得到的結(jié)果如表3所示。由于NGSIM 數(shù)據(jù)集和highD 數(shù)據(jù)集的換道平均速度分別為11.23 m·s-1和36.09 m·s-1，平均速度增大了221.37%，充分考慮到兩個(gè)數(shù)據(jù)集的速度差異以及指標(biāo)的多樣性，本文對(duì)比兩類數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)指標(biāo)占比，并按NGSIM 數(shù)據(jù)占比從小到大展示結(jié)果，如圖7所示。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，雖然兩類數(shù)據(jù)之間存在差異，但換道過(guò)程中都存在位移和速度的變化，并且車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化依舊取決于車輛的縱向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化。因此，期望換道駕駛?cè)蝿?wù)的邊界條件確定，應(yīng)該充分考慮道路條件的變化。

圖7 NGSIM數(shù)據(jù)和highD數(shù)據(jù)的換道前后差異對(duì)比Fig.7 Comparison of differences between NGSIM data and highD data before and after lane-changing

表3 highD數(shù)據(jù)的換道前后差異Table 3 Difference before and after lane-changing from highD data

4.2 原始軌跡與換道軌跡優(yōu)化策略的性能對(duì)比

同樣的以第12 輛車為例，仿真適用于該車的經(jīng)濟(jì)、舒適和高效的換道軌跡，并與實(shí)際軌跡進(jìn)行對(duì)比。目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)依次設(shè)為和，用以求解經(jīng)濟(jì)、舒適和高效的換道軌跡。第12輛車的換道駕駛?cè)蝿?wù)為在5.7 s內(nèi)完成99.05 m的縱向位移，-2.73 m的橫向位移，速度由18.33 m·s-1增加到18.79 m·s-1。為了更好地探究所提策略的性能，將第12 輛車的縱向位移和所需時(shí)間設(shè)為對(duì)應(yīng)的最大期望換道駕駛?cè)蝿?wù)，同時(shí)將最小期望換道駕駛?cè)蝿?wù)設(shè)為0；將橫向位移和速度變化的最小和最大期望換道駕駛?cè)蝿?wù)分別設(shè)為第12 輛車的橫向位移和橫向速度變化的90%和110%。

圖8 為原始換道軌跡與換道軌跡優(yōu)化策略的縱向和橫向位移對(duì)比，從中可以看出，經(jīng)濟(jì)軌跡與舒適軌跡高度重合，軌跡曲線完全重疊在了一起。它們充分利用了縱向空間來(lái)保證軌跡平緩，而高效軌跡則在較短的縱向位移內(nèi)完成了換道過(guò)程。

圖8 原始換道軌跡與換道軌跡優(yōu)化策略的縱向和橫向位移Fig.8 Longitudinal and lateral displacement of original lanechanging trajectory and lane-changing trajectory optimization strategy

圖9 分別為各個(gè)軌跡的速度和加速度隨時(shí)間的變化。值得注意的是，經(jīng)濟(jì)軌跡、舒適軌跡和高效軌跡相互重疊。所提策略具有較為平滑的變化，而原始軌跡則具有較為頻繁的波動(dòng)，這個(gè)差異是由加速度和前輪轉(zhuǎn)角的角速度變化形式所決定的。結(jié)合表4可知，經(jīng)濟(jì)軌跡擁有最低的單位路程消耗燃油量，與高效軌跡的單位路程消耗燃油量相比，降低了35.71%。舒適軌跡的前輪轉(zhuǎn)角的角速度達(dá)到了最小值，與經(jīng)濟(jì)和高效軌跡前輪轉(zhuǎn)角的角速度相比，分別降低了79.31%和94.58%。高效軌跡所需時(shí)間達(dá)到了最小值，與原始、經(jīng)濟(jì)和舒適軌跡的所需時(shí)間相比，分別下降了70%，68.36%和64.93%。這說(shuō)明所提的換道軌跡優(yōu)化策略有廣闊的選擇空間，因?yàn)橥ㄟ^(guò)改變目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)能夠?qū)挝宦烦滔娜加停拜嗈D(zhuǎn)角的角速度和所需時(shí)間進(jìn)行進(jìn)一步協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)不同的軌跡性能，以滿足不同的駕駛需求。

圖9 原始換道軌跡與換道軌跡優(yōu)化策略的速度和加速度隨時(shí)間的變化Fig.9 Variation of velocity and acceleration with time of original lane-changing trajectory and lane-changing trajectory optimization strategy

表4 原始軌跡與策略性能對(duì)比Table 4 Comparison between original trajectory and strategy performance

5 結(jié)論

本文通過(guò)NGSIM數(shù)據(jù)獲得換道的主要駕駛?cè)蝿?wù)。基于車輛動(dòng)力傳動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，探究了車輛速度與動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)控制變量的數(shù)值關(guān)系，同時(shí)獲得了車輛縱向和橫向位移與動(dòng)力傳動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制變量的數(shù)值關(guān)系。結(jié)合換道軌跡規(guī)劃與跟蹤，構(gòu)建了換道軌跡的優(yōu)化策略。結(jié)果表明，所提經(jīng)濟(jì)軌跡可以降低35.71%的單位路程燃油消耗，所提舒適軌跡能夠降低94.58%的前輪轉(zhuǎn)角的角速度，所提高效軌跡能夠降低70%的換道所需時(shí)間。這說(shuō)明所提優(yōu)化策略有很大的應(yīng)用潛力，并且通過(guò)調(diào)整優(yōu)化策略的目標(biāo)函數(shù)，能夠找到滿足駕駛需求的換道軌跡。基于車輛動(dòng)力傳動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的換道軌跡優(yōu)化策略，不僅能夠?yàn)轳{駛員提供加速度和前輪轉(zhuǎn)角的控制指示信息，而且能夠通過(guò)控制動(dòng)力傳動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)直接實(shí)現(xiàn)換道軌跡，從而消除軌跡規(guī)劃與跟蹤之間的誤差。此優(yōu)化策略豐富了換道軌跡的多樣性，能夠促進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)的發(fā)展。在今后的研究中，將基于更詳實(shí)的數(shù)據(jù)，探究駕駛員的換道偏好，并以此標(biāo)定優(yōu)化策略中的權(quán)重系數(shù)。同時(shí)，搭建合適的場(chǎng)景對(duì)策略進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)一步提高策略的性能。