变曲率弯路车辆换道虚拟轨迹模型.pdf

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 7 (2014) 078902 变曲率弯路车辆换道虚拟轨迹模型 任殿波 张京明 王聪 (哈尔滨工业大学汽车工程学院, 威海 264209) ( 2013 年9 月1 日收到; 2013 年12 月26 日收到修改稿) 研究自动化公路系统车辆换道虚拟轨迹规划方法, 建立基于奇次多项式的变曲率弯路换道轨迹模型. 假 设车辆起始车道和目标车道具有相同的瞬时中心, 把车辆在弯曲路段换道时的运动分解为向道路瞬心的直线 运动和绕道路瞬心的圆周转动. 假设向心运动位移和转动角位移满足奇次多项式约束, 由换道时间、位置要求 以及车辆在换道开始时刻和结束时刻的期望状态确定两种运动满足的边界条件, 利用边界条件确定多项式系 数. 根据向心运动位移和转动角位移多项式模型, 建立换道虚拟轨迹数学模型. 与现有弯路换道轨迹规划方 法相比, 取消道路曲率为常数的假定, 得到的换道轨迹模型更具一般性. 仿真结果验证了文中提出的变曲率 弯路换到轨迹规划方法的可行性. 关键词: 车辆换道, 轨迹规划, 变曲率弯路, 奇次多项式 PACS: 89.40.–a, 07.05.Dz DOI: 10.7498/aps.63.078902 实路径的磁钉导航方式相比有更大灵活性. 本文讨 1 引 言 论的换道属于后一种方式. 虚拟换道轨迹的规划方 法有多种, 如假设换道轨迹满足圆弧或余弦约束, 自动化公路系统1 (automated highway sys- 把侧向加速度设定为大小相等的正反梯形等7 , 另 tems, AHS) 是智能交通系统的重要分支, 是指采用 8 外还可基于贝赛尔曲线规划换道轨迹 , 但采用该 先进的信息、控制技术装备公路和车辆, 通过车路 种方法, 在有障碍物路况下曲线控制点难于选取; 通信和车间通信, 达到自动调节车辆行驶方向、速 文献[9] 研究一种基于多项式的快速车辆换道轨迹 度以及车间距离, 实现智能车辆在智能公路上的无 规划算法, 提高了轨迹规划的实时性. 由于实际的 人驾驶, 可简单概括为智能车-智能路. 实现车辆无 车辆间纵横向运动相互干扰10 , 文献[11] 设计考 人驾驶的关键是对车辆自动控制系统的研究、设计 虑实施过程的换道模型, 并对不同车道数的道路交 和开发. 按控制目的可把车辆自动控制分为纵向控 通流进行模拟; 文献[12] 考虑驾驶员对匝口位置敏 制和横向控制. 感程度, 设计了随行驶目的、位置变化的换道规则 车辆换道23 属于车辆横向控制的研究内容, 和换道概率; 文献[13] 建立多车道元胞自动机模型, 指车辆从一条车道沿期望换道轨迹进入另一条车 考虑在应急车辆存在情况下修改换道规则; 文献 道的过程. 文献[4] 把换道方式分为磁钉导航方式 [14] 研究车辆换道过程对交通流稳定性的影响. 和自由换道方式. 磁钉导航方式是指通过控制车 上述文献研究的车辆换道行为, 假定车辆在直 辆沿铺设磁钉的路径行驶来实现换道行为, 如文献 线道路上行驶. 在直路上, 起始车道和目的车道曲 [5]; 自由换道方式是按照换道需求首先在两车道之