CN102768807A - 模拟导弹制导的车辆路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟导弹制导的车辆路径规划方法。本发明模拟导弹制导使导弹在运行过程中需克服地心引力、空气阻力等问题的原理及方法，主要解决车辆在行驶中避开拥堵路段(节约出行时间)的路径规划问题。该方法有全局式和步进式两种方式，两种方式各具优点。步进式方法侧重实现单车路径规划目标，全局式方法同时兼顾单车路径规划目标和系统优化目标。模拟导弹制导的车辆路径规划方法通过改进也可用于解决要求避开拥堵路段(节约出行时间)且节约出行距离的路径规划问题。该方法是动态的路径规划方法，在车辆行驶中可以更改单车路径规划目标。与其他方法相比，该方法适于城市智能交通的路径规划，使应用车辆避开拥堵路段。

Description

模拟导弹制导的车辆路径规划方法

所属技术领域

本发明属于计算机应用技术领域，涉及车辆路径规划，具体的说是利用计算机软件模拟导弹制导的车辆路径规划方法，用于城市智能交通的路径规划。

背景技术

随着城市交通拥堵的日益严重，驾驶员对路径规划避开拥堵路段(节约出行时间)的呼声越来越高。解决车辆在行驶中避开拥堵路段(节约出行时间)的路径规划问题，不仅能够满足单车路径规划目标，还利于交通系统优化。即，使单车避开拥堵路段，同时使系统各拥堵路段车流量降低。

多数驾驶员的出行需求分为：出行时间最短、出行距离最短或出行时间和距离均较短。同一驾驶员每次的出行需求均不可预知，且随着交通状况的变化，在车辆行驶的过程中，驾驶员的出行需求也会发生变化。如何使路径规划更加符合驾驶员的出行需求，根据驾驶员的出行需求的变化改变路径规划的目标，是大幅提高交通诱导接受率的关键。

城市交通拥堵状况是动态，目前常用的动态路径规划方面算法有：改进A*算法，改进Dijkstra算法，遗传算法等。这些算法各有优势，但多数都以出行距离最短为路径规划目标，不能解决路径规划避开拥堵路段的问题。同时，这些算法缺乏灵活度，路径规划目标不能中途改变，不利于交通诱导。

发明内容

本发明的目的在于克服已有方法的不足，提出一种模拟导弹制导的车辆路径规划的方法，以达到车辆避开拥堵路段(节约出行时间)的目标。通过改进该方法也可用于解决要求避开拥堵路段(节约出行时间)且节约出行距离的路径规划问题，解决车辆在行驶中更改单车路径规划目标的路径规划问题。

实现本发明目的的技术方案是：

首先，导弹制导问题的产生根本原因在于导弹在运行过程中需克服地心引力、空气阻力等问题。导弹制导问题与车辆路径规划问题异曲同工，两者均以到达终点为最终目标；运行过程中均需克服一定阻力或影响因素。本发明模拟导弹制导进行车辆路径规划的主要目的是在单车路径规划时克服交通拥堵路段的影响。因此，该方法主要用于解决车辆在行驶中避开拥堵路段(节约出行时间)的路径规划问题，改进后也适用于解决车辆避开拥堵路段(节约出行时间)且节约出行距离的路径规划问题。

其次，以出行距离最短为目标的路径规划问题是模拟导弹制导的车辆路径规划方法不考虑拥堵问题的一个特例。

再次，模拟导弹制导的车辆路径规划的方法有全局式和步进式两种方式。全局式指在车辆的运行过程中，始终以车辆所在的路段起点为起点，路径规划的终点为目标，不断的进行路径。步进式指在车辆的运行过程中，以车辆所在的路段起点为起点，下一路段的终点为目标，每当车辆进入新的路段时才进行路径规划。

最后，模拟导弹制导的车辆路径规划方法是一种动态路径规划方法，在每次路径规划时，根据当时的单车路径规划目标选择具体的路径规划方法。本发明适于解决车辆在行驶中更改单车路径规划目标的路径规划问题。

根据本发明的目的及技术方案，模拟导弹制导的车辆路径规划的方法分为：1.全局式避开拥堵路段方法，2.全局式避开拥堵路段且节约出行距离方法，3.节约出行距离方法(特例)，4.步进式避开拥堵路段方法，5.步进式避开拥堵路段且节约出行距离方法，及6.基于以上方法的动态目标更改方法(用于车辆在行驶中更改单车路径规划目标和路径规划方式的路径规划)。

为了避免累述，根据各方法的步骤顺序，将方法1-6按照全局式和步进式进行分类表述。1-3为全局式方法，4、5为步进式方法，方法6步骤单独表述。

全局式方法的具体步骤如下：

(1)模拟航迹规划的初步路径规划。实质上是求解理想路径生成点，是建立理想路径是模拟制导算法的第一步。求解理想路径生成点的目的是根据交通系统的车流量和拥堵状况，实时的表征系统中的各畅通点。

(1a)建立坐标系，通常以城市中心为原点，经纬方向为坐标轴方向。根据实际位置，将每个城市道路交叉口在城市交通坐标系中标出，同时标出通过每个城市道路交叉口的各相交通灯信号配时，并使实际的交叉口和各路段车流量数据与这些点实时对应。

(1b)对单一车辆进行理想路径规划时，将车辆所处路段的起点和目标终点在坐标系中进行实时标注。根据车辆所处路段的起点和目标终点的横坐标值，将两者之间的区域划分出来，作为初步路径规划区域。

(1c)考虑初步路径区域内所有交叉口及路段拥堵状况对这一路径规划的影响，结合模拟航迹轨迹的方法，得出类似于航路点的路径点。得到的理想路径生成点在区域内距离拥堵路段及交叉口远，距离畅通路段及交叉口近。

模拟航迹规划的初步路径规划体现了方法的全局式，1-2方法在步骤(1)上相同。方法3省略步骤(1)。

(2)模拟导引律的理想路径规划。通过车辆到达终点的运动方程判断理想路径生成点是否符合路径规划要求和实际交通要求。连接由车辆所在的路段起点至终点的所有符合要求的生成点作为理想路径。

(2a)模拟导引律建立车辆到达终点的运动方程。

(2b)判断理想路径生成点是否符合路径规划要求和实际交通要求。

制导中的导引律反映了角度关系应符合的规律，以达到不脱靶，导弹动力性能稳定及运行曲线光滑等目标。实际的交通环境中，路网是固定的，不可能保证车辆行驶曲线光滑或速度、动力性能稳定。唯一必要实现的目标是角度关系和生成点位置符合路径规划的区域范围。在交通系统环境中，尤其是针对避开拥堵路段的路径规划方法，如不考虑路径范围的要求会导致给出的路径规划过长和过度绕远问题。使驾驶员不能接受交通诱导，降低诱导的接受率，不能达到诱导的目的。

在实际交通环境中，路径规划的范围根据驾驶员要求有所区别。路径规划的范围可以是以起点和终点连线为对角线的正方形区域，也可以是以起点和终点连线为直径的圆形区域，还可以是以起点和终点连线为中线的正方形区域。

根据路径规划的范围确定角度关系和生成点位置的取值范围。当路径生成点符合取值范围要求时，认为路径生成点符合路径规划范围要求，否则不符合要求。

实际交通要求主要指路段及交叉口限速。当路径生成点符合速度范围要求时，认为路径生成点符合实际交通要求要求，否则不符合要求。

(2c)按照横坐标轴由小至大方向，连接由车辆所在的路段起点至终点的所有符合要求的生成点作为理想路径。

模拟导引律的理想路径规划是避开拥堵路段的路径规划方法的关键，以上是方法1的步骤。方法3是不考虑避开拥堵路段，仅需节约出行距离的路径规划方法，是全局式方法的特例，即认为交通系统中所有路段的拥堵状况相同，所有交叉口的拥堵状况相同，且拥堵状况保持不变。在这一步骤中，方法3的理想路径始终为连接路径规划起点和终点的直线。方法2即需避开拥堵路段，又需节约出行距离，理想路径有两条，分别为方法1和方法3的理想路径。

(3)实际路径规划。以理想路径为中心，向纵坐标方向等幅度逐步搜索，直至搜索出符合路径规划目标的实际路径。具体的选择标准分别为：

方法1以避开拥堵路段为路径规划目标。进行实际路径规划时，以理想路径为标准，选择与方法1的理想路径所围的面积最小的，以车辆所在的路段起点至终点的，实际路径作为实际路径规划。

方法3以节约出行距离为路径规划目标。进行实际路径规划时，以理想路径为标准，选择与方法3的理想路径所围的面积最小的，以车辆所在的路段起点至终点的，实际路径作为实际路径规划。

方法2以避开拥堵路段且节约出行距离为路径规划目标。以两条理想路径为中心，向纵坐标方向等幅度逐步搜索，理想搜索区域为两条理想路径搜索区域的重叠区域。对理想搜索区域内的各路径进行实际路径规划，分别以两条理想路径为标准，选择与理想路径所围的面积最小的，以车辆所在的路段起点至终点的，实际路径。如两条实际路径相同，则该实际路径作为实际路径规划；如两条实际路径不相同，等幅度扩大两条理想路径的搜索范围，分别搜索出与理想路径所围的面积第二小的两条实际路径；再次判断，如以上四条实际路径中有相同的，则该实际路径作为实际路径规划；否则，再次扩大搜索范围；重复以上步骤，直至得到实际路径规划为止。

步进式方法的具体步骤如下：

(1)模拟导引律的初步路径规划。目标是每当车辆进入新的路段时进行下一步路径规划，以车辆所在的路段起点为起点，通过车辆到达终点的运动方程判断与车辆所处路段连接的下一路段交叉口点是否符合路径规划要求和实际交通要求。去掉不符合要求的交叉口点。所有符合要求的交叉口点代表相应的与车辆所处路段连接的下一路段，这些路段用于下一步的理想路径规划。

(1a)建立坐标系，与前文全局式方法的具体步骤中(1a)的坐标系相同。

(1b)模拟导引律建立车辆到达终点的运动方程。

(1c)判断与车辆所处路段连接的下一路段交叉口点是否符合路径规划要求和实际交通要求。

路径规划要求与前文全局式方法的具体步骤中(2b)的路径规划要求相同。实际交通要求是指车辆运行速度符合下一路段限速要求。

根据路径规划的范围和下一路段限速要求确定角度关系和生成点位置的取值范围。当下一路段交叉口点符合取值范围要求时，认为下一路段交叉口点符合要求，否则不符合要求。

(1d)去掉不符合要求的交叉口点。所有符合要求的交叉口点代表相应的与车辆所处路段连接的下一路段，这些路段用于下一步的理想路径规划。

模拟导引律的初步路径规划是避开拥堵路段的路径规划方法的第一步，方法4、5在这一步骤上相同。

(2)模拟航迹规划的理想路径规划，根据上一步骤留下的符合要求的交叉口点的车流量和拥堵状况，实时的表征系统中的各畅通点，求解理想路径生成点。连接车辆所在的路段的终点和该生成点作为理想路径。

(2a)对单一车辆进行理想路径规划时，将车辆所处路段的起点和目标终点在坐标系中进行实时标注。根据步骤(1)，包含所有符合条件的与车辆所处路段连接的下一路段交叉口的横坐标值区域，作为初步路径规划区域。

(2b)考虑该初步路径区域内所有交叉口对这一路径规划的影响，结合模拟航迹规划的方法，得出类似于航路点的路径点。得到的理想路径生成点在下一路段区域内距离拥堵路段和交叉口远，距离畅通路段和交叉口近。

(2c)连接车辆所在的路段的终点和理想路径生成点作为理想路径。

模拟航迹规划的理想路径规划是避开拥堵路段的路径规划方法的关键，方法4、5在这一步骤上相同。

(3)实际路径规划。进行实际单车路径规划时，车辆在所处路段时先选择车速最快的车道，再根据步骤(2)得出的理想路径选择符合路径规划目标的下一段路径，选择后，车辆在允许改道的路段处进行改道，至选择的下一路段。具体的选择标准分别为：

方法4以避开拥堵路段为路径规划目标。进行实际路径规划时，以理想路径为标准，选择与方法4的理想路径拟合度最高的，以车辆所在的路段终点至下一路段终点的，实际路径作为实际路径规划。

方法5以避开拥堵路段且节约出行距离为路径规划目标。进行实际路径规划时，从步骤(1)得出的所有符合条件的路径中进行选择。针对两条理想路径进行选择。一条理想路径为与方法4相同的理想路径，称为避开拥堵路段理想路径；另一条理想路径为车辆所处路段终点与车辆最终目的地的连线，称为节约距离理想路径。首选与避开拥堵路段理想路径拟合度最高且与节约距离理想路径拟合度最高的实际路径。其次，选择与避开拥堵路段理想路径拟合度较高或与节约距离理想路径拟合度较高的实际路径。再次，不考虑与节约距离理想路径拟合度，选择与避开拥堵路段理想路径拟合度较高的实际路径，原因是选择与避开拥堵路段理想路径拟合度较高的实际路径能够避免车辆拥堵，利于交通系统优化，且在城市交通中驾驶员通常对时间要求较高。

方法6.是用于车辆在行驶中更改单车路径规划目标的路径规划。根据以上所述的方法1-5的步骤，当车辆在行驶中更改单车路径规划目标和路径规划方式时，根据转换要求，路径规划可以随时进行方法转换。转换后，按照各方法对应的步骤进行路径规划。

本发明的与现有方法相比的优点是：

1.使车辆避开拥堵路段(节约出行时间)

本发明模拟导弹制导进行车辆路径规划，使车辆避开拥堵路段(相当于导弹克服重力及空气阻力)，达到路径规划的目标。城市中使用该方法的车辆越多，避开拥堵路段的车辆越多，进而使原来拥堵的路段不在拥堵，利于交通系统车流量分配的优化。

2.通过改进适用于各类路径规划目标

城市中多数驾驶员的出行需求分为：出行时间段、出行距离短、出行时间和距离均较短。本发明以达到车辆避开拥堵路段(节约出行时间)的目标。通过改进该方法也可用于解决要求避开拥堵路段(节约出行时间)且节约出行距离的路径规划问题。同时节约出行距离的路径规划方法是本发明的一个特例。因此，本发明满足多数驾驶员的出行需求，能够大幅提高城市交通诱导的接受率，利于交通管控。

3.解决车辆在行驶中更改单车路径规划目标的路径规划问题

实际的交通状况中，驾驶员对路径规划的要求是可能发生改变的。目前的路径规划方法只针对一种路径规划目标，缺乏灵活性。由于本发明通过改进适用于各类路径规划目标，本发明适用于解决车辆在行驶中更改单车路径规划目标的路径规划问题。驾驶员通过指令可随时改变其出行需求，终点，甚至路径规划方式。本发明适用于人机交互。

4.两种路径规划方式各有优点

本发明有两种路径规划方式：全局式和步进式。两种路径规划方式各有优点，全局式方法在算法上以全局最优为目标，利于交通系统优化。步进式方法在算法上以每一路段最优为目标，根据交通系统状态的实时性，利于单车路径规划目标。根据交通状况和路程长短选择路径规划方式：在车辆行驶的时间内，交通系统交通状况变化较大，选择步进式方法；否则，选择全局式方法。

5.协调系统优化目标和路径规划目标

系统优化目标是实现交通系统最优，通过优化交通流分配，提高交通网整体通行能力，降低总体延误时间。路径规划目标是满足用户需求，即选择最短路径或节约用户出行时间等。系统优化目标和路径规划目标，经常产生冲突。为更好的解决冲突问题，本发明对单个车辆理想路径规划引入导弹制导方法。单一车辆理想路径规划同时系统优化目标和路径规划目标，在解决交通系统交通流分配问题前提下，减少用户出行时间，缩短用户路径，起到预防和舒缓交通拥挤和堵塞的作用。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明的原理图。

图2是模拟航迹轨迹的方法得出生成路径点原理图。

图3是车辆到达终点的运动方程原理图。

图4是步进式方法的初步路径规划区域示意图。

图5是路径规划的区域范围。

图6是全局式避开拥堵路段方法的实际路径规划示意图。

图7是节约出行距离方法的实际路径规划示意图。

图8是全局式避开拥堵路段且节约出行距离方法的实际路径规划示意图。

图9是步进式避开拥堵路段方法的实际路径规划示意图。

图10是步进式避开拥堵路段且节约出行距离方法的实际路径规划示意图。

图11是仿真交通网图。

图12是全局式避开拥堵路段方法的仿真结果图。

图13是全局式避开拥堵路段且节约出行距离方法的仿真结果图。

图14是节约出行距离方法的仿真结果图。

图15是步进式避开拥堵路段方法的仿真结果图。

图16是步进式避开拥堵路段且节约出行距离方法的仿真结果图。

图17是基于以上方法的动态目标更改方法的仿真结果图。

具体实施方式

参照图1，本发明的原理如下：首先说明单一车辆理想路径的概念。单一车辆理想路径是指不考虑实际交通网约束，根据交通系统交通流状态得出的车辆理想路径，使车辆满足出行要求，达到避开拥堵路段和降低运行时间的目标。

单一车辆理想路径的与导弹制导问题的共性是：

(1)单一车辆理想路径规划不受实际交通道路的限制，有利于同时满足多个目标(系统优化目标和用户需求目标)。在空间环境中，导弹制导受限较少，更有利于同时达到多个目标要求。

(2)导弹制导的目的是克服各种阻力并攻击目标，即以到达目标点为任务目标。导弹制导问题的产生根本原因在于导弹在运行过程中需克服地心引力、空气阻力等问题。而本文中引入单一车辆理想路径概念的目的是解决交通信号控制和交通诱导间的冲突问题，要想解决这一问题需在单车路径规划时克服交通拥堵路段的影响。

综上所述，导弹制导问题与单一车辆理想路径规划问题异曲同工，两者均以到达终点为最终目标；运行过程中均需克服一定阻力或影响因素；均能够同时满足多个目标。采用模拟导弹制导的方法能够得出单一车辆理想路径。

通过导弹制导方法得到单一车辆理想路径后，在单车理想路径基础上再结合实际城市交通结构和要求，根据路径规划目标和范围得到具体的单车实际路径。

图1中，假设a点、b点、e点和f点为车流量大的城市道路交叉口，c点、d点和g点为车流量小的城市道路交叉口，与a点、b点、e点和f点连接的路段车流量也较大，其他路段车流量较小。从路径起点A到路径终点B的理想路径为两者间的曲线。理想路径曲线避开车流量大的交叉口和路段，即避开拥堵路段。在所有实际路径中，与理想路径拟合度最好的为路径AdcB，符合避开拥堵路段(节约出行时间)的路径规划目标。距离最短路径为AgeB，符合节约出行距离的路径规划目标。路径AgcB为符合避开拥堵路段(节约出行时间)且节约出行距离的实际路径。

图2是模拟航迹轨迹的方法得出生成路径点原理图。模拟航迹轨迹的方法得出生成路径点用于全局式方法的具体步骤中的(1c)和步进式方法的具体步骤中的(2b)。

生成路径点的基本原理为：在路径规划中，路径规划终点z坐标不变，记为(x_z，y_z)。

如图2所示，除去路径起点和终点，按照横坐标值从小到大的顺序对各交叉口重新进行标号。按照编号顺序，搜索所有与各交叉口横坐标值相同的其他交叉路口及各路段中的点。搜索到所有横坐标值相同的点为一个集合。需要说明的是，为了进行路径规划，认为相同路段不同车道为不同集合点，进行独立计算。集合F中的点记为fe，e＝1，2，…n，各点对应的拥堵程度m_fe，与时间成正比的函数。当fe点位于路段ij通向交叉口k的车道上或交叉口j时，

$m_{\mathrm{fe}}=\frac{m_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{jk}}{T}_j+l_{\mathrm{ij}}^k/v_{\mathrm{ij}}^k}{l_{\mathrm{ij}}^k}$

为通过路段ij驶向路段jk的交叉口j拥堵程度，T_j为交叉口j的信号周期，

为路段ij驶向交叉口k车道的车辆行驶路段长度，

为路段ij驶向交叉口k车道的交通速度。

集合中每一点的坐标，记为(x_f，y_fe)。生成路径点f的横坐标与这些点相同，记为x_j；纵坐标y_f(t)为：

$y_f\left(t\right)=\frac{\underset{e=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{m}_{\mathrm{fe}}{y}_{\mathrm{fe}}}{\underset{e=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{m}_{\mathrm{fe}}},f=\mathrm{1,2},...,n$

生成点理想拥堵程度m_f：

$m_f=\frac{\underset{e=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{m}_{\mathrm{fe}}{y}_{\mathrm{fe}}}{\underset{e=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{fe}}},f=\mathrm{1,2},...,n$

图3是车辆到达终点的运动方程原理图。车辆到达终点的运动方程用于全局式方法的具体步骤中的(2a)和步进式方法的具体步骤中的(1b)。

如图3所示，坐标系oxy为城市交通坐标系，终点z为不动点(相当于导弹攻击固定目标)。假设在车辆运行的过程中，某一时刻车辆位于生成点ij，车辆行驶速度为v_f。R_f1(t)为该时刻车辆与终点z之间的距离。

$R_f\left(t\right)=\sqrt{{(x_z-x_f)}^2+{(y_z-y_f\left(t\right))}^2}$

θ为车辆的速度矢量与ox轴的夹角，φ为车辆和终点连线与ox轴的夹角，β为车辆的速度矢量与车辆和终点连线的夹角。

建立车辆到达终点的运动方程：

dR_f(t)/dt＝-v_fcosβ

g′(x_f)＝bm_f＝-v_fsinθ/t＝-v_fdθ/dt

g′(x_f)项在路径规划中的作用相当于制导中导弹所受的引力加速度，与生成点理想拥堵程度m_f成正比。在制导中，v_f起到克服阻力的作用。在路径规划中，v_f起到避免拥堵的作用。

角度间的几何关系方程：

φ＝β+θ

$\tan \mathrm{\φ}=\frac{y_z-y_f\left(t\right)}{x_z-x_f}$

将车辆到达终点的运动方程和角度间的几何关系方程结合建立导引方程组。解出v_f，φ，θ，β。v_f应符合交通限速要求。φ，θ，β关系应符合路径规划范围要求。

图4是步进式方法的理想路径范围示意图。步进式方法的理想路径范围的确定用于步进式方法的具体步骤中的(2a)。

如图4，步进式路径规划时，当车辆处于ij路段的某车道上时，进行下一步路径规划。下一步路径规划的理想路径横坐标范围是包含除i以外的所有与j连接的交叉口的横坐标区域，记为[x_f1，x_u1]。

图5是路径规划的区域范围。路径规划的区域范围用于全局式方法的具体步骤中的(2b)和步进式方法的具体步骤中的(1c)。

如图5，假设生成的路径点为f，假设j点为路径规划的起点，z点为路径规划终点。在实际交通环境中，路径规划的范围根据驾驶员要求有所区别。路径规划的范围可以是以j点和z点连线为对角线的正方形区域，也可以是以j点和z点连线为直径的圆形区域，还可以是以j点和z点连线为中线的正方形区域。根据路径规划的范围确定角度关系和生成点位置的取值范围。当路径生成点符合取值范围要求时，认为路径生成点符合路径规划范围要求，否则不符合要求。

当路径规划的范围是以j点和z点连线为对角线的正方形区域时，角度取值范围是：

其中α₁为生成的路径点f与交叉口j的连线和j点与z点连线的夹角，α₂为生成的路径点f与交叉口z的连线和z点与j点连线的夹角。

当路径规划的范围是以j点和z点连线为直径的圆形区域时，角度取值范围是：

α₁+α₂＜90°

当路径规划的范围是以j点和z点连线为中线的正方形区域时，角度取值范围是：

其中D_jz为f点到j点和z点连线的距离，L_jz为j点和z点连线的距离。

为符合大多数驾驶员的要求，在后文的仿真中选择圆形区域作为路径规划的范围。

图6是全局式避开拥堵路段方法的实际路径规划示意图。用于全局式方法的具体步骤中的(3)。

如图6，A点为路径规划起点，B点为路径规划终点。根据各交叉口和路段的车流量，全局式避开拥堵路段方法的理想路径为从A点到B点的实曲线。以理想路径为中心，向纵坐标方向等幅度逐步搜索的搜索区域为图中两条点划曲线间的区域。与理想路径拟合度最好的为路径AdcB，符合避开拥堵路段(节约出行时间)的路径规划目标，是符合要求的实际路径。

图7是节约出行距离方法的实际路径规划示意图。用于全局式方法的具体步骤中的(3)。

如图7，A点为路径规划起点，B点为路径规划终点。节约出行距离方法的路径规划目标是节约出行距离，不考虑避开拥堵路段。理想路段为A点和B点间的直线。以理想路径为中心，向纵坐标方向等幅度逐步搜索的搜索区域为图中两条点划线间的区域。与理想路径拟合度最好的为路径AgeB，符合节约出行距离的路径规划目标，是符合要求的实际路径。

图8是全局式避开拥堵路段且节约出行距离方法的实际路径规划示意图。用于全局式方法的具体步骤中的(3)。

如图8，A点为路径规划起点，B点为路径规划终点。全局式避开拥堵路段且节约出行距离方法的路径规划目标是避开拥堵路段且节约出行距离。以两条理想路径为中心，向纵坐标方向等幅度逐步搜索，理想搜索区域为两条理想路径搜索区域的重叠区域。图中，搜索区域内的交叉口点为b点、c点、d点和g点。以避开拥堵路段的理想路径为标准，按照与理想路径所围的面积从小到大的顺序排列的实际路径为：AdcB、AgcB、AbcB。以节约出行距离的理想路径为标准，按照与理想路径所围的面积从小到大的顺序排列的实际路径为：AbcB、AgcB、AdcB。根据全局式方法的具体步骤中的(3)，全局式避开拥堵路段且节约出行距离方法的实际路径选择标准。路径AgcB，符合避开拥堵路段且节约出行距离的路径规划目标，是符合要求的实际路径。

图9是步进式避开拥堵路段方法的实际路径规划示意图。用于步进式方法的具体步骤中的(3)。

如图9所示，车辆在路段ij行驶时，进行的下一步路径规划。理想路径为jf。与交叉口j连接的实际交叉口为交叉口f1、u1和s1。其中f1为与理想路径生成点f同一集合的点。不存在比生成点f的横坐标值更小的符合条件的交叉口。

实际路径规划是对下一路段的选择，选择指标是选择与理想路径拟合度最优的路径。

拟合度角为实际路径和理想路径的夹角η(j，f，u1)，以m_fe点为例：

$\mathrm{\η}(j,f,u1)=|\arctan \left(\frac{y_f-y_j}{x_f-x_j}\right)-\arctan \left(\frac{y_{u1}-y_j}{x_{u1}-x_j}\right)|$

实际路径jk的选择方法为：

min(η(j，f，f1)，η(j，f，u1)，η(j，f，s1))→jk，k＝f1，u1或s1

如最小拟合度角对应两个以上交叉口时，比较对应的交叉口的拥堵程度m_fe，选择m_fe的值最小的点。如比较后，m_fe的值最小的点存在两个以上时，选择距离终点最近的点。

图10是步进式避开拥堵路段且节约出行距离方法的实际路径规划示意图。用于步进式方法的具体步骤中的(3)。

如图10所示，车辆在路段ij行驶时，进行的下一步路径规划。避开拥堵路段理想路径为jf，节约距离理想路径为jz。与交叉口j连接的实际交叉口为交叉口f1、u1和s1。其中f1为与理想路径生成点f同一集合的点。不存在比生成点f的横坐标值更小的符合条件的交叉口。

实际路径规划是对下一路段的选择，选择指标有两个。一是与避开拥堵路段理想路径的拟合度，用与避开拥堵路段理想路径的拟合度角表示；二是与节约距离理想路径的拟合度，用与节约距离理想路径的拟合度角表示。与避开拥堵路段理想路径的拟合度角同图9的拟合度角表达式及含义相同，在此不进行累述。

与节约距离理想路径的拟合度角为实际路径和节约距离理想路径的夹角η′(j，z，u1)，以m_fe点为例：

${\mathrm{\η}}^{\′}(j,z,u1)=|\arctan \left(\frac{y_z-y_j}{x_z-x_j}\right)-\arctan \left(\frac{y_{u1}-y_j}{x_{u1}-x_j}\right)|$

实际路径jk的选择方法为：

分别按照两个指标从小到大的顺序对实际交叉口f1、u1和s1进行排序。与避开拥堵路段理想路径的拟合度排序为：f1、u1、s1；与节约距离理想路径的拟合度排序为：u1、s1、f1。符合两个指标要求的交叉口为u1，下一路段的实际路径规划为ju1。

当实际路径与避开拥堵路段理想路径及节约距离理想路径拟合度均较低时，选择与避开拥堵路段理想路径拟合度较高的实际路径。

本发明的效果可通过以下仿真实验进一步说明：

1、仿真条件

为了验证本发明方法的有效性，设计了一种交通网宏观动态模型，反映了实际交通网络动态特性。

(1.1)路段模型，通过路段ij驶向交叉口k的情况下。以交叉口i为起点，通过交叉口j，以交叉口k为终点。路段ij驶向交叉口k车道的车辆数

$N_{\mathrm{ij}}^k=N_{\mathrm{ij}0}^k+p_{\mathrm{ij}}^k\·\underset{p=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{N}_{\mathrm{pi}}^{\mathrm{js}}-N_{\mathrm{ij}}^{k^{\′}}$

为路段ij驶向交叉口k的初始车辆数；

为进入路段ij的车辆驶向交叉口k的概率，

为由路段pi驶向路段ij的实际车辆数；

为通过路段ij驶向交叉口k的车辆数。

$N_{\mathrm{ij}}^{k^{\′}}=\∫{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ij}}^k{v}_{\mathrm{ij}}^k{n}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{jk}}\mathrm{dt}$

路段ij驶向交叉口k车道的交通密度

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ij}}^k=N_{\mathrm{ij}}^k/\left(n_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{jk}}{l}_{\mathrm{ij}}^k\right)$

L_ij为路段ij长度，

为路段ij驶向交叉口k车道的车辆行驶路段长度，路段ij驶向交叉口k的车道数。

$l_{\mathrm{ij}}^k=L_{\mathrm{ij}}-N_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{jk}}(l+l_a)/n_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{jk}}$

路段ij驶向交叉口k车道的车辆数为

l为平均车辆长度，l_a为车辆在交叉口排队的平均车间距。

假设路段上车辆平均分布，根据车间距

判断路段ij拥挤程度：

$d_{\mathrm{ij}}^k=(a_{\mathrm{ij}0}{v}_{\mathrm{ij}}^{k2}+a_{\mathrm{ij}1}{v}_{\mathrm{ij}}^k+a_{\mathrm{ij}2})\·l$

为路段ij驶向交叉口k车道的交通速度

交通状态分为畅通状态、接近拥堵和拥堵状态。

当且

时，路段ij驶向交叉口k的车道拥堵；否则，路段ij驶向交叉口k的车道不拥堵。

(1.2)交叉口模型。路段ij上交叉口j驶向交叉口k的车辆数为

$N_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{jk}}=N_{\mathrm{ij}0}^{\mathrm{ij}}+N_{\mathrm{ij}}^{k^{\′}}-N_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{ks}}$

为路段ij上交叉口j驶向交叉口k的初始车辆数。

通过路段ij驶向路段jk的实际车辆数

为通过路段ij驶向路段jk的速度。T_j为交叉口j的信号周期，

路段ij上交叉口j驶向路段jk的交通密度

每个信号周期内通过路段ij驶向路段jk的允许最多车辆数

通过路段ij驶向路段jk的交叉口j拥堵程度

$m_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{jk}}=N_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{jk}}/N_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{kt}},t\⋐[{\mathrm{kT}}_j,(k+1)T_j]$

${\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{jk}}{v}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{jk}}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{ij}}^k{v}_{\mathrm{ij}}^k& m_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{jk}}=0\\ m_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{jk}}{p}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{jk}}+(1-m_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{jk}}){\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{ij}}^k{v}_{\mathrm{ij}}^k& 0<m_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{jk}}\&le;1\\ p_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{jk}}& m_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{jk}}>1\end{array}\right.$

其中，a为车辆在交叉口的限速。

当

时，路段ij上驶向路段jk的交叉口j不拥堵；否则拥堵。

当与交叉口j连接的所有交叉口k对应的

值均大于等于2时，认为

值最小的交叉口方向不拥堵。

(1.3)交通网及参数设置

图11是仿真交通网图。

如图11，交通网共20个交叉口，包含起点和终点。各交叉口坐标值为：起点₁(60m，90m)，₂(210，900)，₃(300，1800)，₄(900，2550)，₅(960，90)，₆(960，810)，₇(1050，1950)，₈(1860，60)，₉(1860，990)，₁₀(1860，2550)，₁₁(2250，2250)，₁₂(2550，510)，₁₃(2550，1500)，₁₄(2700，2250)，₁₅(2850，150)，₁₆(2850，1950)，₁₇(3150，1050)，₁₈(3750，600)，₁₉(3750，2100)，终点₂₀(3900，1050)。

在未进行路径规划时，所有交叉口及路网内所有路段均假设不拥堵。各交叉口用圆圈表示，各路段用虚线表示。

参数设计：各路段初始车辆数和各交叉口初始车辆数是随机的，范围与各路段长度相关， $d_{\mathrm{ij}}^k>6m$ 且 $m_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{jk}}<4.$

各交叉口的初始配时方案为：各四相交叉口信号周期、各三相交叉口信号周期和各二相交叉口信号周期均为120S。各相位配时方案平均分配。相位差初始值为0。

各交叉口的配时方案实时调整，与各路段和各交叉口车辆数及拥堵程度相关。

调整原则：对于较拥堵路段，在信号周期内，流出该路段的车流量大于流入该路段的车流量。对于较拥堵交叉口，在信号周期内，流出该交叉口的车流量大于流入该交叉口的车流量。各交叉口的信号周期的长度与与其相连的各路段和各交叉口车辆数及拥堵程度正相关。相连接的拥堵路段的交叉口信号相位差小于10S。

交叉口信号周期取值范围是90-180S。

平均车辆长度l＝4.5m，车辆在交叉口排队的平均车间距l_a＝0.8m；

中a_ij0＝2/1125，a_ij1＝2/225，a_ij2＝88/45；

假设各路段车辆限速80km/h，车辆在交叉口的限速60km/h。

本发明提出的方法用matlab软件验证。

2、仿真内容与结果

对本发明各方法进行仿真实验。各方法仿真实验采用同一组交通状况数据，相当于六辆车同时从同一地点出发驶向同一终点。仿真后，比较采用各种方法的出行时间和路径距离，验证本发明各方法的优势。

以下各仿真结果图中，显示路径规划的路径为图中实线，交叉口用“△”表示。车辆沿路径规划提供的路线行驶。

在行驶过程中，标出与车辆所在位置的横坐标相同的各路段及交叉口的拥堵程度。不同方法需要标注的路段及交叉口不同，首先确定需要标注的路段及交叉口。进行标注的方法如下：

除路径规划外且需要标注的其他路段及交叉口，顺畅的交叉口用圆圈表示，顺畅的路段用虚线表示；不顺畅的交叉口用“●”表示，不顺畅的路段用点划线表示；拥堵的交叉口用“×”表示，拥堵的路段用

线表示。除路径规划外不需要标注的其他路段及交叉口按照顺畅的初始状态进行标注。

判断各时间点上路段是否拥堵的标准是(以三车道路段为例)：三条车道均不拥堵，则路段顺畅；有的车道拥堵，有的车道不拥堵，则路段不顺畅；三条车道均拥堵，则路段拥堵。

判断各时间点上交叉口是否拥堵的标准与判断各时间点上路段是否拥堵的标准相同，在此不累述。

判断一定时间段T内路段是否拥堵的标准是(以三车道路段为例)：

路段顺畅时间为t_c，路段不顺畅时间为t_n，路段拥堵时间为t_y。t_c+t_n+t_y＝T，p_c＝0，p_n＝1/2，p_y＝1。p_ct_c+p_nt_n+p_yt_y＝t_p。

如果，该路段顺畅；如果，

该路段不顺畅；如果， $t_p/T\&Subset;[2/\mathrm{3,1}],$ 该路段拥堵；

判断一定时间段T内交叉口是否拥堵的标准与判断一定时间段T内路段是否拥堵的标准相同，在此不累述。

(2.1)本发明中，全局式避开拥堵路段方法在图11中的交通网上进行仿真实验。

图12是全局式避开拥堵路段方法的仿真结果图。

如图12，采用全局式避开拥堵路段方法，由起点交叉口1至终点交叉口20的路径规划为：1-6-9-13-16-20。

在行驶过程中，标出与车辆所在位置的横坐标相同的各路段及交叉口的拥堵程度。全局式避开拥堵路段方法需要标注除路径规划外的全部交叉口和路段。

如图12中所示，标注的不顺畅的交叉口有2、7、8、10、11、12、14、18，不顺畅的路段有5-8、6-8、9-12、12-17；拥堵的交叉口有5和15，拥堵的路段有1-2、1-5、3-7、8-15、10-14、12-18。标注的其他各路段及交叉口为顺畅。

路径规划的距离为5560.15m。路径规划中，除路段13-16为不顺畅路段外，其余各路段及交叉口均为顺畅。车辆通过该路径规划所需的时间为656.38s。

该实验结果和其他实验结果比较可知，采用全局式避开拥堵路段方法能够使车辆有效避开拥堵路段，节约出行时间。该方法偏重节约时间，适用于对时间要求高的驾驶员。

(2.2)本发明中，全局式避开拥堵路段且节约出行距离方法在图11中的交通网上进行仿真实验。

图13是全局式避开拥堵路段且节约出行距离方法的仿真结果图。

如图13，采用全局式避开拥堵路段且节约出行距离方法，由起点交叉口1至终点交叉口20的路径规划为：1-6-8-12-17-20。

在行驶过程中，标出与车辆所在位置的横坐标相同的各路段及交叉口的拥堵程度。全局式避开拥堵路段且节约出行距离方法需要标注除路径规划外的全部交叉口和路段。

如图13中所示，标注的不顺畅的交叉口有2、7、10、11、13、14、18，不顺畅的路段有5-8、9-12；拥堵的交叉口有5、15和16，拥堵的路段有1-2、1-5、3-7、8-15、10-14、13-16、15-18。标注的其他各路段及交叉口为顺畅。

路径规划的距离为4705.09m。路径规划中，路段6-8和12-17为不顺畅路段，交叉口8和17不顺畅，交叉口12拥堵，其余各路段及交叉口均为顺畅。车辆通过该路径规划所需的时间为1182.2s。

该实验结果和其他实验结果比较可知，采用全局式避开拥堵路段且节约出行距离方法，能够使车辆在避开拥堵路段的同时节约出行距离。该方法在时间和距离上的协调较好，适用于对时间和距离都有要求的驾驶员。

(2.3)本发明中，节约出行距离方法在图11中的交通网上进行仿真实验。

图14是节约出行距离方法的仿真结果图。

如图14，采用节约出行距离方法，由起点交叉口1至终点交叉口20的路径规划为：1-5-8-12-17-20。

节约出行距离方法以节约出行距离为路径规划目标，不考虑拥堵问题，不需要标注交叉口和路段的拥堵状况。

路径规划的距离为4181.49m。路径规划中，路段5-8和12-17为不顺畅路段，路段1-5为拥堵路段，交叉口8和17不顺畅，交叉口5和12拥堵，其余各路段为顺畅。车辆通过该路径规划所需的时间为1681.07s。

该实验结果和其他实验结果比较可知，采用节约出行距离方法是本发明的一个特例，能够节约出行距离。该方法偏重节约出行距离，适用于对距离要求高的驾驶员。

(2.4)本发明中，步进式避开拥堵路段方法在图11中的交通网上进行仿真实验。

图15是步进式避开拥堵路段方法的仿真结果图。

如图15，采用步进式避开拥堵路段方法，由起点交叉口1至终点交叉口20的路径规划为：1-6-9-13-17-20。

在行驶过程中，标出与车辆所在位置的横坐标相同的各路段及交叉口的拥堵程度。步进式避开拥堵路段方法不需要标注除路径规划外的全部交叉口和路段。只需在每一步路径规划时，标注符合路径规划范围及实际交通要求的下一段路径及交叉口的拥堵状况。

如图15中所示，标注的不顺畅的交叉口有2、8、12，不顺畅的路段有6-8、9-12、13-16；拥堵的交叉口有5，拥堵的路段有1-2、1-5；交叉口16顺畅。

路径规划的距离为5136.42m。路径规划中各路段及交叉口均为顺畅。车辆通过该路径规划所需的时间为583.16s。

该实验结果和其他实验结果比较可知，采用步进式避开拥堵路段方法能够使车辆有效避开拥堵路段，节约出行时间。该方法偏重节约时间，适用于对时间要求高的驾驶员。

(2.5)本发明中，步进式避开拥堵路段且节约出行距离方法在图11中的交通网上进行仿真实验。

图16是步进式避开拥堵路段且节约出行距离方法的仿真结果图。

如图16，采用步进式避开拥堵路段且节约出行距离方法，由起点交叉口1至终点交叉口20的路径规划为：1-6-9-12-17-20。

在行驶过程中，标出与车辆所在位置的横坐标相同的各路段及交叉口的拥堵程度。步进式避开拥堵路段且节约出行距离方法不需要标注除路径规划外的全部交叉口和路段。只需在每一步路径规划时，标注符合路径规划范围及实际交通要求的下一段路径及交叉口的拥堵状况。

如图16中所示，标注的不顺畅的交叉口有2、8、18，不顺畅的路段有6-8；拥堵的交叉口有5，拥堵的路段有1-2、1-5和12-18。

路径规划的距离为4468.18m。路径规划中，路段，9-12和12-17为不顺畅路段，交叉口12不顺畅，其余各路段及交叉口均为顺畅。车辆通过该路径规划所需的时间为745.96s。

该实验结果和其他实验结果比较可知，采用采用步进式避开拥堵路段且节约出行距离方法，能够使车辆在避开拥堵路段的同时节约出行距离。该方法在时间和距离上的协调较好，适用于对时间和距离都有要求的驾驶员。

(2.6)本发明中，基于以上方法的动态目标更改方法在图11中的交通网上进行仿真实验。

图17是基于以上方法的动态目标更改方法的仿真结果图。

实际的交通环境中，以上五种方法可以根据驾驶员需求随时相互转换。本实验选择其中一种转换作为例证，即前半段路程采用全局式避开拥堵路段且节约出行距离方法，当车辆第一次遇到拥堵或不顺畅后，采用步进式避开拥堵路段方法。采用这两种方法的转换即能体现全局式和步进式两种方式转换的可行性，又能反映出避开拥堵路段与节约出行距离的两种路径规划目标的转换。这两种方法的转换具有代表性和典型性。

如图17，采用以上方法，由起点交叉口1至终点交叉口20的路径规划为：1-6-8-12-18-20。

在行驶过程中，标出与车辆所在位置的横坐标相同的各路段及交叉口的拥堵程度。车辆根据其当时路径规划采用的方法，进行相应的标注。本实验中，前半段标注除路径规划外的全部交叉口和路段，后半段，在每一步路径规划时，标注符合路径规划范围及实际交通要求的下一段路径及交叉口的拥堵状况。

如图17所示，标注的不顺畅的交叉口有2、7、17，不顺畅的路段有5-8、12-17；拥堵的交叉口有5和15，拥堵的路段有1-2、1-5、3-7和8-15。

路径规划的距离为4845.61m。路径规划中，路段6-8为不顺畅路段，此时进行方法转换。路径规划中，交叉口18不顺畅，交叉口12拥堵，其余各路段及交叉口均为顺畅。车辆通过该路径规划所需的时间为1068.1s。

该实验结果和其他实验结果比较可知，基于以上方法的动态目标更改方法是有效的。该方法可根据驾驶员要求随时进行各方法间的转换。

综合以上六个仿真实验的结果，节约出行距离方法的路径规划距离最短但时间最长；所有以避开拥堵路段为路径规划目标的方法，其路径规划时间短于避开拥堵路段且节约出行距离的路径规划方法，相应地，其路径规划距离则较长。避开拥堵路段且节约出行距离的路径规划方法的路径规划时间及距离均居中。

通过仿真验证，本发明达到发明的目的。

Claims (10)

1.模拟导弹制导的车辆路径规划方法的原理：

导弹制导问题的产生根本原因在于导弹在运行过程中需克服地心引力、空气阻力等问题。导弹制导问题与车辆路径规划问题异曲同工，两者均以到达终点为最终目标；运行过程中均需克服一定阻力或影响因素。

首先，通过导弹制导方法得到的单一车辆理想路径，不考虑实际交通网约束，理想路径曲线避开车流量大的交叉口和路段，即避开拥堵路段。单一车辆理想路径使车辆满足出行要求，达到避开拥堵路段和降低运行时间的目标。

其次，通过导弹制导方法得到单一车辆理想路径后，根据实际城市交通结构、路径规划目标和范围、交通要求，选择与理想路径拟合度最好的单车实际路径。

采用模拟导弹制导的车辆路径规划方法主要用于解决车辆在行驶中避开拥堵路段(节约出行时间)的路径规划问题，也适用于解决车辆避开拥堵路段(节约出行时间)且节约出行距离的路径规划问题。以出行距离最短为目标的路径规划问题是模拟导弹制导的车辆路径规划方法不考虑拥堵问题的一个特例。

2.模拟导弹制导的车辆路径规划方法的两种方式：全局式和步进式，全局式指在车辆的运行过程中，始终以车辆所在的路段起点为起点，路径规划的终点为目标，不断的进行路径。步进式指在车辆的运行过程中，以车辆所在的路段起点为起点，下一路段的终点为目标，每当车辆进入新的路段时才进行路径规划。

3.模拟导弹制导的车辆路径规划的方法分为：1.全局式避开拥堵路段方法，2.全局式避开拥堵路段且节约出行距离方法，3.节约出行距离方法(特例)，4.步进式避开拥堵路段方法，5.步进式避开拥堵路段且节约出行距离方法，及6.基于以上方法的动态目标更改方法(用于车辆在行驶中更改单车路径规划目标和路径规划方式的路径规划)。

4.根据权利要求1和2，全局式方法的具体步骤如下：

(1)模拟航迹规划的初步路径规划。即求解理想路径生成点，目的是根据交通系统的车流量和拥堵状况，实时的表征系统中的各畅通点。

(1a)建立坐标系，以城市中心为原点，经纬方向为坐标轴方向。标出交叉口、交通灯信号配时及交叉口和各路段车流量数据。

(1b)单一车辆进行理想路径规划。初步路径规划区域是车辆所处路段的起点和目标终点的横坐标值之间的区域。

(1c)结合模拟航迹轨迹的方法，得出类似于航路点的路径点。得到的理想路径生成点在区域内距离拥堵路段及交叉口远，距离畅通路段及交叉口近。

根据权利要求2和3，1-2方法在步骤(1)上相同。方法3省略步骤(1)。

(2)模拟导引律的理想路径规划。

(2a)模拟导引律建立车辆到达终点的运动方程。

(2b)通过运动方程判断理想路径生成点是否符合路径规划要求和实际交通要求。

在交通系统环境中，尤其是针对避开拥堵路段的路径规划方法，需考虑路径规划范围要求。路径规划的范围根据驾驶员要求有所区别，可以是以起点和终点连线为对角线的正方形区域，也可以是以起点和终点连线为直径的圆形区域，还可以是以起点和终点连线为中线的正方形区域。

根据路径规划的范围确定角度关系和生成点位置的取值范围。当路径生成点符合取值范围要求时，认为路径生成点符合路径规划范围要求，否则不符合要求。

实际交通要求主要指路段及交叉口限速。当路径生成点符合速度范围要求时，认为路径生成点符合实际交通要求要求，否则不符合要求。

(2c)按照横坐标轴由小至大方向，连接由车辆所在的路段起点至终点的所有符合要求的生成点作为理想路径。

根据权利要求2和3。步骤(2)是方法1的步骤。方法3是不考虑避开拥堵路段，仅需节约出行距离的路径规划方法，是全局式方法的特例。方法3的理想路径始终为连接路径规划起点和终点的直线。方法2即需避开拥堵路段，又需节约出行距离，理想路径有两条，分别为方法1和方法3的理想路径。

(3)实际路径规划。以理想路径为中心，向纵坐标方向等幅度逐步搜索，直至搜索出符合路径规划目标的实际路径。根据权利要求2和3，具体的选择标准分别为：

方法1以理想路径为标准，选择与方法1的理想路径所围的面积最小的，以车辆所在的路段起点至终点的，实际路径作为实际路径规划。

方法3以理想路径为标准，选择与方法3的理想路径所围的面积最小的，以车辆所在的路段起点至终点的，实际路径作为实际路径规划。

方法2以两条理想路径为中心，向纵坐标方向等幅度逐步搜索，理想搜索区域为两条理想路径搜索区域的重叠区域。对理想搜索区域内的各路径进行实际路径规划，分别以两条理想路径为标准，选择与理想路径所围的面积最小的，以车辆所在的路段起点至终点的，实际路径。如两条实际路径相同，则该实际路径作为实际路径规划；如两条实际路径不相同，等幅度扩大两条理想路径的搜索范围，分别搜索出与理想路径所围的面积第二小的两条实际路径；再次判断，如以上四条实际路径中有相同的，则该实际路径作为实际路径规划；否则，再次扩大搜索范围；重复以上步骤，直至得到实际路径规划为止。

5.根据权利要求1和2，步进式方法的具体步骤如下：

(1)模拟导引律的初步路径规划。

(1a)建立坐标系，与前文全局式方法的具体步骤中(1a)的坐标系相同。

(1b)模拟导引律建立车辆到达终点的运动方程。

(1c)通过车辆到达终点的运动方程判断与车辆所处路段连接的下一路段交叉口点是否符合路径规划要求和实际交通要求。

路径规划要求和实际交通要求与权利要求3的具体步骤中(2b)的路径规划要求和实际交通要求相同。

根据路径规划的范围和下一路段限速要求确定角度关系和生成点位置的取值范围。当下一路段交叉口点符合取值范围要求时，认为下一路段交叉口点符合要求，否则不符合要求。

(1d)去掉不符合要求的交叉口点。所有符合要求的交叉口点代表相应的与车辆所处路段连接的下一路段，这些路段用于下一步的理想路径规划。

根据权利要求2和3，方法4、5在这一步骤上相同。

(2)模拟航迹规划的理想路径规划。

(2a)对单一车辆进行理想路径规划时，将车辆所处路段的起点和目标终点在坐标系中进行实时标注。根据步骤(1)，步进式路径规划时，当车辆处于ij路段的某车道上时，下一步路径规划的理想路径横坐标范围是包含除i以外的所有与j连接的交叉口的横坐标区域。

(2b)考虑该初步路径区域内所有交叉口对这一路径规划的影响，结合模拟航迹规划的方法，得出类似于航路点的路径点。得到的理想路径生成点在下一路段区域内距离拥堵路段和交叉口远，距离畅通路段和交叉口近。

(2c)连接车辆所在的路段的终点和理想路径生成点作为理想路径。

根据权利要求2和3，方法4、5在这一步骤上相同。

(3)实际路径规划。进行实际单车路径规划时，车辆在所处路段时先选择车速最快的车道，再根据步骤(2)得出的理想路径选择符合路径规划目标的下一段路径，选择后，车辆在允许改道的路段处进行改道，至选择的下一路段。根据权利要求2和3，具体的选择标准分别为：

方法4以理想路径为标准，选择与方法4的理想路径拟合度最高的，以车辆所在的路段终点至下一路段终点的，实际路径作为实际路径规划。

方法5从步骤(1)得出的所有符合条件的路径中进行选择。针对两条理想路径进行选择。一条为与方法4相同的理想路径；另一条为车辆所处路段终点与车辆最终目的地的连线。首选与第一条理想路径拟合度最高且与第二条理想路径拟合度最高的实际路径。其次，选择与第一条理想路径拟合度较高或与第二条理想路径拟合度较高的实际路径。再次，不考虑与第二条理想路径拟合度，选择与第一条理想路径拟合度较高的实际路径。

6.根据权利要求1、2和3，基于以上方法的动态目标更改方法：

模拟导弹制导的车辆路径规划方法是一种动态路径规划方法，适用于车辆在行驶中更改单车路径规划目标和路径规划方式的路径规划。根据以上所述的方法1-5的步骤，当车辆在行驶中更改单车路径规划目标和路径规划方式时，根据转换要求，路径规划可以随时进行方法转换。转换后，按照各方法对应的步骤进行路径规划。

7.模拟航迹轨迹的方法得出生成路径点原理。用于权利要求4中的(1c)和权利要求5中的(2b)。

生成路径点的基本原理为：在路径规划中，除去路径起点和终点，按照横坐标值从小到大的顺序对各交叉口重新进行标号。按照编号顺序，搜索所有与各交叉口横坐标值相同的其他交叉路口及各路段中的点。搜索到所有横坐标值相同的点为一个集合。

集合F中的点记为fe，e＝1，2，…n，各点对应的拥堵程度m_fe：

$m_{\mathrm{fe}}=\frac{m_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{jk}}{T}_j+l_{\mathrm{ij}}^k/v_{\mathrm{ij}}^k}{l_{\mathrm{ij}}^k}$

为通过路段ij驶向路段jk的交叉口j拥堵程度，T_j为交叉口j的信号周期，

为路段ij驶向交叉口k车道的车辆行驶路段长度，

为路段ij驶向交叉口k车道的交通速度。

集合中每一点的坐标，记为(x_f，y_fe)，纵坐标y_f(t)为：

$y_f\left(t\right)=\frac{\underset{e=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{m}_{\mathrm{fe}}{y}_{\mathrm{fe}}}{\underset{e=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{m}_{\mathrm{fe}}},f=\mathrm{1,2},...,n$

生成点理想拥堵程度m_f：

$m_f=\frac{\underset{e=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{m}_{\mathrm{fe}}{y}_{\mathrm{fe}}}{\underset{e=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{y}_{\mathrm{fe}}},f=\mathrm{1,2},...,n$

8.车辆到达终点的运动方程。用于权利要求4中的(2a)和权利要求5中的(1b)。

交通坐标系中，终点z为不动点(相当于导弹攻击固定目标)。假设在车辆运行的过程中，某一时刻车辆位于生成点ij，车辆行驶速度为v_f。R_f1(t)为该时刻车辆与终点z之间的距离。

$R_f\left(t\right)=\sqrt{{(x_z-x_f)}^2+{(y_z-y_f\left(t\right))}^2}$

θ为车辆的速度矢量与ox轴的夹角，φ为车辆和终点连线与ox轴的夹角，β为车辆的速度矢量与车辆和终点连线的夹角。

建立车辆到达终点的运动方程：

dR_f(t)/dt＝-v_fcosβ

g′(x_f)＝bm_f＝-v_fsinθ/t＝-v_fdθ/dt

g′(x_f)项在路径规划中的作用相当于制导中导弹所受的引力加速度，与生成点理想拥堵程度m_f成正比。在制导中，v_f起到克服阻力的作用。在路径规划中，v_f起到避免拥堵的作用。

角度间的几何关系方程：

φ＝β+θ

$\tan \mathrm{\&phi;}=\frac{y_z-y_f\left(t\right)}{x_z-x_f}$

将车辆到达终点的运动方程和角度间的几何关系方程结合建立导引方程组。解出v_f，φ，θ，β。v_f应符合交通限速要求。φ，θ，β关系应符合路径规划范围要求。

9.路径规划的区域范围。用于权利要求4中的(2b)和权利要求5中的(1c)。

假设生成的路径点为f，假设j点为路径规划的起点，z点为路径规划终点。在实际交通环境中，路径规划的范围根据驾驶员要求有所区别。路径规划的范围可以是以j点和z点连线为对角线的正方形区域，也可以是以j点和z点连线为直径的圆形区域，还可以是以j点和z点连线为中线的正方形区域。

根据路径规划的范围确定角度关系和生成点位置的取值范围。

当路径规划的范围是以j点和z点连线为对角线的正方形区域时，角度取值范围是：

其中α₁为生成的路径点f与交叉口j的连线和j点与z点连线的夹角，α₂为生成的路径点f与交叉口z的连线和z点与j点连线的夹角。

当路径规划的范围是以j点和z点连线为直径的圆形区域时，角度取值范围是：

α₁+α₂＜90°

当路径规划的范围是以j点和z点连线为中线的正方形区域时，角度取值范围是：

其中D_jz为f点到j点和z点连线的距离，L_jz为j点和z点连线的距离。

10.步进式方法中实际路径与理想路径的拟合度。用于权利要求5中的(3)。

车辆在路段ij行驶时，进行的下一步路径规划。与交叉口j连接的实际交叉口为交叉口f1、u1和s1。其中f1为与理想路径生成点f同一集合的点。不存在比生成点f的横坐标值更小的符合条件的交叉口。

方法4：

理想路径为jf。

拟合度角为实际路径和理想路径的夹角η(j，f，u1)，以m_fe点为例：

$\mathrm{\&eta;}(j,f,u1)=|\arctan \left(\frac{y_f-y_j}{x_f-x_j}\right)-\arctan \left(\frac{y_{u1}-y_j}{x_{u1}-x_j}\right)|$

方法5：

避开拥堵路段理想路径为jf，节约距离理想路径为jz。

实际路径规划是对下一路段的选择，选择指标有两个。一是与避开拥堵路段理想路径的拟合度，用与避开拥堵路段理想路径的拟合度角表示，同方法4的拟合度角表达式及含义相同；二是与节约距离理想路径的拟合度，用与节约距离理想路径的拟合度角表示。

与节约距离理想路径的拟合度角为实际路径和节约距离理想路径的夹角η′(j，z，u1)，以m_fe点为例：

${\mathrm{\&eta;}}^{\&prime;}(j,z,u1)=|\arctan \left(\frac{y_z-y_j}{x_z-x_j}\right)-\arctan \left(\frac{y_{u1}-y_j}{x_{u1}-x_j}\right)|$

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