CN111081069A - 一种高速公路瓶颈区域的车辆轨迹控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速公路瓶颈区域的车辆轨迹控制方法，包括：将故障车辆所在目标车道的车速作为控制车辆的目标控制速度；根据控制车辆的目标控制速度、最大减速度、最高限速，确定控制车辆的横向控制区域长度、换道开始位置、纵向控制区域长度和控制开始位置；在纵向控制区域以能耗最低为性能指标，构造车辆纵向避让轨迹；根据横向加速度和目标控制速度，构造车辆横向避让轨迹。本发明在车路协同环境下的车辆轨迹控制方法在兼顾控制车辆运动状态信息和避让区域交通状态信息下进行，对控制车辆的纵向避让轨迹和横向避让轨迹进行合理规划；纵向避让轨迹给出能耗最低的车速变化控制方式，横向避让轨迹给出乘客舒适的换道曲线半径。

Description

一种高速公路瓶颈区域的车辆轨迹控制方法

技术领域

本发明涉及交通控制技术领域，具体涉及一种高速公路瓶颈区域的车辆轨迹控制方法。

背景技术

现有车辆避障轨迹控制研究主要关注于车辆紧急避让的纵向和横向控制系统以及决策策略问题，从车辆的动力学角度出发研究车辆制动时间、制动距离以及转向时间等，并通过车辆逆动力学建模得出车辆的节气门、制动踏板等微观操作参数，主要控制目标为车辆控制的稳定性及安全性。

车辆避让控制首先应该解决的问题应该是车辆的轨迹规划问题，特别是在车路协同及自动驾驶环境下车辆可以提前获知前方障碍物，车辆不需要在极限状态下紧急避让。而现有的研究大多直接跳过了车辆避让的轨迹规划，针对这种极限状态下的紧急避让场景，试图根据车辆的动力学特性给出车辆制动避让和换道避让的控制参数；其未兼顾控制车辆运动状态信息和避让区域交通状态信息。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种基于车路协同系统的高速公路瓶颈区域的车辆轨迹控制方法。

本发明公开了一种高速公路瓶颈区域的车辆轨迹控制方法，包括：

将故障车辆所在目标车道的车速作为控制车辆的目标控制速度；

根据控制车辆的目标控制速度、最大减速度、最高限速，确定控制车辆的横向控制区域长度、换道开始位置、纵向控制区域长度和控制开始位置；

在纵向控制区域以能耗最低为性能指标，构造车辆纵向避让轨迹；

根据横向加速度和所述目标控制速度，构造车辆横向避让轨迹。

作为本发明的进一步改进，还包括：

计算目标车道最近车辆相对位置；

判断控制车辆的纵向避让轨迹是否对目标车道最近车辆产生影响；

若产生影响，则调整纵向避让轨迹；

若不产生影响，则执行控制。

作为本发明的进一步改进，所述根据控制车辆的目标控制速度、最大减速度、最高限速，确定控制车辆的横向控制区域长度、换道开始位置、纵向控制区域长度和控制开始位置；包括：

式中：

v^t为目标控制速度，a_L为最大减速度，v_U为最高限速；

d₁为横向控制区域长度，x₁为换道开始位置，d₂为纵向控制区域长度，x₂为控制开始位置。

作为本发明的进一步改进，所述在纵向控制区域以能耗最低为性能指标，构造车辆纵向避让轨迹；包括：

在纵向控制区域以能耗最低为性能指标，通过极小值原理，构造哈密顿函数，得到最优控制解；

基于所述最优控制解得到9种车辆加减速的控制方式；分别为：{-a_L}、{a_U}、{0}、{0,-a_L}、{a_U,0}、{a_U,0,a_U}、{-a_L,0}、{0,a_U}、{-a_L,0,-a_L}；

基于车辆的初始速度选择，从9种控制方式中选择最优的控制方式；

基于最优的控制方式，构造车辆纵向避让轨迹。

作为本发明的进一步改进，

当初始速度v⁰＝v_U＞v^t，则最优的控制方式为{-a_L}；

当初始速度v⁰＞v^t且v⁰＜v_U，则最优的控制方式为{0,-a_L}、{-a_L,0}和{-a_L,0,-a_L}。

作为本发明的进一步改进，

当初始速度v⁰＞v^t且v⁰＜v_U，则最优的控制方式为{-a_L,0}。

作为本发明的进一步改进，所述横向加速度等于乘客所能承受的最大舒适横向加速度。

作为本发明的进一步改进，所述车辆横向避让轨迹为：

式中：

_R为车辆横向避让轨迹的圆弧半径，v^t为目标控制速度，a_c ^r为乘客所能承受的最大舒适横向加速度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明在车路协同环境下的车辆轨迹控制方法在兼顾控制车辆运动状态信息和避让区域交通状态信息下进行，对控制车辆的纵向避让轨迹和横向避让轨迹进行合理规划；纵向避让轨迹给出能耗最低的车速变化控制方式，横向避让轨迹给出乘客舒适的换道曲线半径。

附图说明

图1为本发明一种实施例公开的基于车路协同系统的高速公路瓶颈区域的车辆轨迹控制方法的流程图；

图2为本发明一种实施例公开的车辆避让轨迹控制场景图；

图3为本发明一种实施例公开的横向避让轨迹的示意图；

图4为本发明一种实施例公开的协态变量不同取值下的最优控制加速度的示意图；

图5为本发明一种实施例公开的9种协变量取值情况下的最优控制策略的示意图；

图6为本发明一种实施例公开的不同初始车速情况下的车辆最优纵向控制轨迹的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

如图2所示的车辆避让轨迹控制场景，其中，V_d为故障车辆，V₀为控制车辆，d₁为横向控制区域长度，d₂为纵向控制区域长度，x₁为换道开始位置，x₂为控制开始位置。此外，a_U车辆的最大加速度，-a_L为车辆的最大减速度，v_U为车辆最高限速。

如图1所示，本发明提供一种高速公路瓶颈区域的车辆轨迹控制方法，包括：

S1、当某一车道上出现故障车辆时，为避免控制车辆进入目标车道后对目标车道交通流产生影响；将故障车辆所在目标车道的车速v^t作为控制车辆的目标控制速度；

S2、根据控制车辆的目标控制速度v^t、最大减速度-a_L、最高限速v_U，确定控制车辆的横向控制区域长度d₁、换道开始位置x₁、纵向控制区域长度d₂和控制开始位置x₂；

具体为：

S3、在纵向控制区域以能耗最低为性能指标，构造车辆纵向避让轨迹；

包括：

S31、在纵向控制区域以能耗最低为性能指标，通过极小值原理，构造哈密顿函数，得到最优控制解；

S32、基于最优控制解得到9种车辆加减速的控制方式；分别为：{-a_L}、{a_U}、{0}、{0,-a_L}、{a_U,0}、{a_U,0,a_U}、{-a_L,0}、{0,a_U}、{-a_L,0,-a_L}；

S33、基于车辆的初始速度选择，从9种控制方式中选择最优的控制方式；

S34、基于最优的控制方式，构造车辆纵向避让轨迹；其中，

当初始速度v⁰＝v_U＞v^t，则最优的控制方式为{-a_L}；

当初始速度v⁰＞v^t且v⁰＜v_U，则最优的控制方式为{0,-a_L}、{-a_L,0}和{-a_L,0,-a_L}；优选最优的控制方式为{-a_L,0}。

具体实现过程为：

以车辆到达控制开始区域的时刻为零时刻，要求车辆在给定的时刻t_f到达换道开始位置，并完成车速变化，为换道做准备。在纵向控制区域要求车辆在车速变化过程中的能耗最低，因此以能耗最低作为性能指标，求解以下最优控制问题：

H(X(t),λ(t),u(t))＝F(v(t),u(t))+λ(t)·f(X(t),u(t))＝|u(t)|+λ_x(t)v(t)+λ_v(t)u(t) (9)

通过极小值原理，构造哈密顿函数，如式(9)所示，其中拉格朗日乘子的元素λ(t)＝|λ_x(t)，λ_v(t)|为系统的协态向量，X(t)＝[x(t)，v(t)]^T为状态向量。得到最优控制解如式(10)和图4所示。

进一步可以得到λ_v(t)和λ_v(t)，如式(11)，(12)所示，根据二者取值，得到两种控制方式：奇异控制和常规控制。

λ_x(t)＝λ_x(0)＝C (11)

λ_v(t)＝λ_v(0)-λ_x(0)t (12)

首先，当λ_x(t)＝λ_x(0)＝0时，λ_v(t)＝λ_v(0)是一个常量，可以得到|u^*(t)|+λ_v(t)u^*(t)＝Const；当λ_v(t)＝1或λ_v(t)＝-1时，u^*(t)可以为[-a_L,0]或[0,a_U]内的任意值，此时为奇异控制。

当λ_x(t)＝λ_x(0)≠0时，λ_v(t)＝λ_v(0)-λ_x(0)t，如下图所示，根据λ_v(t)的取值不同，控制方式会出现以下9种：分别为：{-a_L}、{a_U}、{0}、{0,-a_L}、{a_U,0}、{a_U,0,a_U}、{-a_L,0}、{0,a_U}、{-a_L,0,-a_L}，如图5所示；

如图6所示，轨迹用γ表示；以v⁰>v^t为例，若v⁰＝v_U,在纵向控制区域内，车辆应以最大的减速度减速，控制轨迹如图6中(a)所示，属于{-a_L}控制方式，由式(14)给出；控制车辆到达换道开始位置的时间由式(13)确定。

u^*(t)＝-a_L,0≤t≤t_f (14)

若v^t<v⁰<v_U，控制车辆的车速由初始速度变化至目标车速的过程中不含加速阶段所用的最少时间

可以由式(15)确定，控制轨迹如6中(b)所示，控制车辆先以较大的速度匀速巡航，之后以最大减速度减速至目标车速，属于{0,-a_L}控制方式，控制策略由式(16)给出，其中t_cru＝t_f-(v⁰-v^t)/a_L。

此外，控制车辆车速变化过程不含加速阶段所用的最长时间

则可以由式(17)确定，控制轨迹如6中(c)所示，控制车辆先以最大减速度减速至目标车速，之后以目标车速匀速巡航，属于{-a_L,0}控制方式，控制策略由式(18)给出，其中t_dec＝t_f-(v⁰-v^t)/a_L。

此外，控制轨迹还包括如6中(d)所示，控制车辆先以最大减速度减速至中间车速，之后以中间车速匀速巡航，最后以最大减速度减速至目标车速，属于{-a_L,0,-a_L}控制方式。

在上述控制方式中，由于车辆纵向轨迹控制用来控制车辆速度，为换道做准备，因此当v^t＜v⁰＜v_U时，本发明使用{-a_L,0}控制方式，使车辆在纵向轨迹控制区域末端保持匀速行驶，保证换道过程的平稳。

S4、根据横向加速度和目标控制速度，构造车辆横向避让轨迹；

具体的：

如图3所示，横向避让轨迹使用两段相切的圆弧作为控制车辆换道轨迹曲线，控制车辆在横向控制区域内换道产生的横向加速度由式(19)确定；要求车辆换道过程的横向加速度a^r等于乘客所能承受的最大舒适横向加速度

由此得到换道轨迹的圆弧半径，由式(20)给定。

S5、计算目标车道最近车辆相对位置；

S6、判断控制车辆的纵向避让轨迹是否对目标车道最近车辆产生影响；

S7、若产生影响，则调整纵向避让轨迹；若不产生影响，则执行控制；其中，由于目标控制速度和初始速度差别不大，速度变化过程所用时间较短，且认为纵向车辆之间保持合理安全距离，这个安全距离足够缓冲前车速度轻微变化的影响，因此速度控制对后车影响很小，所以不考虑纵向车辆间的影响。

本发明的优点为：

本发明在车路协同环境下的车辆轨迹控制方法在兼顾控制车辆运动状态信息和避让区域交通状态信息下进行，对控制车辆的纵向避让轨迹和横向避让轨迹进行合理规划；纵向避让轨迹给出能耗最低的车速变化控制方式，横向避让轨迹给出乘客舒适的换道曲线半径。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高速公路瓶颈区域的车辆轨迹控制方法，其特征在于，包括：

将故障车辆所在目标车道的车速作为控制车辆的目标控制速度；

根据控制车辆的目标控制速度、最大减速度、最高限速，确定控制车辆的横向控制区域长度、换道开始位置、纵向控制区域长度和控制开始位置；

在纵向控制区域以能耗最低为性能指标，构造车辆纵向避让轨迹；

根据横向加速度和所述目标控制速度，构造车辆横向避让轨迹。

2.如权利要求1所述的车辆轨迹控制方法，其特征在于，还包括：

计算目标车道最近车辆相对位置；

判断控制车辆的纵向避让轨迹是否对目标车道最近车辆产生影响；

若产生影响，则调整纵向避让轨迹；

若不产生影响，则执行控制。

3.如权利要求1所述的车辆轨迹控制方法，其特征在于，所述根据控制车辆的目标控制速度、最大减速度、最高限速，确定控制车辆的横向控制区域长度、换道开始位置、纵向控制区域长度和控制开始位置；包括：

式中：

v^t为目标控制速度，a_L为最大减速度，v_U为最高限速；

d₁为横向控制区域长度，x₁为换道开始位置，d₂为纵向控制区域长度，x₂为控制开始位置。

4.如权利要求3所述的车辆轨迹控制方法，其特征在于，所述在纵向控制区域以能耗最低为性能指标，构造车辆纵向避让轨迹；包括：

在纵向控制区域以能耗最低为性能指标，通过极小值原理，构造哈密顿函数，得到最优控制解；

基于所述最优控制解得到9种车辆加减速的控制方式；分别为：{-a_L}、{a_U}、{0}、{0,-a_L}、{a_U,0}、{a_U,0,a_U}、{-a_L,0}、{0,a_U}、{-a_L,0,-a_L}；

基于车辆的初始速度选择，从9种控制方式中选择最优的控制方式；

基于最优的控制方式，构造车辆纵向避让轨迹。

5.如权利要求4所述的车辆轨迹控制方法，其特征在于，

当初始速度v⁰＝v_U＞v^t，则最优的控制方式为{-a_L}；

当初始速度v⁰＞v^t且v⁰＜v_U，则最优的控制方式为{0,-a_L}、{-a_L,0}和{-a_L,0,-a_L}。

6.如权利要求5所述的车辆轨迹控制方法，其特征在于，

当初始速度v⁰＞v^t且v⁰＜v_U，则最优的控制方式为{-a_L,0}。

7.如权利要求1所述的车辆轨迹控制方法，其特征在于，所述横向加速度等于乘客所能承受的最大舒适横向加速度。

8.如权利要求7所述的车辆轨迹控制方法，其特征在于，所述车辆横向避让轨迹为：

式中：

R为车辆横向避让轨迹的圆弧半径，v^t为目标控制速度，

为乘客所能承受的最大舒适横向加速度。

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