混驾环境下基于主从博弈的多车协同决策规划

在自动驾驶车辆与人工驾驶车辆混行的复杂交通环境中,如何减小驾驶行为截然不同的2类车辆间的复杂相互作用对于车辆行驶安全性、乘坐舒适性和交通通行效率的影响,是当前自动驾驶决策与控制领域亟待解决的关键问题。提出了一个人机混驾环境下人工驾驶车辆与自动驾驶车辆之间的非合作博弈交互框架。首先,综合考虑车辆加速度线性递减的驾驶人纵向操纵特性、差异化配合程度和不同的延迟响应特性,建立人工驾驶车辆的纵向博弈策略。其次,考虑自动驾驶车辆与周围车辆的安全性约束,以及自动驾驶车辆在换道过程中的舒适性和通行效率目标,设计了自动驾驶车辆的纵向博弈策略。然后,基于主从博弈理论对不同混驾环境下人工驾驶车辆与自动驾驶车辆的博弈交互问题进行求解,得到最优的换道间隙和自动驾驶车辆的纵向速度轨迹,并采用模型预测控制方法规划出自动驾驶车辆的横向安全换道轨迹。最后,根据人工驾驶车辆不同配合度和延迟响应时间的差异,设计了多组人机混驾试验工况进行验证。试验结果表明：自动驾驶车辆能够快速准确识别人工驾驶车辆的配合度,选择出最优的目标换道间隙,并与间隙周围的自动驾驶车辆协作来汇入目标间隙。在换道过程中,自动驾驶车辆始终与周围车辆保持安全...     

人机混驾交通流交织区换道模型切换控制策略

因交织区的强制换道存在紧迫性, 车辆换道行为在交织区后半段会出现因换道意愿强烈而产生的激进换道行为, 这种微观的换道行为将给交通流带来一定影响; 在人机混驾情形下, 不同类型换道切换控制模型同样可能影响交织区通行能力。在分析人机混驾交通流交织区换道行为特性的基础上, 将换道类型分为保守型换道和激进型换道; 在可接受安全间隙模型的基础上结合自动驾驶车辆间的协同行为, 构建自动驾驶车辆在保守状态下的协同换道模型; 以及在激进型状态下考虑目标车道后车类型影响下, 构建激进型换道模型。通过分析津保立交桥实地调研轨迹数据和NGSIM中US-101交织路段轨迹数据, 分别拟合了保守型、激进型换道模型切换点分布函数; 考虑不同车辆驾驶行为特性及其相互作用, 提出人机混驾条件下换道模型切换控制逻辑决策。以SUMO仿真软件搭建实验平台, 考虑人工驾驶车辆换道模型切换点分布特性, 以优化最大流率、交织区整体车辆运行速度、换道车辆速度等为目标, 确定不同自动驾驶车辆渗透率下自动驾驶车辆的最佳保守型-激进型换道模型切换点。仿真结果显示: 在交织区长度为250 m, 自动驾驶渗透率分别为0.2, 0.5, 0.8时, 自动驾驶换道模型切换点分别在180, 80, 50 m处达到最佳, 即随着自动驾驶渗透率的提高, 换道切换点最佳位置将向交织区入口处逐渐移动, 且在自动驾驶渗透率较低时这种换道切换点的变化较为明显; 在较高渗透率下, 由于协同换道出现频率增高, 自动驾驶强制性换道行为比例降低, 换道模型切换点对交织区通行能力的影响逐渐变小。本项研究对人机混驾条件下高速公路交织区自动驾驶车辆的换道控制提供决策依据      

基于港珠澳大桥左右舵车辆时空混行的差异化驾驶行为识别和预测方法

为实现左右舵不同驾驶习性驾驶人在港珠澳大桥时空混行环境下快速、有效识别并预测行驶车辆在应急条件下的运动状态，提出了一种考虑右舵驾驶行为的模型加数据混合运动预测方法。首先，提取港珠澳大桥通行车辆的跟驰与换道原始轨迹数据并分析，挖掘左右舵驾驶行为在直道及变道属性下的长短时特性；其次，结合最大信息系数算法(MIC)对比所提取特征与2类驾驶行为的关联程度，并求解关键区分特性下高斯混合模型(GMM)对于左右舵驾驶行为应急反应的倾向性概率；最后，将2种驾驶行为的车辆运动状态在直道行驶的差异特征作为长短时记忆(LSTM)神经网络的输入，建立数据驱动下的直道横向偏移预测模型，并在具有差异化驾驶行为的车辆直道位姿信息预测基础上，串联建立模型驱动下的变道概率预测模型。对青州航道桥实际车流监测数据的测试结果表明：所提方法可基于行驶车辆的横向偏移和偏航率等特征快速、准确识别左右舵驾驶行为；对于不同特征输入下的直道偏移预测结果，所预测左舵驾驶行为的均方根误差(RMSE)、改进的豪斯多夫距离(MHD)与决定系数(R²)的最优评估分别为0.578 7、0.468 1与0.870 7,右舵驾驶行...     

减速频次催生换道意图下自动驾驶车辆自适应换道模型

科学、合理、拟人化的换道控制是实现自动驾驶车辆安全高效行驶的重要保障,已有研究主要考虑相邻车道速度差、换道间隙等要素对车辆换道控制的影响,并未考虑车辆频繁加减速导致乘车体验差而催生换道意图这一重要现象。针对该问题,设计以抗干扰能力为基础的自动驾驶车辆自适应换道调控方法,其调控过程主要包括：采用智能驾驶人模型控制自动驾驶车辆纵向驾驶行为,以减速频次为指标度量自动驾驶车辆的抗干扰能力,并将抗干扰能力引入到自动驾驶车辆换道决策过程中,模拟自动驾驶车辆因频繁加减速导致乘车体验差而产生换道意图的现象,在此基础上,提出车辆换道控制模型。然后,以智慧高速为背景,利用Netlogo构建多种自动驾驶车辆运行场景,测试所构建的自适应换道调控方法。研究结果表明：智能驾驶人模型的选用能够合理体现自动驾驶车辆换道行为对交通流的运行影响;相比于低密度车流（≤30 veh）,在中高密度车流情况下（≥40 veh）,自动驾驶车辆维持原有车道运行的能力较弱、换道频率较高,且过高[80次·（5 min）^-1]或过低[10次·（5 min）^-1]的抗干扰能力临界值会导致自动驾驶车辆运行速度降低至10 km·h^-1,因此可以根据不同车流密度条件对自动驾驶车辆的最大抗干扰能力进行设置和调整,从而保证自动驾驶车辆的运行效率,这也从侧面证明了所提自适应换道调控方法的科学性与合理性。研究结果对于提高自动驾驶车辆换道控制的合理自主性具有重要意义,该结果进一步完善了自动驾驶车辆换道模型库,能够为自动驾驶自适应换道调控提供理论和技术支撑。     

考虑驾驶心理的封闭式道路车辆出匝换道模型

针对现有分流区车辆换道出匝模型对驾驶人心理因素考虑不足的问题,以换道紧迫感的概念来反映驾驶人心理对驾驶行为的影响,应用微分法建立了车辆出匝的换道模型。该模型揭示了车道数、减速车道长度、交通标志牌的设置、交通流量、行驶车速等对驾驶人出匝换道行为的影响。结果表明:考虑驾驶人心理的出匝换道模型在分流区上游端内更符合实际;驾驶人会依据交通环境对换道地点位置进行自动调节,但指路标志牌位置设置过近时,仍会使出匝车辆无法及时变更车道;交通流量的增大,会使出匝车辆的换道区间变得分散,换道行为更加激进。     

基于TD3算法的人机混驾交通环境自动驾驶汽车换道研究

提高人类驾驶人的接受度是自动驾驶汽车未来的重要方向,而深度强化学习是其发展的一项关键技术。为了解决人机混驾混合交通流下的换道决策问题,利用深度强化学习算法TD3（Twin Delayed Deep Deterministic Policy Gradient）实现自动驾驶汽车的自主换道行为。首先介绍基于马尔科夫决策过程的强化学习的理论框架,其次基于来自真实工况的NGSIM数据集中的驾驶数据,通过自动驾驶模拟器NGSIM-ENV搭建单向6车道、交通拥挤程度适中的仿真场景,非自动驾驶车辆按照数据集中驾驶人行车数据行驶。针对连续动作空间下的自动驾驶换道决策,采用改进的深度强化学习算法TD3构建换道模型控制自动驾驶汽车的换道驾驶行为。在所提出的TD3换道模型中,构建决策所需周围环境及自车信息的状态空间、包含受控汽车加速度和航向角的动作空间,同时综合考虑安全性、行车效率和舒适性等因素设计强化学习的奖励函数。最终在NGSIM-ENV仿真平台上,将基于TD3算法控制的自动驾驶汽车换道行为与人类驾驶人行车数据进行比较。研究结果表明：基于TD3算法控制的车辆其平均行驶速度比人类驾驶人的平均行车速度高4.8%,在安全性以及舒适性上也有一定的提升;试验结果验证了训练完成后TD3换道模型的有效性,其能够在复杂交通环境下自主实现安全、舒适、流畅的换道行为。     

无人驾驶汽车路径跟踪控制方法拟人程度研究

无人驾驶汽车路径跟踪控制是无人驾驶汽车运动控制的核心所在,目前常用的路径跟踪模型主要以路径跟踪精度为主要控制目标,在很大程度上忽略了无人驾驶汽车的乘坐舒适性和控制的拟人程度。为了研究无人驾驶汽车路径跟踪控制算法的拟人程度并提高乘坐舒适性,基于转向几何学、汽车运动学和汽车动力学理论建立实车中常用的4种路径跟踪模型,提出以路径跟踪过程中的最大横向加速度a_ymax和方向盘转角平方和δ_w²共同表征路径跟踪模型的拟人程度和横向乘坐舒适性。基于驾驶人实车换道试验数据,建立多项式拟人换道参考路径,搭建CarSim/Simulink联合仿真模型,并对其进行不同车速下的车辆换道试验。研究结果表明：路径跟踪模型的横向循迹偏差均会随着车速的提高而增加,但都能较好实现路径跟踪;带预瞄路径跟踪模型和动力学前馈最优LQR路径跟踪模型拟人程度较好;汽车运动学路径跟踪模型的乘坐舒适性最差,方向盘修正激烈;在100 km·h^-1,a_ymax>0.7 m·s^-2,δ_w²>2.7×10³时,拟人程度最差;不带预瞄路径跟踪模型循迹精度最高,且拟人程度最高,乘坐舒适性最好,120 km·h^-1时,a_ymax ≤ 0.5 m·s^-2。     

港湾式紧急停车带间距对驾驶行为的影响研究

高速公路港湾式紧急停车带间距会影响驾驶行为及行车安全,目前国内外尚未有对港湾式紧急停车带间距与驾驶行为的关系进行研究,为了研究两者的相关性,利用大型8自由度高仿真驾驶模拟实验平台展开实验研究.实验选取15名驾驶员,在250~1 500 m(间隔为250 m)的间距水平下记录其驾驶行为.单因子方差检验结果表明,对横向偏移及速度的检验p值均远远小于0.05(p=5.3e-06<0.05;p=1.7e-13<0.05),表明港湾式紧急停车带不同间距水平与车辆横向偏移量、速度显著相关.港湾式紧急停车带间距水平为750 m时,驾驶员横向偏移量(偏移量O=0.657 m)较小,车辆的横向稳定性最好,同时此间距水平下的车辆运行速度(速度V=96.99 km/h)也最接近设计速度,驾驶行为较为协调;超过1 000 m后,横向偏移量及速度不再明显变化,间距对驾驶行为的影响较弱.实验中模拟道路场景为单一平直路段,未来可考虑研究复杂场景下(存在线形组合、交通流)港湾式紧急停车带间距与驾驶行为的关系.      

基于BP神经网络的智能车辆换道决策模型研究

为了正确刻画智能网联环境下的车辆换道行为,提出基于BP神经网络的车辆换道决策模型.分析了交通流中车辆换道行为,以HighD自然驾驶数据集为数据来源,筛选出1 900组车辆换道和未换道信息作为模型的训练与验证,利用高斯滤波方法拟合目标车辆换道轨迹和横向位移轨迹,选择影响车辆换道决策的7个参数作为模型输入,建立BP神经网络...     

Probe Data-based Identification of Vehicle Behaviors at Intersection

交通控制策略制定过程中,对于车辆在交叉口进口道前行为规律的把握至关重要.准确辨识进口道车辆行为模式,是研究下一代基于车路协同的交通控制理论的基础之一.基于车路实验平台的实时车载数据,运用加权平均法对交叉口的车辆换道和转向行为进行了观察分析,并通过建立线性规划模型及求解对辨识过程中的匹配误差进行了处理.最后实地的案例研究显示,本研究的方法对交叉口驾驶转向行为识别精度达100％,对换道行为识别的误差为8.33％,基本能够满足交通控制的要求.     

基于注意力Seq2Seq网络的高速公路交织区车辆变道轨迹预测

针对交通状态复杂的高速公路交织区域，经验丰富的驾驶人能够通过正确地推断周围车辆的未来运动进行及时的车道变换，这对于实现安全高效的自动驾驶至关重要，然而目前的自动驾驶车辆往往缺乏这种预测能力。为此，基于深度学习理论，提出了一种结合注意力机制和编-解码器结构的交织区车辆强制性变道轨迹预测方法，利用Next Generation Simulation（NGSIM）数据集提取车辆变道过程中的关键特征，并引入碰撞时间（Time to Collision，TTC）和避免碰撞减速度（Deceleration Rate to Avoid a Crash，DRAC）2种风险指标，将变道车辆及其周围车辆视为一个整体状态单元，同时补全状态单元内部不同车辆在横向和纵向上的时空状态特征，从而更有效地刻画车辆间的动态交互行为；然后将不同观测车辆的连续窗口序列输入基于长短期记忆网络（Long Short-term Memory，LSTM）的编-解码器，预测交织区车辆变道的未来运动轨迹，通过添加软注意力模块，使模型能够集中聚焦于影响车辆在不同时刻下位置变化的关键信息，再现了真实交通场景下车辆的变道行为。试验验证表明：基于注意力机制的编-解码器模型与当前流行的卷积长短期记忆网络、极限梯度提升树等模型相比具有更高的轨迹预测精度，在长时域的变道轨迹拟合上有显著的优越性，为辅助和自动驾驶领域的发展提供了新思路。     

基于线性路径跟踪控制的换道避撞控制策略研究

为实现车辆自主避撞，改善道路交通安全状况，提出一种基于线性路径跟踪控制的换道避撞控制策略。为实时确定制动和换道时机，获取跟车状态下自车和前车车速、加速度、相对距离以及驾驶人制动反应时间计算制动安全距离和换道安全距离，并在此基础上分别引入制动危险系数B和换道危险系数S评估制动与换道风险，使得车辆发生追尾碰撞的危险程度和主动干预阈值更直观。根据车辆期望横向加速度和期望横向位移的变化特性，采用5次多项式法规划符合驾驶人换道避撞特性的避撞路径。为保证换道避撞过程中驾驶人的安全舒适，采用最大横向加速度约束换道避撞轨迹。为实现对换道避撞路径的线性跟踪控制，保证车辆的操纵稳定性和横摆稳定性，基于车辆稳态动力学模型建立前馈控制，结合线性反馈控制消除换道路径的位置和横摆角偏差，修正参考路径实现直车道场景追尾避撞控制。仿真和实车交叉验证试验表明：根据车辆期望横向加速度和期望横向位移建立的符合驾驶人换道避撞特性的五次多项式换道路径与驾驶人实际换道避撞路径基本吻合，结合碰撞时间和车间时距的制动避撞控制策略能够在保证车辆行驶安全舒适性的同时有效避免车辆追尾碰撞，减少交通事故的发生。     

自动驾驶对沥青面层寿命及养护成本影响分析

自动驾驶车辆具有鲁棒的横向控制稳定性与居中车道行驶偏好，这将显著影响车辆轮迹横向分布。集中的轮迹分布将加速沥青路面车辙发展，应合理利用自动驾驶车辆横向控制，量化轮迹横向分布对路面车辙发展以及建设养护成本的影响。以浙江上三高速为对象，利用视频观测现阶段车道横断面车辆横向分布状态并测量路面车辙深度，提取了车辆横向分布基准参数；据此设计了几种轮迹分布函数并构建轮迹横向分布实施流程；通过室内试验采集材料参数，建立上三高速路面结构有限元仿真模型，分析了不同自动驾驶车辆比例以及横向分布函数下沥青罩面使用年限以及年均建设养护成本。研究结果表明：按照现阶段自动驾驶车辆小于10 cm的横向分布标准差，当车辆全部自动化后，路面车辙达到15 mm的年限将由11年多提前至8年，上三高速沥青罩面年均建设养护成本将增加37.4%(达到49.9万元/km)。随着横向分布标准差的逐渐增长，自动驾驶车辆的不利作用将会逐渐减弱；当其值大于25 cm时，自动驾驶车辆将有利于减缓路面车辙发展进程，且此时自动驾驶车辆的比例越高，减缓效果越明显；均匀分布状态下，路面车辙年限将推迟约3年(升至14年)，年均建设养护成本将减少约24.2%(降至27.6万元/km)。因此，合理控制自动驾驶车辆轮迹横向分布将有效降低沥青面层建设养护成本。     

基于无人机视频拍摄的高速公路小型车换道行为特性

为了研究高速公路小型车的换道行为特性，采用2台无人机同时在200 m的高空对交通流进行拍摄，获取交通流运行状态。构建拍摄路段的高精度地图，获取每一时刻车辆的精确运行状态数据，在此基础上对2个视频进行拼接，最终获得车道位置、速度、车辆编号等8项关键指标，共提取换道行为1 520条，筛选后得到完整的自由换道数据942条。采用车辆轨迹是否持续偏移作为判断换道行为起终点的依据，在此基础上分析换道的时间长度、空间长度、与周边车辆的相互状态以及换道行为的安全性等16个特征参数。得出平均换道时间长度为6.09 s，平均换道空间距离为148.08 m，换道时间与空间长度均符合对数正态分布。换道车辆与目标车道后方车辆的平均距离最小（34.29 m），其相对距离在10 m以内的占28.24%，驾驶人为了加快行驶，在与目标车道后方车辆相对距离较小的情况下，依然采取换道措施。与正前方车辆的相对速度差最大，平均值为10.2 km·h^-1，并且在83%的情况下，本车的速度大于前车，说明车辆自由换道是由于前方车辆行驶速度较慢所引起。采用TTC，MTC分别对换道起始时刻的安全性进行分析，并将安全状态划分为4种类型：严重-紧急状态、严重-非紧急状态、非严重-紧急状态、非严重-非紧急状态。其中严重-非紧急，非严重-非紧急这2种状态占比最高。该研究成果对了解中国驾驶人在高速公路上的换道行为特性，以及对建立适用于中国实际交通环境特征的换道行为模型具有一定参考意义。     

基于车辆动力学模型的换道轨迹规划研究

针对自动驾驶车辆换道轨迹规划时的操纵稳定性问题，基于CarSim/Simulink仿真平台建立了车辆动力学模型，构建了轨迹规划系统框架，通过轨迹信息后处理并提出了目标函数设计，进行了横向控制序列采样以保证车辆的稳定与极限性能，完成了算法对轨迹的综合评价选优。随后开展了仿真试验，对比分析了轨迹跟踪控制系统下的实际轨迹、最优规划方法所规划的换道轨迹。仿真结果表明，该轨迹规划系统框架及算法模型能有效提高车辆的操纵稳定性，可实现冰雪路面等极端工况下自动驾驶车辆换道轨迹规划。