一体式车辆避撞轨迹规划与跟踪控制

为提升复杂交通环境中智能车辆的避撞能力,将路径规划、速度规划及跟踪控制整合为一个优化问题,提出一种基于模型预测控制(MPC)的一体式车辆避撞轨迹规划和跟踪控制方法。首先,分析实际交通环境中的避撞场景,将智能车辆的避撞控制问题转化为多约束优化问题;其次, 搭建7DOF(七自由度)车辆动力学模型和复合滑移工况的UniTire轮胎模型设计MPC控制器;再次,针对变速控制问题中传统基于时域预测模型的MPC控制方法无法在预测时域中实现车辆空间和位姿约束的问题,设计了基于空间域预测模型的MPC控制器;最后,基于Matlab和CarSim联合仿真平台设计了不同避撞场景验证所提方法,并与现有基于恒速假设的一体式避撞控制方法进行对比。仿真结果表明：所提方法能够充分发挥车辆的机动性能,解决现有一体式控制方法在 复杂环境中避撞失败的问题,并保证避撞过程稳定和轨迹平滑。     

基于元胞自动机的竞争型换道模型

为研究车辆在换道过程中存在的互不相让、相互竞争的现象,运用元胞自动机理论,提出一种竞争型的换道模型。首先,将换道分为换道需求判断和换道实施过程两部分;然后,在需求判断中引入邻车道速度累积优势,在换道实施过程中引入竞争程度定义换道新规则;最后,在不同交通密度下对竞争换道模型进行仿真,并与自由换道和协作换道进行对比分析。结果表明：不同密度下协作换道模型得到的车流量和车辆平均速度均高于其他换道模型;在一定密度范围内,竞争换道得到的车流量和车辆速度比自由换道高;但当密度较高时,竞争换道对车辆的速度以及交通密度可能产生负面影响。这说明协作换道能提高车辆速度,有效缓解交通阻塞;而竞争换道对车辆速度的提升不明显,并且采用竞争换道对交通流有影响,有时可能会降低道路的通行能力。     

不同车辆工况对协同自适应巡航控制车队行驶安全的影响

基于横向控制器和纵向控制器模型,包括校正的预瞄驾驶员模型、加速度控制模型、节气门控制模型和制动器控制模型,建立Matlab/Simulink 和CarSim 车辆联合仿真平台,并对其可行性进行分析与验证.利用平台分别仿真协同自适应巡航控制(Cooperative Adaptive Cruise Control, CACC)车队车辆紧急刹车,通信延时,起步加、减速工况和车队前方插入换道车辆4 种情况下CACC车辆的行驶状况.仿真发现：紧急刹车时车队能够实现较好的紧急避撞;在通信延时的情况下,车队仍能保证行车安全;车队起步、减速工况运行较平稳,但加速度并不平稳,不利于车队后方车辆的乘坐舒适性;车队对前方插入不同速度的车辆能够及时响应并最终恢复安全行车间距.     

不同车辆工况对协同自适应巡航控制 车队行驶安全的影响

基于横向控制器和纵向控制器模型,包括校正的预瞄驾驶员模型、加速度控制模型、节气门控制模型和制动器控制模型,建立Matlab/Simulink 和CarSim 车辆联合仿真平台,并对其可行性进行分析与验证.利用平台分别仿真协同自适应巡航控制(Cooperative Adaptive Cruise Control, CACC)车队车辆紧急刹车,通信延时,起步加、减速工况和车队前方插入换道车辆4 种情况下CACC车辆的行驶状况.仿真发现：紧急刹车时车队能够实现较好的紧急避撞;在通信延时的情况下,车队仍能保证行车安全;车队起步、减速工况运行较平稳,但加速度并不平稳,不利于车队后方车辆的乘坐舒适性;车队对前方插入不同速度的车辆能够及时响应并最终恢复安全行车间距.     

网联自动驾驶环境下改进的加权MOBIL自主性换道决策模型

为了提高高速公路运行效率,减少交通拥堵和交通事故的发生,改进了传统的MOBIL自主性换道决策模型.在网联自动驾驶的环境中考虑车辆换道后对原车道与目标车道多辆后随车制动影响程度的不同,构建权重因子表达式.利用MATLAB软件进行数值仿真实验,通过定性与定量分析将提出的加权MOBIL自主性换道决策模型与传统模型进行比较.实验结果表明:与传统换道模型相比,加权MOBIL换道决策模型能提高交通流的平均速度,减少延误以及减少整体的制动幅度.因此,提出的改进加权MOBIL自主性换道决策模型能提高交通流的运行效率以及安全性.     

基于随机效用理论的城市道路车辆自由换道行为研究

为深入分析城市道路驾驶员换道行为的影响因素，基于大连市西南路路段的车辆运行轨迹 数据，引入随机效用理论，建立了城市道路车辆自由换道模型，并对模型进行了标定和验证，且 应用弹性理论定量分析了换道概率对不同因素的敏感度。结果表明，所建模型可以较好地预测车 辆的自由换道行为；驾驶员换道决策对本车与当前车道前方车辆之间的车头间距最为敏感；相对 于当前车道前方空隙的刺激，相邻车道驾驶环境的诱惑对驾驶员换道决策的影响较小，说明在前 方无不利刺激（狭小的驾驶空间或加速空间） 的情况下，驾驶员在行驶过程中倾向于保持在当前 车道。该研究结果可进一步应用于城市道路换道行为的微观仿真研究中，以提高其仿真精度。     

基于前车运动状态的运动学安全距离完善研究

根据前车的加速度大小及其变化率对前车的运动状态进行判断,当前车处于紧急制动或持续加速时,对基于车辆制动过程运动学分析的安全距离模型进行修正完善。在双轮模型的基础上进行了仿真实验,结果表明:当前车出现撞车时,完善后的模型依然能够达到避撞目的,当前车处于持续加速时,完善后模型在保证安全的前提下改善了道路的通过性。     

考虑与跟驰模型结合的自由换道模型及仿真

考虑跟驰过程与换道过程的结合,在车辆换道过程的具体实施过程中引入跟驰模型,以全速度差模型为基础,对换道过程中的换道加速度进行确定,并通过对天津市视频录像换道时间的统计分析,建立了换道距离与换道时车头偏角之间的关系.最后利用Netlogo平台对模型进行了实现与仿真分析,结果表明:该模型很好地体现了实际换道的特点.     

基于换道概率分布的多车道交织区元胞自动机模型

交织区是快速路系统的重要组成部分，由于车辆频繁换道、相互作用复杂，容易造成交通瓶颈。本文提取城市多车道交织区时间分辨率为0.1 s、空间分辨率为0.1 m·px-1 的高精度车辆轨迹，分析交织区及相邻路段的交通流和车辆行为特性，提出分区元胞自动机模型。在上游和下游换道模型中，建立基于速度差、车辆间距的换道动机规则、间距规则及Logistic换道概率规则。对于交织影响区，建立考虑速度、间距及路径转换需求的换道动机规则，根据安全风险构建换道时机的多步决策规则，提出基于换道频率Gaussian分布模型的换道概率规则，并对主要参数进行灵敏度仿真测试分析，模型具备评估交织区不同换道状态的实际应用潜力。仿真与实测显示，本文 模型流量、速度、密度及换道分布等特性与实际相符，能有效反映车辆在不同位置的换道需求与强度差异性，刻画多车道交织区复杂的换道行为。     

基于贝叶斯网络的车辆换道模型

车辆换道行为是微观交通流中最基本的驾驶行为之一,研究车辆换道行为可以提高车辆换道模型的仿真精度和减少由不合适的车辆换道行为引发的交通事故.当前车辆换道模型大多是基于驾驶员的决策思维方式建立的决策模型,这类模型的缺点是很难捕捉到驾驶员在决策过程中一些潜在决策模式和考虑的影响因素.鉴于此,本文引入了一种典型的人工智能方法--贝叶斯网络,建立了一个全新的车辆换道模型,试图通过机器学习的途径来提高车辆换道模型的精度.采用了分段离散化的方法对数据进行预处理,然后使用处理后的数据对贝叶斯网络的结构和参数进行学习,并分别建立了与两种贝叶斯网络结构相对应的车辆换道模型,最后对建立的模型分别进行验证.模型的验证结果表明,建立的基于贝叶斯网络的车辆换道模型对换道行为的识别率可以达到88%以上. 此模型还可进一步应用到驾驶员辅助系统的开发中.     

交叉口车辆跟驰换道模型构建及仿真

为了提高城市交叉口的通行能力、保障交通安全、研究车辆行驶规律,提出了一种新的与跟驰结合的换道概率实时判断模型。首先,从车辆运行状态出发,将交叉口车辆行驶过程分为跟驰-换道-再跟驰3个阶段;然后,在全速差跟驰模型(Full Velocity Difference Model,简称FVD模型)的基础上,将跟驰与换道模型相结合,根据3阶段建立换道概率模型,并利用实测数据进行参数标定;最后,通过模拟仿真交叉口路段,对模型影响因素进行分析。仿真结果显示,在靠近交叉口停车线过程中,车流速度浮动会趋于平稳;当离交叉口停车线距离、车辆分布情况均相同时,相同道路环境下,前方车辆中大型车辆的比例越高,车辆换道概率越大,大型车辆比例上升20%,车辆换道概率上升3%;当前方大车比例、车辆分布情况相同时,离停车线距离增加100m,车辆换道概率增加10%。这符合实际运行中车辆运行规律,可为探究其他影响因素提供参考。     

轨迹数据驱动的车辆换道意图识别研究

为实现准确识别车辆换道意图，提高车辆行驶安全性，综合考虑车辆换道过程的时空特性及不同特征对车辆的影响程度，提出一种基于卷积神经网络(CNN)与门控循环神经网络(GRU)组合并融合注意力机制的换道意图识别模型。首先，筛选和平滑处理车辆轨迹数据，将车辆轨迹数据分为向左换道、向右换道及直线行驶3类，构建换道意图样本集。其次，构建融合注意力机制的 CNN_GRU模型，识别换道意图样本集，考虑到行驶过程中车辆之间的交互性，将被预测车辆和周围车辆的位置和速度信息作为模型的输入，经过CNN层特征提取的特征作为GRU层的输入，经过注意力机制层对不同的特征增加不同的权重系数，利用 Softmax 层识别换道意图。最后，选用 NGSIM 中 US-101 数据集的轨迹数据验证融合注意力机制的 CNN_GRU模型性能， 同时，与LSTM、GRU、CNN_GRU及CNN_LSTM_Att等模型进行对比分析。验证结果表明，所提模型车辆换道意图识别整体准确率达到97.37%，迭代时间为6.66 s，相比于其他模型准确率最多提高9.89%，最少提高2.1%。分析不同预判时间下的意图识别，模型可在车辆换道前2 s 内均能识别换道意图，准确率在89%以上，表现出良好的识别性能。     

考虑驾驶员特性的公交车进、出站行为对道路交通流的影响

在换道模型的基础上,提出了考虑驾驶员特性的公交车辆换道模型,分析了公交车换道进站过程占用车道数、换道始点位置和出站合流等过程对路段交通流的影响,并用MATLAB软件对模型进行了仿真,得到了不同换道行为对交通流的影响规律,为规范公交车进、出站行为提供参考依据.     

基于分子动力学的车辆换道交互行为特性及其模型

传统换道模型中,把前后临界空隙作为参数固定数值,忽视了车辆和车道间的动态交互作用等因素.从分子动力学角度,系统考虑跟驰需求安全特性,从动态的需求安全距离角度研究车辆在“跟驰-换道-跟驰”过程中的行驶状态转换.确保在换道完成时,换道车辆和目标车道后车能以需求安全距离进行跟车行驶,建立了模拟分子动力学的期望安全间距模型,并对模型进行了仿真分析.结果表明,分子动力学特性模型可以把跟驰行为和换道行为很好地结合起来.研究成果为分析车辆运行交互特性,车辆可变限速技术,自适应巡航控制技术等提供理论依据和技术支撑.     

车辆换道纵横向耦合控制

基于车辆纵横向动力学耦合模型,研究了自动化公路系统车辆换道纵横向耦合控制.假定换道过程中车辆横向加速度满足梯形约束,根据期望换道轨迹计算车辆换道时的期望横摆角和横摆角速度,依靠车载传感器获得车辆横摆角速度信息.采用有限时间滑模趋近律,设计了车辆换道纵横向耦合变结构控制规律.基于李雅普诺夫稳定性理论,对控制系统的稳定性进行了分析,得到了系统渐进稳定的充分条件.仿真结果表明:采用该控制规律,车辆在纵向速度变化的情况下能够良好地跟踪期望换道轨迹,跟踪误差小于0.06 m.     

多车道元胞自动机换道决策模型的冲突处理策略

换道模型是多车道元胞自动机交通流模型的核心子模块之一，在分析现实中驾驶员执行换道时处理车辆冲突过程的基础上，依据其蕴含的不同换道驾驶行为特征把驾驶员采取的换道冲突策略划分为保守型、机敏型与激进型3 类，并通过进一步优化车辆状态更新算法，提出了换道冲突处理多策略，车辆状态更新次序随机的多车道换道模型.运行模型获得不同空间占有率条件下，驾驶员分别采取保守、机敏或激进策略时所产生的换道动机次数和换道成功次数.通过数据分析发现：在特定空间占有率区间，不同换道冲突处理策略将引起较显著换道动机概率差异与换道成功概率差异.     

强制性换道的空间特征对分流区交通流的影响

为研究车辆在多车道分流区的跟驰换道行为，将强制性换道划分为激进型和保守型.在考虑驾驶员换道需求与空间位置关系的基础上，量化两种强制性换道行为的转换条件，并给出车辆强制性换道规则；对跟驰模型中的减速度参数进行优化，建立多车道下分流车辆的跟驰换道模型；采用实际数据标定模型中关键参数，并验证模型的可行性.仿真结果表明：分流车辆的横向空间分布对交通流的干扰具有显著性影响；当分流车辆集中在最左侧车道时，中间2车道的运行速度波动明显，折减量最大时达到51.4%，恢复稳定所需时间更多；通过 4组实验场景发现，分流车辆的合理空间分布对交通流运行速度有较大的改善作用.     

混合自动驾驶场景多换道需求下的主动间隙适配和换道序列规划

为解决城市道路拥挤状态下车辆可行换道间隙少、换道时间长,进而导致停车等待、堵塞后续车流等问题,本文基于智能网联环境下车辆之间的交互协同,提出了一种混合自动驾驶场景多换道需求下的主动间隙适配和换道序列规划模型.首先,采用多项式和三角函数分别描述了换道过程中的空间轨迹和速度曲线,得出了换道间隙可行性判别依据.在此基础上,构造了换道启动可行状态集合,并构建了单个换道请求下的间隙适配和协同换道的最优控制模型.然后,考虑多换道需求,构建了主动间隙适配和换道序列规划模型,对换道序列进行整体优化.最后,设计了数值仿真实验,验证了本文模型可对多换道需求进行时空优化.仿真实验结果表明,本文模型能够降低换道行为对城市道路通行能力的影响,且适用于不同的交通需求,模型可提升24％的道路通过量.     

基于分子动力学的车辆换道交互行为特性及其模型

传统换道模型中,把前后临界空隙作为参数固定数值,忽视了车辆和车道间的动态交互作用等因素.从分子动力学角度,系统考虑跟驰需求安全特性,从动态的需求安全距离角度研究车辆在“跟驰—换道—跟驰”过程中的行驶状态转换.确保在换道完成时,换道车辆和目标车道后车能以需求安全距离进行跟车行驶,建立了模拟分子动力学的期望安全间距模型,并对模型进行了仿真分析.结果表明,分子动力学特性模型可以把跟驰行为和换道行为很好地结合起来.研究成果为分析车辆运行交互特性,车辆可变限速技术,自适应巡航控制技术等提供理论依据和技术支撑.     

高速公路车辆换道行为风险研究

换道作为车辆的基本驾驶行为之一,对道路上车辆的运行安全有着至关重要的影响.针对高速公路上换道行为导致事故频发的现状,通过对换道车辆及其相邻车辆在换道过程中的运行特征及位置、速度关系进行分析,构建车辆安全换道模型.研究结果表明:通过对不同换道特征的换道行为进行MATLAB仿真,可确定车辆之间的不同速度、加速度情况及驾驶员反应时间下的动态安全距离,以此来确定换道安全和风险的动态临界阈值,为自动驾驶换道预警系统提供理论上的支撑.