Optimal vehicle trajectory planning in the context of cooperative merging on highways

One of the main triggers of traffic congestion on highways is vehicle merging at on-ramps. The development of automated procedures for cooperative vehicle merging is aimed to ensure safety and alleviate congestion problems. In this work, a longitudinal trajectory planning methodology is presented, developed to assist the merging of vehicles on highways; it achieves safe and traffic-efficient merging, while minimizing the engine effort and passenger discomfort through the minimization of acceleration and its first and second derivatives during the merging maneuver. The problem is formulated as a finite-horizon optimal control problem and is solved analytically. This enables the solution to be stored on-board, saving computational time and rendering the methodology suitable for practical applications. The tunable weights, used for taking into account the different optimization criteria, may serve as parameters to match the individual driver’s preferences. The proposed methodology is first developed for a pair of cooperating vehicles, a merging one and its putative leader. Moreover, an alternative solution procedure via a time-variant Linear-Quadratic Regulator approach is also presented. A Model Predictive Control (MPC) scheme is utilized to compensate possible disturbances in the trajectories of the cooperating vehicles, whereby the analytical optimal solution is applied repeatedly in real time, using updated measurements, until the merging procedure is actually finalized. Subsequently, the methodology is generalized for a set of vehicles inside the merging area. Various numerical simulations illustrate the validity and applicability of the method.     

基于逆推方法的非线性船舶航迹跟踪控制

基于包括科氏向心矩阵和非线性阻尼项的、带恒值扰动的非线性船舶水面运动数学模型,采用带积分器的逆推(Backstepping)设计工具,设计船舶航迹跟踪控制律;并借助Lyapunov函数、应用相关引理证明了所设计的船舶航迹跟踪控制律使得最终的闭环航迹跟踪控制系统一致全局渐近稳定,达到航迹跟踪控制的目的.仿真研究表明,所设计的控制律使船舶能够克服恒值扰动跟踪期望航迹,且控制量合理,从而验证了所设计控制律的有效性.     

基于扰动传播特征的随机Newell跟驰模型

为研究快速路场景下小汽车跟驰行为,本文从北京市快速路交通流视频中提取高时间分辨率的机动车运行轨迹数据.统计发现,在不同跟驰速度下,小汽车车头时距均服从对数正态分布;利用动态时间规整算法提取小汽车的反应时间与扰动传播速度等特征参数,分别标定其概率分布函数,证明跟驰过程中小汽车的反应时间分布峰值和数学期望分别为1.0 s 和1.57 s;在挖掘反应时间、扰动传播速度与车头时距量化关系的基础上,建立基于交通扰动传播特征的随机Newell跟驰模型,并标定得到分速度区间的模型参数.仿真结果表明,本文提出的随机Newell跟驰模型能有效刻画跟驰行为与扰动传播间的关联特征,同时生成符合预期的交通流基本图.新模型能够为跟驰行为随机特征对交通状态的影响研究(如交通流陡降、宽移动阻塞等)提供支持.     

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通过数据融合技术确定车辆实际运行轨迹,本文首先基于三角形相似原理和图形透视原理建立了通过视频图像提取车辆轨迹的模型．在分析视频数据与GPS数据优缺点的基础上,提出利用视频数据标定GPS数据状态的数据融合方法．为了能够标定视频检测器未覆盖的路段的GPS数据状态,提出了标志速度方法．利用融合的车辆实际轨迹,能够实现在线评价线控协调方案的效果,解决了已有需要假设条件评价线控协调方案性能方法的不足．     

气动-引力辅助轨道机动轨迹优化方法

为使航天器在星际航行中实现轨道机动且有效节省燃料,建立了AGA(aero-gravity assist)机动的动力学方程和性能指标函数,给出终端约束和路径约束条件,用拟谱法将连续两点边值问题转换为等价的非线性规划问题,应用SNOPT软件求出飞行器最大化日心速度和最小化日心速度对应的最优轨迹,最后对轨迹优化算法进行了仿真,得出在热流速率峰值约束下的最优轨迹变化规律.结果表明,节点数为40时,最大速度偏差为0.009 m/s,满足收敛精度要求;与引力辅助轨道机动相比,极大化日心速度增大了8.02%,极小化日心速度减小了32.26%,相应偏转角分别增加了42.74°和68.40°;与无热流速率约束情况相比,最大热流速率峰值为500 W/(cm2.s)时,飞行器进入大气的深度、日心速度和偏转角分别减少6.35 km、93 m/s和6°.     

地磁与惯性汽车导航系统

介绍汽车内部信息导向行驶系统中地磁与惯性汽车导航系统的构成、原理及应用实例。     

基于hp自适应伪谱法的智能汽车紧急变道轨迹规划与优化

为了提高智能汽车紧急变道轨迹规划的实时性和适应性,将紧急变道过程分为初始阶段和跟踪阶段,初始阶段的轨迹由优秀驾驶人紧急变道模型产生,跟踪阶段的轨迹采用Sigmoid函数规划出紧急避让路径。首先通过聚类分析处理优秀驾驶人转向操作的实车试验数据,拟合得出紧急变道过程中的方向盘转角随时间的关系（即驾驶人紧急变道模型）,作为智能汽车在紧急变道初始阶段不同速度下车辆控制的输入量。然后通过建立与求解约束方程,满足避撞约束、侧向位移约束以及最大侧向加速度约束,得出Sigmoid函数表达式,作为智能汽车在紧急变道过程跟踪阶段的参考路径。最后利用hp自适应伪谱法加入切换点的物理量约束,逼近全局正交多项式的状态量和控制量,自动调整和处理2个阶段的切换点位置和衔接问题,以最小变道距离为目标对跟踪阶段的变道轨迹进行优化。运用PreScan与MATLAB对4种不同工况下的紧急变道轨迹规划进行联合仿真。结果表明：提出的轨迹规划与优化方法在满足各项约束的情况下成功避开障碍物,同时缩短了需要优化的轨迹,优化时间都小于0.9 s,并且与基于多项式函数轨迹规划方法相比,该方法能够以距障碍物较远的距离避开障碍物,在不同的车辆速度、道路曲率和障碍物宽度的复杂工况下具有更好的适应性。     

小型开架式水下机器人水动力特性仿真研究

  目的  旨在分析研究水下机器人水平面轨迹跟踪的问题。  方法  首先,基于水下机器人平面轨迹跟踪控制目标对机器人系统三自由度运动方程进行推导;然后,通过STAR-CCM+和ANSYS AQWA软件分别获取机器人阻力项参数和附加质量项参数,并结合机器人自身动力配置条件、计算所得的水动力参数,基于反步法和滑模控制技术对其进行控制策略设计;最后,使用该控制策略针对机器人水平面线性运动轨迹和非线性运动轨迹在Matlab/Simulink平台进行轨迹跟踪仿真计算。  结果  结果表明：水下机器人能够针对上述两类运动轨迹实现较好的跟踪效果,且螺旋桨推力变化平缓。  结论  所设计的控制器可以使水下机器人快速跟踪目标运动轨迹,并保持较好的持续跟踪效果。     

基于轨迹大数据的城市交通感知和路网关键节点识别

结合城市道路网络的拓扑结构特征和交通流特性,建立基于有向加权复杂网络的城市交通网络关键节点识别模型.以兰州市连续7天的出租车GPS数据为基础,分析并可视化呈现兰州市在工作日和非工作日的城市交通流状态,并采用基于DWNodeRank的有向加权复杂网络关键节点识别方法对兰州市路网关键节点进行识别研究.本文研究方法和结果可为交通管理部门的规划、设计和管理提供科学指导.