智能汽車換道路徑規(guī)劃研究

吉思源

摘 要：換道是智能汽車在道路行駛操作中重要部分之一。傳統(tǒng)的換道路徑規(guī)劃方法在進(jìn)行換道路徑規(guī)劃時(shí)往往只考慮車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)約束，所生成的換道路徑與熟練駕駛員駕駛車輛的行駛軌跡有很大差別。因此，文章通過研究熟練駕駛員的換道行駛路徑特征，提出了一種仿熟練駕駛員換道路徑規(guī)劃方法，能夠有效提高智能汽車舒適性。關(guān)鍵字：智能汽車;路徑規(guī)劃;換道;舒適性中圖分類號：TP212 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號：1671-7988（2019）01-27-03

Study on the Route Planning of Smart Vehicle

Ji Siyuan

（ Nanjing No.29 Middle School， Jiangsu Nanjing 210000 ）

Abstract：?Lane-changing is an important operation of the intelligent vehicle driving on the road. Only the kinematic and dynamic constraints are taken into account in the traditional path planning methods， and the path generated by the traditional methods is very different from the actual trajectory of the vehicle driven by the experienced driver.?In this paper， a path planning method for imitating the lane-changing operation of experienced driver is presented by studying the characteristics of lane-changing path of the experienced drivers. The results show that the method can effectively improve the passenger comfort of intelligent vehicles.Keywords： Intelligent vehicle; Path planning; Lane changing; Passenger?comfortCLC NO.： TP212??Document Code： A??Article ID：?1671-7988（2019）01-27-03

1 引言

近年來，隨著車輛保有量的持續(xù)增加，交通安全問題在不斷惡化。大力發(fā)展智能汽車，實(shí)現(xiàn)無人駕駛，能夠有效地改善交通安全問題。無人駕駛技術(shù)主要由三大模塊組成：環(huán)境感知模塊、路徑規(guī)劃模塊以及軌跡跟蹤模塊^[1]。其中，路徑規(guī)劃又分為局部路徑規(guī)劃和全局路徑規(guī)劃。局部路徑規(guī)劃根據(jù)環(huán)境感知模塊得到的車輛周圍環(huán)境信息以及行駛工況信息，在保證車輛安全行駛的前提下，滿足車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)約束，為智能汽車規(guī)劃出一條在下一段時(shí)間內(nèi)的行駛路徑^[2]。

換道行為是智能汽車在道路行駛操作中的重要組成部分之一，涉及車輛的橫向和縱向速度與位移的同時(shí)變化。在考慮障礙物、道路形狀以及車輛動(dòng)力學(xué)等因素影響的基礎(chǔ)上，采用人工勢場法^[3]、最優(yōu)控制等先進(jìn)算法進(jìn)行路徑規(guī)劃時(shí)，會(huì)導(dǎo)致軌跡曲率發(fā)生突變。換道路徑的優(yōu)劣嚴(yán)重影響著智能汽車的平順性和舒適性，采用曲率連續(xù)的曲線所規(guī)劃的路徑能夠滿足車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)的要求?；谇蔬B續(xù)曲線所生成的行駛路徑的特征與控制點(diǎn)的選擇有很大的關(guān)系，當(dāng)換道開始與結(jié)束位置確定時(shí)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)約束可以規(guī)劃出一條平滑的行駛路徑。然而在換道起點(diǎn)與終點(diǎn)相同的情況下，不同類型的駕駛員所選擇的換道路徑也會(huì)不同，換道過程狀態(tài)往往會(huì)對車輛行駛舒適性造成影響。

傳統(tǒng)的換道軌跡規(guī)劃算法往往只考慮車輛安全性及運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的約束，不能滿足不同乘客對車輛舒適性的要求^[4-5]。針對現(xiàn)階段換道軌跡算法只考慮換道結(jié)束位置，不考慮換道過程的問題，本文通過邀請不同的駕駛員駕駛不同的試驗(yàn)車輛進(jìn)行換道操作，同時(shí)記錄下?lián)Q道行駛路徑，分析換道過程特征點(diǎn)和換道結(jié)束位置點(diǎn)的特性。采用多項(xiàng)式對試驗(yàn)軌跡進(jìn)行擬合，得到不同駕駛員在不同工況下所選擇的換道行駛路徑?；谠囼?yàn)所得到的最優(yōu)軌跡數(shù)據(jù)庫，采用MATLAB自帶的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱建立熟練駕駛員換道模型，提出一種基于熟練駕駛員的換道軌跡規(guī)劃算法，能夠滿足不同類型乘客對車輛行駛舒適性的要求，減少智能汽車乘客的暈車概率。

2 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理

2.1 換道試驗(yàn)

為了研究不同駕駛員在不同工況下?lián)Q道操作的特性，本文通過邀請5位熟練駕駛員進(jìn)行實(shí)車換道試驗(yàn)，駕駛員信息如表1所示。由于駕駛經(jīng)驗(yàn)和個(gè)性的不同，不同駕駛員的駕駛習(xí)性將會(huì)不同，根據(jù)駕駛員駕駛習(xí)性的不同，我們把駕駛員分為激進(jìn)型、中間型和保守型三種。在行駛過程中，車輛由于避障或超車等原因需要進(jìn)行換道操作。本實(shí)驗(yàn)把換道分為兩個(gè)工況：避障換道和普通換道。出于安全考慮，通過改變實(shí)驗(yàn)樁的位置來模擬不同的障礙距，圖1所示為進(jìn)行避障實(shí)車實(shí)驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

為了更加準(zhǔn)確的對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，需要將GPS記錄的大地坐標(biāo)系（LLA）中經(jīng)度、緯度和高程等數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地理坐標(biāo)系（g）中的坐標(biāo)。然而，大地坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系之間很難進(jìn)行直接互換，此時(shí)需引入地球直角坐標(biāo)系（e）。如圖2所示，為大地坐標(biāo)系、地理坐標(biāo)系和地球直角坐標(biāo)系的關(guān)系。

圖中p點(diǎn)在大地坐標(biāo)系（LLA）中的坐標(biāo)為（L，λ，h），在地球直角坐標(biāo)系（e）中的坐標(biāo)為（X_e，Y_e，Z_e）。通過式（1）可以得到點(diǎn)p在地球直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

式中：R_N是橢球曲率半徑，;e是橢球偏心率，，橢球長半徑R_e，橢球短半徑R_p。

為了便于以后對行駛路徑的分析，將地理坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在行駛軌跡的初始記錄點(diǎn)，需要對地球直角坐標(biāo)系中每個(gè)采樣點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行式（2）的變換。

接著，將地球直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)經(jīng)過式（3）變換為地理坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

至此，車輛換道試驗(yàn)行駛路徑就可以在地理坐標(biāo)系中二維平面內(nèi)用二維坐標(biāo)（x_g，y_g）來準(zhǔn)確表達(dá)。將車輛行駛路徑的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為二維平面坐標(biāo)，為接下來的路徑擬合奠定了基礎(chǔ)。

3 仿熟練駕駛員操縱特性的換道路徑規(guī)劃

路徑曲線的曲率連續(xù)是影響車輛平穩(wěn)行駛最重要的因素之一。多項(xiàng)式表達(dá)式簡潔明了，各階導(dǎo)數(shù)連續(xù)，且只需要改變各項(xiàng)系數(shù)，就可以得到不同的形狀。因此，本文使用多項(xiàng)式曲線可以準(zhǔn)確擬合出不同工況下的行駛路徑。通過確定車輛換道起點(diǎn)和終點(diǎn)的狀態(tài)，很難刻畫出熟練駕駛員換道過程中的特征，需加入換道過程狀態(tài)約束。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將整個(gè)換道過程可以分為三個(gè)階段：避撞、回轉(zhuǎn)及調(diào)整階段，用回轉(zhuǎn)階段末的車輛位置狀態(tài)（x_m，y_m）作為換道過程點(diǎn)的狀態(tài)約束?？紤]起點(diǎn)和終點(diǎn)一階及二階導(dǎo)數(shù)為零的約束，采用六次多項(xiàng)式作為換道軌跡的表達(dá)式，如式（4）所示：

為了提高智能汽車在換道工況下的舒適性，以不同類型的熟練駕駛員在不同工況下所選擇的試驗(yàn)路徑數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用MATLAB自帶的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱建立熟練駕駛員換道路徑規(guī)劃模型。訓(xùn)練模型輸入有速度、駕駛類型、換道意圖以及障礙距離，輸出為車輛過程點(diǎn)狀態(tài)坐標(biāo)（x_m，y_m）和結(jié)束點(diǎn)縱向距離x_f。此外，車道寬D為已知量。如表2所示為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練數(shù)據(jù)分類。

4 仿真分析

為了驗(yàn)證本文提出的仿熟練駕駛員換道路徑規(guī)劃算法在不同工況下的性能，基于軟件，進(jìn)行了不同工況下的仿真試驗(yàn)。

設(shè)置避障仿真試驗(yàn)工況：駕駛類型為激進(jìn)型，速度40km/?h，車道寬為3.75m，開始轉(zhuǎn)向時(shí)前方障礙距本車35m。圖3（a）為激進(jìn)型駕駛員在車速為40km/h下仿真換道軌跡和實(shí)際

軌跡。圖3（b）為避障換道仿真軌跡與實(shí)際軌跡之間的橫向偏差，最大橫向偏差僅為0.075m，精度較高。

5 總結(jié)

本文提出了一種新的智能汽車換道路徑規(guī)劃方法?？梢愿鶕?jù)車輛的車速、換道意圖、障礙距以及駕駛風(fēng)格實(shí)時(shí)地輸出一條能夠使車輛平穩(wěn)行駛的路徑。首先通過大量的實(shí)車實(shí)驗(yàn)得到熟練駕駛員在不同工況下所選擇的換道行駛路徑，接著提取每條換道軌跡的結(jié)束點(diǎn)以及過程特征點(diǎn)，得到每條路徑的表達(dá)式。然后基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立熟練駕駛員模型，并采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練。最后通過仿真試驗(yàn)可以看出，本文所設(shè)計(jì)的算法能夠根據(jù)車輛行駛工況及駕駛類型的不同，生成一條理想的換道軌跡，此路徑與相同工況下熟練駕駛員所選擇的換道軌跡基本吻合。因此，本文提出的換道路徑規(guī)劃算法可以模仿熟練駕駛員實(shí)現(xiàn)換道，提高智能汽車換道行駛時(shí)的穩(wěn)定性，增加了乘客的舒適性，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)無人駕駛車輛的個(gè)性化行駛。

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