考慮經(jīng)驗(yàn)駕駛行為的入彎實(shí)時(shí)類(lèi)人速度規(guī)劃方法

關(guān)鍵詞： 自動(dòng)駕駛汽車(chē); 滑行駕駛行為；車(chē)輛入彎速度；類(lèi)人速度規(guī)劃；多目標(biāo)優(yōu)化；安全速度模型

中圖分類(lèi)號(hào)： U 469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2024.03.003

速度規(guī)劃在保障彎道行駛安全性方面扮演著重要角色，但彎道行駛僅考慮安全性難以滿(mǎn)足乘客需求，決策規(guī)劃功能還需具備協(xié)調(diào)舒適性和效率性的能力，從安全、舒適、效率等方面提升駕駛體驗(yàn)[1]。如何在保證安全性的前提下平衡舒適性和通行效率，使其符合經(jīng)驗(yàn)駕駛行為是彎道速度規(guī)劃的難點(diǎn)。

解耦的路徑—速度規(guī)劃可分為以安全為首、以時(shí)間最優(yōu)、以耗能最優(yōu)的優(yōu)化問(wèn)題[2-4]。C. Diels 等指出自動(dòng)駕駛汽車(chē)比傳統(tǒng)車(chē)輛更易使人暈車(chē)，故在規(guī)劃問(wèn)題中考慮舒適性尤為重要[5]。為綜合考慮上述目標(biāo)，目前主要結(jié)合速度曲線(xiàn)模型和各類(lèi)優(yōu)化算法[6]，將規(guī)劃問(wèn)題構(gòu)建為多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。有學(xué)者[7-8] 建立了含最短時(shí)間和最小能量的目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)調(diào)整時(shí)間項(xiàng)的權(quán)重系數(shù)平衡舒適性和通行效率。基于該思想，蘭鳳崇教授等[9] 設(shè)計(jì)了由換道時(shí)間、橫向加速度變化率均值等4 項(xiàng)指標(biāo)加權(quán)和組成的綜合優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)施加橫向加速度及橫縱向距離約束以保證換道安全性。在基于目標(biāo)項(xiàng)權(quán)重系數(shù)調(diào)節(jié)的多目標(biāo)平衡方法中，合理的權(quán)重系數(shù)選取對(duì)平衡效果極為重要，盡管現(xiàn)有文獻(xiàn)給出了不同情況下通行效率項(xiàng)的權(quán)重系數(shù)參考值，在實(shí)驗(yàn)中也取得了較好的規(guī)劃效果，但該參考值難以直接應(yīng)用于其他多目標(biāo)速度優(yōu)化模型中。

彎道行駛的安全性與縱向速度及道路曲率呈強(qiáng)非線(xiàn)性關(guān)聯(lián)，現(xiàn)有研究中安全速度約束條件一般通過(guò)限制橫向加速度不超過(guò)道路附著極限推導(dǎo)得出[10]。為使安全車(chē)速與人類(lèi)駕駛員選擇的速度相匹配，M. L.Ritchie 等[11] 發(fā)現(xiàn)人類(lèi)駕駛員不只按摩擦極限標(biāo)準(zhǔn)選擇速度，當(dāng)車(chē)速較高時(shí)，駕駛員會(huì)預(yù)估高速行駛帶來(lái)的危險(xiǎn)。因此，G. Reymond 等[12] 提出了橫向加速度裕度模型。Levison 等[13] 基于彎道行駛數(shù)據(jù)分析，提出了Levison 模型，以預(yù)測(cè)可接受的橫向加速度。L. Bosetti等[8] 考慮低速時(shí)橫向加速度飽和的情況，對(duì)Levison模型加以修正。Flash 等[14] 將速度和曲率的反比關(guān)系建模為2/3 法則。

在算法實(shí)時(shí)性方面，ZHANG Yu 等[15] 用等效沖擊度替代非線(xiàn)性、非凸的沖擊度目標(biāo)函數(shù)以建立凸優(yōu)化問(wèn)題。L. Consolini 等[16] 通過(guò)速度離散化將連續(xù)時(shí)間的速度優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為有限維度的問(wèn)題，使算法具備線(xiàn)性復(fù)雜度。

上述研究大多將規(guī)劃問(wèn)題構(gòu)建為多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化問(wèn)題，但各目標(biāo)權(quán)重系數(shù)尚無(wú)統(tǒng)一的選取依據(jù)。此外，現(xiàn)有安全速度僅考慮當(dāng)前位置的橫向安全性，未考慮道路曲率增長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生的縱向打滑風(fēng)險(xiǎn)。

本文針對(duì)舒適性與通行效率平衡問(wèn)題，基于真實(shí)經(jīng)驗(yàn)駕駛數(shù)據(jù)構(gòu)建一種同時(shí)考慮橫縱向穩(wěn)定性的安全速度模型。為保證算法實(shí)時(shí)性，利用混沌優(yōu)化算法具有偽隨機(jī)性與遍歷性的特點(diǎn)，對(duì)約束條件進(jìn)行簡(jiǎn)化，并引入滑行經(jīng)驗(yàn)駕駛行為，提出一種兼顧舒適性與通行效率的類(lèi)人速度規(guī)劃方法，對(duì)車(chē)輛入彎時(shí)的駕駛性能進(jìn)行優(yōu)化。

1 最優(yōu)控制問(wèn)題

可將圖1所示彎道場(chǎng)景的入彎速度規(guī)劃問(wèn)題，定義為非線(xiàn)性?xún)?yōu)化（non-linear programming，NLP） 問(wèn)題。

式（2） 是由終端型和積分型性能指標(biāo)組成的目標(biāo)泛函，二者分別表示末端狀態(tài)與給定終端狀態(tài)的接近程度和動(dòng)態(tài)過(guò)程的能量消耗。非線(xiàn)性?xún)?yōu)化NLP的約束有車(chē)輛動(dòng)力學(xué)約束（1）、始末狀態(tài)約束（3） 及由安全性約束和舒適性約束構(gòu)成的多重性能約束（4）。

4 結(jié)果與仿真驗(yàn)證分析

4.1 運(yùn)行環(huán)境搭建

為驗(yàn)證所提策略的工程應(yīng)用性，搭建圖6 所示的硬件在環(huán)（hardware in loop，HIL） 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。速度規(guī)劃模塊基于環(huán)境感知信息和車(chē)輛當(dāng)前位置及速度等信息，規(guī)劃出期望速度。控制模塊以車(chē)輛當(dāng)前橫向偏差、縱向速度偏差為輸入，輸出制動(dòng)力和方向盤(pán)轉(zhuǎn)角指令。最后，由車(chē)輛模型對(duì)控制指令進(jìn)行響應(yīng)。各層使用Kvaser 設(shè)備通過(guò)CAN 總線(xiàn)傳輸信息。

采用2.1節(jié)道路模型描述彎道場(chǎng)景，具體場(chǎng)景參數(shù)如表1 所示，速度規(guī)劃參數(shù)見(jiàn)表2。本文僅以上述參數(shù)為例分析所提策略的規(guī)劃性能，通過(guò)調(diào)整道路參數(shù)可使其應(yīng)用于其他彎道場(chǎng)景，設(shè)置不同規(guī)劃參數(shù)可滿(mǎn)足乘客不同需求。

4.2 安全速度分析

為驗(yàn)證所提方法可保證車(chē)輛橫縱向穩(wěn)定性，本節(jié)采用表1 道路參數(shù)，與2/3法則、修正的Levison 模型、Reymond 模型的安全速度及橫縱向加速度進(jìn)行對(duì)比，并探究不同v0 對(duì)安全速度的影響。如圖7 所示。

3種對(duì)比模型的安全速度僅考慮當(dāng)前曲率對(duì)橫向穩(wěn)定性的影響，當(dāng) 較大時(shí)縱向減速度超出路面最大附著。而所提安全速度模型同時(shí)考慮了當(dāng)前曲率和未來(lái)曲率變化的影響，安全速度上下界內(nèi)的任意速度產(chǎn)生的橫縱向加速度均滿(mǎn)足摩擦圓約束，保證了彎道橫縱向穩(wěn)定性。圖7a 表明：道路曲率最大處的安全速度上界值為70 km/h。

5 結(jié)論

為解決速度規(guī)劃中舒適性與效率性平衡問(wèn)題，本文提出了考慮經(jīng)驗(yàn)駕駛行為的類(lèi)人速度規(guī)劃方法。

在舒適模式中，入彎速度低于或近似最大滑行初速度時(shí)車(chē)輛近似滑行入彎，以保證較好的舒適性；當(dāng)初速度較大時(shí)，則制動(dòng)減速入彎，通行效率最大可提高61%。在效率模式中，車(chē)輛采用短距離制動(dòng)入彎，通行時(shí)間顯著縮短，通行效率最大可提高88%。為保證實(shí)時(shí)性，通過(guò)定義奇點(diǎn)速度簡(jiǎn)化了沖擊度約束條件，基于混沌優(yōu)化提出了具備概率完備性的實(shí)時(shí)求解算法，與遍歷求解算法相比，計(jì)算效率提高了約22%，兼顧了求解效率與求解精度。

該方法以真實(shí)道路中的連續(xù)彎道為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)硬件在環(huán)驗(yàn)證了所提策略的魯棒性及工程應(yīng)用性，在保證彎道橫縱向穩(wěn)定性的前提下，可規(guī)劃出符合人類(lèi)駕駛習(xí)慣的最佳規(guī)劃距離及速度，滿(mǎn)足乘客對(duì)舒適性、效率性和安全性的需求。未來(lái)可開(kāi)展基于該方法的車(chē)輛避障、自適應(yīng)巡航等控制研究。