一种自动驾驶专用相位下的车辆轨迹优化方法与流程

技术特征：

1.一种自动驾驶专用相位下的车辆轨迹优化方法，其特征在于，所述步骤如下：

步骤1：采集交叉口的物理参数，包括交叉口人工驾驶进口车道及自动驾驶专用进口车道、进出口车道数及车道宽度；采集车辆的基本信息，包括车辆当前所在进口车道、位置、速度、加速度及预计转向；采集交叉口各进口车道的信号状态；

步骤2：将交叉口划分为轨迹控制区和协调刹车区，建立车辆行驶轨迹模型和自动驾驶车辆冲突分离的协调控制模型；

步骤3：以交叉口所有进口车道上的车辆安全、迅速地通过交叉口为优化目标，优化获得车辆的行驶轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种自动驾驶专用相位下的车辆轨迹优化方法，其特征在于，所述步骤2中包括如下步骤：

步骤2-1：将交叉口进口车道从停车线到距离停车线的范围内划分为轨迹控制区域，进口车道从停车线到距离停车线的范围划分为协调刹车区域；

步骤2-2：基于车辆加速度的优化，确定车辆行驶轨迹的位置-速度-加速度的关系，由公式计算(1)-(2)：

(1)

(2)

其中，表示时刻车辆的位置，表示时刻车辆的速度，表示时刻车辆的加速度，表示更新步长；

步骤2-3：自动驾驶专用进口车道上的车辆的加速度不小于最大减速度，且不大于最大加速度，由公式计算(3)：

(3)

其中，表示车辆最大减速度的绝对值，表示车辆的最大加速度

步骤2-4：交叉口所有进口车道上的车辆的速度不大于最大速度，由公式计算(4)：

(4)

其中，表示车辆的最大速度；

步骤2-5：确定同一车道上车辆相邻的前车、后车，由公式计算(5)-(8)：

(5)

(6)

(7)

(8)

其中，表示车辆所在进口车道，表示车辆的前方车辆集合，表示车辆的后方车辆集合；

步骤2-6：人工驾驶进口车道上车辆行驶的跟车过程，受同一车道上相邻前车、后车的位置和速度的影响，车辆跟车的加速度由公式计算(9)：

其中，表示表示时刻车辆的跟车加速度，、、、表示人工驾驶进口车道上车辆的跟车模型的参数，表示车辆的车身长度，表示同一车道上相邻两台人工驾驶车辆的最小安全跟车距离，表示人工驾驶车辆的紧急反应时间；

步骤2-7：在交叉口各进口车道上虚拟一台车辆，表示进口车道上的第一台车辆，其初始时刻的位置及速度由公式计算(10)-(11)；当进口车道信号切换至红灯，车辆的位置及速度由公式计算(12)-(15)；当进口车道信号切换至绿灯，车辆的位置及速度由公式计算(16)-(19)：

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

()

()

其中，是0-1变量，表示无穷大正数，表示交叉口进口车道上虚拟车辆的集合，表示车辆所在进口车道上停车线的位置，表示时刻车辆所在进口车道信号是绿灯，表示时刻车辆所在进口车道信号不是绿灯；

步骤2-8：人工驾驶进口车道上车辆的加速度不小于最大减速度，且不大于最大加速度及车辆跟车速度，由公式计算(20)：

(20)

步骤2-9：同一车道上相邻的两台车辆之间的间距不小于最小安全跟车间距与紧急反应时间内车辆行驶的路程之和，人工驾驶车辆由公式(21)计算，自动驾驶车辆由公式(22)计算；

(21)

(22)

其中，表示相邻两台自动驾驶车辆的最小安全跟车距离，表示自动驾驶车辆的紧急反应时间；

步骤2-10：自动驾驶相位下，已驶入交叉口轨迹控制区、未驶离交叉口的自动驾驶专用进口车道上的车辆，任意时刻，须进行不同自动驾驶专用进口车道上的任意两台车辆的冲突分离的协调控制，即不同自动驾驶专用进口车道上的任意两台车辆到冲突点距离差的绝对值不小于自动驾驶车辆冲突分离的最小安全间距，由公式计算(23)-(25)：

(24)

(25)

其中，和是0-1变量，表示时刻车辆已驶离交叉口，表示时刻车辆未驶离交叉口，表示时刻车辆允许驶入交叉口，表示时刻车辆禁止驶入交叉口，表示时刻车辆已驶入车辆轨迹控制区，表示时刻车辆未驶入车辆轨迹控制区，表示车辆与车辆在交叉口内行驶轨迹的冲突点位置，表示自动驾驶车辆冲突分离的最小安全间距，表示车辆在交叉口内的行驶轨迹，表示车辆与车辆在交叉口内的行驶轨迹存在冲突点，表示车辆驶离交叉口的目标位置，表示车辆所在进口车道上轨迹控制区边界线的位置；

步骤2-11：自动驾驶相位下，已驶入交叉口协调刹车区、未驶离交叉口的自动驾驶专用进口车道上的车辆，任意时刻，须进行不同进口车道上的任意两台车辆的冲突分离的协调刹车控制，即不同自动驾驶专用进口车道上的任意两台车辆到冲突点的距离差的绝对值不小于自动驾驶车辆冲突分离的最小安全间距，由公式(26)-(27)计算：

(27)

其中，和是0-1变量，表示时刻车辆已驶入协调刹车区，表示时刻车辆未驶入协调刹车区，表示时刻车辆需要刹车，表示时刻车辆不需要刹车，表示车辆所在车道的协调刹车区的边界位置；

步骤2-12：自动驾驶专用相位下，已驶入交叉口协调刹车区、未驶离交叉口的自动驾驶专用进口车道上的车辆，当车辆需要刹车，则该车辆以最大减速度紧急刹车，且当前时刻无法驶入交叉口，由公式(28)-(29)计算：

(28)

(29)

其中，是0-1变量，表示时刻车辆已驶入交叉口，表示时刻车辆未驶入交叉口；

步骤2-13：同一车道上，按照车辆距离停车线的远近依次驶入交叉口，由公式计算(30)-(31)：

(30)

(31)

步骤2-14：当自动驾驶专用车道上的车辆已驶入交叉口，则该车辆当前时刻允许驶入交叉口，当车辆已禁止驶入交叉口，则该车辆当前时刻未驶入交叉口，由公式(32)-(33)计算：

(32)

(33)

步骤2-15：基于“绿灯行-红灯停”的通行规则，当交叉口信号灯切换至红灯时，已驶入交叉口的车辆，继续在交叉口内通行，未驶入交叉口的车辆，则无法驶入交叉口，由公式计算(34)-(35)：

(34)

(35)

其中，是0-1变量，表示时刻车辆所在进口车道的信号是绿灯，表示时刻车辆所在进口车道的信号不是绿灯。

3.根据权利要求1所述的一种自动驾驶专用相位下的车辆轨迹优化方法，其特征在于，所述步骤3中包括如下步骤：

步骤3-1：交叉口所有进口车道上的车辆安全、迅速地驶离交叉口，即在优化时间内，车辆位置与驶离交叉口的目标位置的距离差之和最小，优化获得车辆行驶轨迹的位置、速度及加速度，由公式计算(36)：

(36)。

技术总结
本发明面向自动驾驶车辆与人工驾驶车辆混合行驶的交通环境，设计了一种自动驾驶专用相位下的车辆轨迹优化方法，属于智能交通领域。首先，采集交叉口的物理参数、车辆的基本信息及各进口车道的信号状态；其次，将交叉口划分为轨迹控制区和协调刹车区，建立车辆行驶轨迹模型和自动驾驶车辆冲突分离的协调控制模型；最后，以交叉口所有进口车道上的车辆安全、迅速地通过交叉口为优化目标，优化获得车辆的位置、速度及加速度。本发明考虑自动驾驶车辆与人工驾驶车辆行驶的差异性，优化不同车辆类型的轨迹，并在自动驾驶专用相位下，对自动驾驶专用车道上的车辆进行冲突分离的协调控制，实现车辆的分类而治。

技术研发人员：吴伟;秦少敏;刘洋;龙科军
受保护的技术使用者：长沙理工大学
技术研发日：2021.08.02
技术公布日：2021.08.31