一种基于社会力的车辆行为建模方法与流程

1.本发明属于车辆行为建模技术领域，具体涉及一种基于社会力的车辆行为建模方法。


背景技术：

2.随着计算机技术，尤其是人工智能技术的不断发展，越来越多的新技术被引入汽车领域，并用于辅助驾驶或自动驾驶技术的开发。然而，由于现实条件的约束，进行实车试验以证明车辆安全可控是一个经济和时间上消耗较大的方案。因此，越来越多的算法验证工作都需要经过大量仿真实验后才可以进行实车试验。在进行自动驾驶车辆仿真过程中，一种测试方法是让被测车辆处于逼真的交通环境中，记录其发生交通事故的频次，从而评价其在正常交通环境下是否可以保证安全。
3.为了建立逼真的交通环境，车辆的行为建模具有较高的重要性。目前主流方法是使用车辆动力学模型和复杂的决策方法建立车辆行为模型，其需要消耗较多的算力，难以满足快速测试的需求。社会力模型作为一种起初用于行为的模型，已经被一些研究人员用于车辆和非机动车的行为建模，社会力模型的优点之一是对算例要求较低，不需要复杂的车辆动力学模型几何完成车辆行为的模拟，但是模拟精度普遍较低。因此，智能驾驶车辆仿真测试领域需要一种基于社会力的较为准确的车辆行为建模方法。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种基于社会力的车辆行为建模方法，将车辆行为分为自由行驶，跟车行驶，换道行驶三种行为模式。自由行驶模式下，车辆纵向受到为达到最佳速度而产生的自驱动力；横向受到来自两侧车道线的车道线保持力和来自车道中线的中线阻尼力。跟车行驶模式下，在自由行驶模式的基础上增加了一个为避免与前车发生撞击而产生的纵向避撞阻力。换道模式下，将车辆的横向运动分为两个阶段，一个是接近中间车道线阶段，即前换道阶段和穿越中间车道线后的阶段，即后换道阶段。前换道阶段中，车辆纵向以自由行驶模式或跟车模式行驶；横向上受到来自中间车道线的阻力，来自目标车道中线的吸引力，来自目标车道上前车和后车的吸引力。
5.为达到以上目的，本发明提供一种基于社会力的车辆行为建模方法，用于车辆行为建模，包括以下步骤：
6.步骤s1：将车辆行为分为横向模块和纵向模块，横向模块包括换道模式和非换道模式并且纵向模块包括自由行驶模式和跟车行驶模式；
7.步骤s1.1：在自由行驶模式下，车辆纵向受到为达到最佳速度而产生的自驱动力，并且横向受到来自两侧车道线的车道线保持力和来自车道中线的中线阻尼力；
8.步骤s1.2：在跟车行驶模式下，车辆纵向受到为达到最佳速度而产生的自驱动力以及为避免与前车发生撞击而产生的(纵向)避撞阻力，并且横向受到来自两侧车道线的车道线保持力和来自车道中线的中线阻尼力；
9.步骤s1.3：在换道模式下，将车辆的横向运动分为两个阶段，一个是接近中间车道线的前换道阶段，另一个是穿越中间车道线后的后换道阶段，前换道阶段中，车辆纵向以自由行驶模式或跟车模式行驶，并且车辆横向上受到来自中间车道线的阻力、来自目标车道中线的吸引力和来自目标车道上前车与后车的吸引力。
10.作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，步骤s1.1中，在自由行驶模式下，车辆受到为达到最佳行驶速度而产生的自驱动力公式为：
[0011][0012]
式中，表示车辆i受到的自驱动力，为最佳行驶速度，mi为车辆i的质量，为车辆i的当前纵向速度，为车辆i的纵向行驶反应时间，x表示纵向，t表示时刻，为指向车辆纵向前方的单位向量。
[0013]
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，步骤s1.2中，在跟车行驶模式下，车辆前方存在另一个车辆j，行驶在同一车道线前方的车辆j会对车辆i产生纵向避撞阻力，公式为：
[0014][0015]
式中，为车辆j会对车辆i产生纵向避撞力，mi为车辆i的质量，为增益系数，为车辆i和车辆j之间的车头间距，即车辆j车头与车辆i的车位之间的距离，为敏感度系数，e表示指数函数，为车辆j和车辆i在车道线方向上的单位向量；
[0016]
车辆在纵向上所受合力为：
[0017][0018]
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，步骤s1.3中，在换道行驶模式下，车辆在横向上受到的力包括来自当前车道l1和目标车道中间的车道线l2的变道阻力来自目标车道的中心线cl2的吸引力来自位于纵向前方且在目标车道中行驶的前车k的目标车道前车吸引力和来自位于纵向后方且在目标车道中行驶的后车h的目标车道后车吸引力表达式分别为：
[0019][0020]
式中，为增益系数，为车道线l2和车辆i的几何中心之间的距离，为敏感度系数，为从车道线l2指向车辆i的几何中心的单位向量，lc表示换道模式；
[0021][0022]
式中，为增益系数，为目标车道中心线cl2和车辆i的几何中心之间的距离，为敏感度系数，为从车辆i的几何中心指向目标车道中心线cl2的单位向量；
[0023][0024]
式中，为增益系数，为车辆i和目标车道前车k在车道线方向上的车头时距，为敏感度系数，为从车辆i的几何中心指向车辆k所在的目标车道中心线lc2的单位向量；
[0025][0026]
式中，为增益系数，为目标车道后车h和车辆i在车道线方向上的车头时距，为敏感度系数，为从车辆i的几何中心指向目标车道中心线cl2的单位向量；
[0027]
因此，换道行驶模式下车辆所受到的横向合力为：
[0028][0029]
自由行驶模式和跟车行驶模式之间的切换条件为车辆i前方是否存在车辆j。
[0030]
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，换道模式和非换道模式的切换条件包括：
[0031]
a、换道后所受纵向合力与换道前所受纵向合力超过一定阈值a、换道后所受纵向合力与换道前所受纵向合力超过一定阈值(其中为阈值)；
[0032]
b、目标车道不存在毗邻车辆，毗邻车辆指的是与车辆i并排行驶的车辆；
[0033]
c、目标车道前车k和后车h与车辆i之间的碰撞时间ttc小于一定阈值ttc
thre
，ttc的计算公式为：
[0034][0035]
式中，r
x
表示前后两车的车头间距，和分别为后车和前车的纵向速度。
[0036]
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，在自由行使模式、跟车行使模式或换道模式的后期中，车辆i受到来自当前车道两侧车道线的车道线保持力和以及来自车辆i所行驶的车道的中心线lc的阻尼力表达式为：
[0037][0038][0039]
式中，表示来自车辆i所行驶的车道的左侧车道线的车道线保持力，表示来自车辆i所行驶的车道的右车道线的车道线保持力，和均为增益系数且均为增益系数且和分别为车辆i所行驶的车道的左右侧车道线与车辆i的几何中心之间的横向距离，和分别为由车辆i所行驶的车道的左右侧车道线指向车辆i的几何中心的单位向量；
[0040][0041]
式中，c为阻尼系数，为车辆i的横向速度，cl表示当前车道中心线；
[0042]
在自由行使模式、跟车行使模式或换道模式的后期中，车辆i所受到的纵向合力为：
[0043][0044]
换道模式的前期和后期的切换条件是，车辆i的几何中心从原车道进入目标车道。
[0045]
为达到以上目的，本发明还提及一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述一种基于社会力的车辆行为建模方法的步骤。
[0046]
为达到以上目的，一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述一种基于社会力的车辆行为建模方法的步骤。
[0047]
本发明的有益效果在于：
[0048]
与传统方法相比，此方法获得的车辆行为模型参数少，运行速度快，适合进行大规模仿真。此外，可以通过修改相关参数快速获得不同风格的车辆行为模型，使用简单。
附图说明
[0049]
图1是本发明的一种基于社会力的车辆行为建模方法的道路场景图。
[0050]
图2是本发明的一种基于社会力的车辆行为建模方法的参数优化趋势图。
[0051]
图3是本发明的一种基于社会力的车辆行为建模方法的轨迹对比图。
具体实施方式
[0052]
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背
离本发明的精神和范围的其他技术方案。
[0053]
在本发明的优选实施例中，本领域技术人员应注意，本发明所涉及的车辆等可被视为现有技术。
[0054]
优选实施例。
[0055]
本发明公开了一种基于社会力的车辆行为建模方法，用于车辆行为建模，包括以下步骤：
[0056]
步骤s1：将车辆行为分为横向模块和纵向模块，横向模块包括换道模式和非换道模式并且纵向模块包括自由行驶模式和跟车行驶模式；
[0057]
步骤s1.1：在自由行驶模式下，车辆纵向受到为达到最佳速度而产生的自驱动力，并且横向受到来自两侧车道线的车道线保持力和来自车道中线的中线阻尼力；
[0058]
步骤s1.2：在跟车行驶模式下，车辆纵向受到为达到最佳速度而产生的自驱动力以及为避免与前车发生撞击而产生的(纵向)避撞阻力，并且横向受到来自两侧车道线的车道线保持力和来自车道中线的中线阻尼力；
[0059]
步骤s1.3：在换道模式下，将车辆的横向运动分为两个阶段，一个是接近中间车道线的前换道阶段，另一个是穿越中间车道线后的后换道阶段，前换道阶段中，车辆纵向以自由行驶模式或跟车模式行驶，并且车辆横向上受到来自中间车道线的阻力、来自目标车道中线的吸引力和来自目标车道上前车与后车的吸引力。
[0060]
具体的是，步骤s1.1中，在自由行驶模式下，车辆受到为达到最佳行驶速度而产生的自驱动力公式为：
[0061][0062]
式中，表示车辆i受到的自驱动力，为最佳行驶速度，mi为车辆i的质量，为车辆i的当前纵向速度，为车辆i的纵向行驶反应时间，x表示纵向，t表示时刻，为指向车辆纵向前方的单位向量。
[0063]
更具体的是，步骤s1.2中，在跟车行驶模式下，车辆前方存在另一个车辆j，行驶在同一车道线前方的车辆j会对车辆i产生纵向避撞阻力，公式为：
[0064][0065]
式中，为车辆j会对车辆i产生纵向避撞力，mi为车辆i的质量，为增益系数，为车辆i和车辆j之间的车头间距，即车辆j车头与车辆i的车位之间的距离，为敏感度系数，e表示指数函数，为车辆j和车辆i在车道线方向上的单位向量；
[0066]
车辆在纵向上所受合力为：
[0067][0068]
进一步的是，步骤s1.3中，在换道行驶模式下，车辆在横向上受到的力包括来自当
前车道l1和目标车道中间的车道线l2的变道阻力来自目标车道的中心线cl2的吸引力来自位于纵向前方且在目标车道中行驶的前车k的目标车道前车吸引力和来自位于纵向后方且在目标车道中行驶的后车h的目标车道后车吸引力表达式分别为：
[0069][0070]
式中，为增益系数，为车道线l2和车辆i的几何中心之间的距离，为敏感度系数，为从车道线l2指向车辆i的几何中心的单位向量，lc表示换道模式；
[0071][0072]
式中，为增益系数，为目标车道中心线cl2和车辆i的几何中心之间的距离，为敏感度系数，为从车辆i的几何中心指向目标车道中心线cl2的单位向量；
[0073][0074]
式中，为增益系数，为车辆i和目标车道前车k在车道线方向上的车头时距，为敏感度系数，为从车辆i的几何中心指向车辆k所在的目标车道中心线lc2的单位向量；
[0075][0076]
式中，为增益系数，为目标车道后车h和车辆i在车道线方向上的车头时距，为敏感度系数，为从车辆i的几何中心指向目标车道中心线cl2的单位向量；
[0077]
因此，换道行驶模式下车辆所受到的横向合力为：
[0078][0079]
自由行驶模式和跟车行驶模式之间的切换条件为车辆i前方是否存在车辆j。
[0080]
更进一步的是，换道模式和非换道模式的切换条件包括：
[0081]
a、换道后所受纵向合力与换道前所受纵向合力超过一定阈值a、换道后所受纵向合力与换道前所受纵向合力超过一定阈值(其中为阈值)；
[0082]
b、目标车道不存在毗邻车辆，毗邻车辆指的是与车辆i并排行驶的车辆；
[0083]
c、目标车道前车k和后车h与车辆i之间的碰撞时间ttc小于一定阈值ttc
thre
，ttc的计算公式为：
[0084][0085]
式中，r
x
表示前后两车的车头间距，和分别为后车和前车的纵向速度。
[0086]
优选地，在自由行使模式、跟车行使模式或换道模式的后期中，车辆i受到来自当前车道两侧车道线的车道线保持力和以及来自车辆i所行驶的车道的中心线lc的阻尼力表达式为：
[0087][0088][0089]
式中，表示来自车辆i所行驶的车道的左侧车道线的车道线保持力，表示来自车辆i所行驶的车道的右车道线的车道线保持力，和均为增益系数且均为增益系数且和分别为车辆i所行驶的车道的左右侧车道线与车辆i的几何中心之间的横向距离，和分别为由车辆i所行驶的车道的左右侧车道线指向车辆i的几何中心的单位向量；
[0090][0091]
式中，c为阻尼系数，为车辆i的横向速度，cl表示当前车道中心线；
[0092]
在自由行使模式、跟车行使模式或换道模式的后期中，车辆i所受到的纵向合力为：
[0093][0094]
换道模式的前期和后期的切换条件是，车辆i的几何中心从原车道进入目标车道。
[0095]
本实施例中，采集高速公路中车辆行驶信息后，使用本专利随提方法进行车辆行为建模。使用粒子群算法进行模型参数整定。被优化的参数包括：为建模。使用粒子群算法进行模型参数整定。被优化的参数包括：c。
[0096]
参数整定过程中，算法的优化目标是使适应度函数最小化。本实施例中使用的适应度函数为：
[0097][0098]
式中，n为轨迹数据总量，表示仿真轨迹中第frame个数据的纵坐标值，
表示真实轨迹中第frame个数据的纵坐标值，表示仿真轨迹中第frame个数据的横坐标值，表示真实轨迹中第frame个数据的横坐标值。式中的k为大于1的常数，用于增大横坐标误差的重要程度，本实例中，k＝10。
[0099]
优化后，还需计算两条轨迹的欧式距离平均值，进一步确定模型的准确度。两条轨迹的平均欧式距离为：
[0100][0101]
本实施例所得最小适应度值为1.2683。两条轨迹的平均欧式距离为0.3026m，表示本方法所建立的基于社会力的车辆行为建模方法具有较高的建模精度。
[0102]
优选地，本发明的非换道模式就是直行模式，横向受到来自车道线的车道线保持力，纵向如果有前车，则会受到来自前车的纵向避撞力，此外还受到纵向的自驱动力。
[0103]
本发明还公开了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述一种基于社会力的车辆行为建模方法的步骤。
[0104]
本发明还公开了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述一种基于社会力的车辆行为建模方法的步骤。
[0105]
值得一提的是，本发明专利申请涉及的车辆等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明专利的发明点所在，本发明专利不做进一步具体展开详述。
[0106]
对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。