謝建毅

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基于熟練駕駛換道特征的車輛換道軌跡規(guī)劃研究

謝建毅

（常州通寶光電股份有限公司，江蘇 常州 213001）

傳統(tǒng)的換道路徑規(guī)劃方法在車輛進(jìn)行換道路徑規(guī)劃時往往只考慮車輛運動學(xué)及動力學(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，能夠有效提高汽車舒適性。

換道特征；路徑規(guī)劃；軌跡規(guī)劃

1 引言

換道行為是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變化[1]。在考慮障礙物、道路形狀以及車輛動力學(xué)等因素影響的基礎(chǔ)上，采用人工勢場法、最優(yōu)控制等先進(jìn)算法進(jìn)行路徑規(guī)劃時，會導(dǎo)致軌跡曲率發(fā)生突變[2]。換道路徑的優(yōu)劣嚴(yán)重影響著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動學(xué)及動力學(xué)的要求[3]?；谇蔬B續(xù)曲線所生成的行駛路徑的特征與控制點的選擇有很大的關(guān)系，當(dāng)換道開始與結(jié)束位置確定時，根據(jù)運動學(xué)約束可以規(guī)劃出一條平滑的行駛路徑。然而在換道起點與終點相同的情況下，不同類型的駕駛員所選擇的換道路徑也會不同，換道過程狀態(tài)往往會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動學(xué)和動力學(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車輛進(jìn)行換道操作，同時記錄下?lián)Q道行駛路徑，分析換道過程特征點和換道結(jié)束位置點的特性。采用多項式對試驗軌跡進(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?；谠囼炈玫降淖顑?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，減少汽車乘客的暈車概率。

2 試驗及數(shù)據(jù)處理

2.1 換道試驗

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)行實車換道試驗，駕駛員信息如表1所示。由于駕駛經(jīng)驗和個性的不同，不同駕駛員的駕駛習(xí)性將會不同，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。本實驗把換道分為兩個工況：避障換道和普通換道。出于安全考慮，通過改變實驗樁的位置來模擬不同的障礙距，圖1所示為進(jìn)行避障實車實驗。

表1 熟練駕駛員信息

圖1所示為相同速度下不同駕駛員所選擇的換道軌跡。可以看出，駕駛員的駕駛特性是影響行駛路徑的重要因素之一。

2.2 試驗數(shù)據(jù)處理

根據(jù)以上研究已經(jīng)得到優(yōu)秀駕駛員駕駛的車輛在換道時所行駛的路徑采樣點數(shù)據(jù)，為了計算的簡便，在不考慮垂向運動的情況下，我們只需要擬合二維平面坐標(biāo)（xg，yg）。圖2所示為換道路徑示意圖。

圖2 換道路徑示意圖

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。因此，只需確定各工況下?lián)Q道過程特征點坐標(biāo)及換道結(jié)束縱向距離就可以得到此工況下的理想換道軌跡表達(dá)式。多項式表達(dá)式簡潔明了，各階導(dǎo)數(shù)連續(xù)，且只需要改變各項系數(shù)，就可以得到不同的形狀。因此，本文使用多項式曲線可以準(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和終點的狀態(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。通過對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將整個換道過程可以分為三個階段：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，y）作為換道過程點的狀態(tài)約束?？紤]起點和終點一階及二階導(dǎo)數(shù)為零的約束，采用六次多項式作為換道軌跡的表達(dá)式，如式所示：

3 仿熟練駕駛員操縱特性的換道路徑規(guī)劃

為了提高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，輸出為車輛過程點狀態(tài)坐標(biāo)（x，y）和結(jié)束點縱向距離x。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。

表2 訓(xùn)練數(shù)據(jù)

Table2 Training data

4 仿真分析

為了驗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。

設(shè)置避障仿真試驗工況：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際軌跡。圖3(b)為避障換道仿真軌跡與實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汽車換道路徑規(guī)劃方法。可以根據(jù)車輛的車速、換道意圖、障礙距以及駕駛風(fēng)格實時地輸出一條能夠使車輛平穩(wěn)行駛的路徑。首先通過大量的實車實驗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)束點以及過程特征點，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，并采用實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練。最后通過仿真試驗可以看出，本文所設(shè)計的算法能夠根據(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現(xiàn)換道，提高汽車換道行駛時的穩(wěn)定性，增加了乘客的舒適性，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)無人駕駛車輛的個性化行駛。

[1] 陳濤,李曉旭,孫林,等.智能車輛設(shè)計中駕駛員模型回顧與展望[J]. 汽車技術(shù),2014(6):1-6.

[2] 朱曼曼,杜煜.基于智能車的決策系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的綜述[J].北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015,29(1):70-74.

[3] Korayem, M.H.; Nekoo, S.R. The SDRE control of mobile base cooperative manipulators: Collision free path planning and moving obstacle avoidance. Robot. Auton. Syst. 2016, 86, 86-105.

[4] 楊帆.無人駕駛汽車的發(fā)展現(xiàn)狀和展望[J].上海汽車,2014,3:35-40.

[5] 張文明,韓泓冰,楊玨,等.基于駕駛員行為的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無人駕駛控制[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,44(12):74-80.

Investigation of a vehicular channel trajectory plan base on that characteristic of skilled drive

Xie Jianyi

( Changzhou tongbao optoelectronics co., LTD, Jiangsu Changzhou 213001 )

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.

Lane change feature;Path planning;Trajectory changing

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1671-7988(2019)03-67-03

U471.1

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謝建毅，就職于常州通寶光電股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.019