变曲率弯路车辆换道虚拟轨迹模型

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．7(2014)078902变曲率弯路车辆换道虚拟轨迹模型术任殿波十张京明王聪(哈尔滨工业大学汽车工程学院，威海264209)(2013年9月1日收到；2013年12月26日收到修改稿)研究自动化公路系统车辆换道虚拟轨迹规划方法，建立基于奇次多项式的变曲率弯路换道轨迹模型．假设车辆起始车道和目标车道具有相同的瞬时中心，把车辆在弯曲路段换道时的运动分解为向道路瞬心的直线运动和绕道路瞬心的圆周转动．假设向心运动位移和转动角位移满足奇次多项式约束由换道时间、位置要求以及车辆在换道开始时刻和结束时刻的

2、期望状态确定两种运动满足的边界条件，利用边界条件确定多项式系数．根据向心运动位移和转动角位移多项式模型，建立换道虚拟轨迹数学模型．与现有弯路换道轨迹规划方法相比，取消道路曲率为常数的假定，得到的换道轨迹模型更具一般性．仿真结果验证了文中提出的变曲率弯路换到轨迹规划方法的可行性．关键词：车辆换道，轨迹规划，变曲率弯路，奇次多项式PACS：89．40．一a，07．05．DzDOI：10．7498／aps．63．078902实路径的磁钉导航方式相比有更大灵活性．本文讨1引言论的换道属于后一种方式．虚拟换道轨迹的规划方法有多种，如假设换道轨迹满足圆弧或

3、余弦约束，自动化公路系统[j(automatedhighwaysys—把侧向加速度设定为大小相等的正反梯形等[7】．另terns，AHS)是智能交通系统的重要分支，是指采用外还可基于贝赛尔曲线规划换道轨迹[8]．但采用该先进的信息、控制技术装备公路和车辆，通过车路种方法，在有障碍物路况下曲线控制点难于选取；通信和车间通信，达到自动调节车辆行驶方向、速文献『9]研究一种基于多项式的快速车辆换道轨迹度以及车间距离，实现智能车辆在智能公路上的无规划算法，提高了轨迹规划的实时性．由于实际的人驾驶，可简单概括为智能车一智能路．实现车辆无车辆间纵横向运动相

4、互干扰-10．，文献『111设计考人驾驶的关键是对车辆自动控制系统的研究、设计虑实施过程的换道模型，并对不同车道数的道路交和开发．按控制目的可把车辆自动控制分为纵向控通流进行模拟；文献『12]考虑驾驶员对匝口位置敏带0和横向控帝0．感程度，设计了随行驶目的、位置变化的换道规则车辆换道[，0】属于车辆横向控制的研究内容，和换道概率；文献【13】建立多车道元胞自动机模型，指车辆从一条车道沿期望换道轨迹进入另一条车考虑在应急车辆存在情况下修改换道规则；文献道的过程．文献『4]把换道方式分为磁钉导航方式『141研究车辆换道过程对交通流稳定性的影响．和自

5、由换道方式．磁钉导航方式是指通过控制车上述文献研究的车辆换道行为，假定车辆在直辆沿铺设磁钉的路径行驶来实现换道行为，如文献线道路上行驶．在直路上，起始车道和目的车道曲[5]；自由换道方式是按照换道需求首先在两车道之率都为0，而在弯路上，内外侧两条车道曲率均不间规划虚拟期望换道轨迹，然后通过控制车辆沿虚为0，且不相等．关于弯路上的车辆换道，现有研究拟换道轨迹行驶，从而实现换道，参见文献f61．自文献还很少．文献f151在确定车辆换道期望横摆角由换道方式车辆跟踪的是虚拟换道路径，与采用现和横摆角速度时考虑了道路的曲率，但假定车辆在山东省自然科学基金

6、(批准号：ZR2010FM008)和哈尔滨工业大学科研创新基金(批准号HIT．NSRIF．2011117)资助的课题t通讯作者．E．mail：r_dianbo@163．com@2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietytp：／／wulixb．hy．ac．cn078902—1弓广物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．7(2014)078902换道过程中，车辆质心到道路瞬心的距离不变，即2．2弯曲路段起始车道和目的车道的曲率相同．当道路曲率半径较小，而起始车道和目的车道之间距离较大时，采图2显示一段包含两个车道

7、的变曲率路段模用文献『151的方法得到的换道轨迹会有较大偏差，型．圆弧路段可看为变曲率路段特例，其曲率中心车辆通过跟踪该轨迹实现换道，换道结束时，车辆为固定的，而变曲率路段的曲率中心为变化的．质心不会在目的车道上，所以这种不考虑内外侧车道曲率差别的弯路车辆换道研究结果只是一种近似和简化，控制系统存在误差不可避免．为此，文献f16，17]专门对弯路车辆换道进行了研究，考虑内外侧车道曲率差别，提出了一种弯路车辆换道轨迹规划方法，得到的期望换道轨迹是没有偏差的．但文献『16，171只是把关于直线路段上的车辆自动换道研究成果推广到圆弧形路段，即从假定道

8、路曲7F，率为0推广到不为0的常数，而实际上，弯路的曲率往往是连续变化的[18]，一般不会从0突变为某一常数，把道路曲率假定为常数不具有一般性．本文在