基于交通信號(hào)燈的自主駕駛車輛軌跡預(yù)測(cè)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于汽車技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于汽車保有量迅速增加，道路交通問題日益嚴(yán)峻，交通環(huán)境逐漸惡化，交通擁堵 情況不僅導(dǎo)致廢氣排放成為影響城市空氣質(zhì)量的重要因素，而且還造成了時(shí)間與資源的浪 費(fèi)。為了緩解城市道路交通壓力，應(yīng)付越來越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性，一方 面國內(nèi)外一些汽車公司相繼開發(fā)了發(fā)動(dòng)機(jī)快速啟/停系統(tǒng)。然而在頻繁起步停車的城市交 通中，發(fā)動(dòng)機(jī)啟停技術(shù)的應(yīng)用雖然不僅帶來明顯的節(jié)油效果，對(duì)于減少尾氣排放也起到了 非常積極的作用，但是不可避免的會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成損害，而且自動(dòng)啟停系統(tǒng)養(yǎng)護(hù)成本較高。 另外一方面先進(jìn)的智能交通信號(hào)管理系統(tǒng)的應(yīng)用，這為駕駛員節(jié)省了許多時(shí)間與資源，提 高道路通行能力。但是在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)先進(jìn)的智能交通系統(tǒng)的管理是十分昂貴的；而且即 使應(yīng)用了智能交通管理系統(tǒng)，也經(jīng)常發(fā)生一種情況，即在自主駕駛車輛經(jīng)過一個(gè)綠燈的路 口時(shí)，交通信號(hào)燈會(huì)突然變紅。這種由于缺少未來對(duì)一段時(shí)間內(nèi)交通信號(hào)燈變化的了解，導(dǎo) 致增加了車輛的燃油消耗，行駛時(shí)間以及發(fā)動(dòng)機(jī)和剎車系統(tǒng)的磨損。為此本專利提出了基 于交通信號(hào)燈的自主駕駛車輛軌跡預(yù)測(cè)控制方法，這樣使得自主駕駛車輛可以根據(jù)交通信 號(hào)燈的變化自動(dòng)的來調(diào)節(jié)車輛的速度，使得自主駕駛車輛到達(dá)交通信號(hào)燈時(shí)正好是綠燈， 以減少車輛等待時(shí)間和燃油消耗，提高交通路口的交通能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是實(shí)時(shí)的基于交通信號(hào)燈信息對(duì)自主駕駛車輛進(jìn)行軌跡預(yù)測(cè)控制， 最大限度減少停車次數(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排效果的基于交通信號(hào)燈的自主駕駛車輛軌跡預(yù)測(cè)控 制方法。
[0004] 本發(fā)明的步驟是： (1) 信息采集：自主駕駛車輛采集當(dāng)前車輛和前方車輛的速度信息；采集預(yù)測(cè)距離內(nèi) 道路情況，包括檢測(cè)前方道路路口及前方交通燈位置以及道路交通限速情況；獲取路口交 通信號(hào)燈狀態(tài)以及通行時(shí)間用以后續(xù)的優(yōu)化求解； (2) 車輛動(dòng)力學(xué)建模：以采集的當(dāng)前車輛的速度信息I?#為基礎(chǔ)，以車輛驅(qū)動(dòng)力 和制動(dòng)力K為控制變量，車速V和位移$作為狀態(tài)變量，根據(jù)汽車縱向動(dòng)力學(xué)可以得 到車輛的動(dòng)力學(xué)方程：
其中，_為車重，κ|_為車輛行駛過程的阻力，包括空氣阻力、滾動(dòng)阻力和坡度阻力， 有
其中，_ #.為車輛迎風(fēng)面積I^為空氣阻力系數(shù)，為重力加速度，麵： 為道路坡度；考慮目標(biāo)車輛應(yīng)減少制動(dòng)以減少能量消耗，車輛燃油經(jīng)濟(jì)性和駕駛員期望綜 合指標(biāo)為：
其中，:攀:=.???為權(quán)重系數(shù)，％是采集的當(dāng)前車輛的速度； (3)自主駕駛車輛軌跡規(guī)劃控制問題在線優(yōu)化求解 將采集的預(yù)測(cè)距離內(nèi)的道路信息，道路交通信號(hào)燈狀態(tài)及可通行時(shí)間作為約束，以車 輛的動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，綜上所述，基于交通信號(hào)燈信息的自主駕駛車輛軌跡優(yōu)化問題可 以描述為：
其中，giy為預(yù)測(cè)時(shí)域，:||為交通信號(hào)燈可通行時(shí)間，:::1^為驅(qū)動(dòng)力，::11::2為制動(dòng) 力，為最大驅(qū)動(dòng)力，丨砂「為最大制動(dòng)力，"%:、*%::分別是車輛當(dāng)前的?度及位置， :分別是車輛時(shí)刻的速度及位置； 為保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，在非限制性求解示例中，運(yùn)用極大值原理求解兩點(diǎn)邊值問題， 得到上述優(yōu)化問題的顯示解： 定義哈密頓方程：

根據(jù)極大值原理，在預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)，協(xié)態(tài)變量在最優(yōu)軌線上滿足：
在最優(yōu)軌線上，最優(yōu)控制變量使哈密頓函數(shù)達(dá)到極小值，即
終端橫截條件滿足_=弋0/)，函數(shù)在最優(yōu)軌線終點(diǎn)滿足 Ii #;最終得到最優(yōu)控制問題的顯式解：
根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程和協(xié)態(tài)變量滿足的方程組，在邊界條件下，結(jié)合以上控制律，求出預(yù)測(cè) 時(shí)域內(nèi)的最優(yōu)的車輛驅(qū)動(dòng)力序列，提取車輛驅(qū)動(dòng)力序列的第一個(gè)值給定車輛，下一個(gè)采樣 時(shí)刻重復(fù)上述步驟，從而實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)優(yōu)化控制。
[0005] 本發(fā)明帶來的有益效果是： 1.自主駕駛車輛能夠根據(jù)交通信號(hào)燈的信息，優(yōu)化出預(yù)測(cè)距離內(nèi)的速度軌跡，使車輛 順利通過交通路口，減少車輛停車次數(shù)。
[0006] 2.能夠大幅減少自主駕駛車輛由于交通燈而頻繁啟停的情況，減少車輛在路口等 車時(shí)間，提高車輛在交通路口的通過能力。
[0007] 3.在保證安全的情況下，能夠減少自主駕駛車輛在路口的燃油消耗，提高車輛在 通過交通路口時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性。
【附圖說明】
[0008] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖； 圖2為本發(fā)明的流程圖； 圖3為本發(fā)明軌跡規(guī)劃描述圖； 圖4為本發(fā)明軌跡規(guī)劃斷點(diǎn)描述圖； 圖5為本發(fā)明軌跡規(guī)劃約束描述圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009] 本發(fā)明的步驟是： (1) 信息采集：自主駕駛車輛采集當(dāng)前車輛和前方車輛的速度信息；采集預(yù)測(cè)距離內(nèi) 道路情況，包括檢測(cè)前方道路路口及前方交通燈位置以及道路交通限速情況；獲取路口交 通信號(hào)燈狀態(tài)以及通行時(shí)間用以后續(xù)的優(yōu)化求解； (2) 車輛動(dòng)力學(xué)建模：以采集的當(dāng)前車輛的速度信息為基礎(chǔ)，以車輛驅(qū)動(dòng)力 和制動(dòng)力4為控制變量，車速翻和位移5作為狀態(tài)變量，根據(jù)汽車縱向動(dòng)力學(xué)可以得 到車輛的動(dòng)力學(xué)方程：
其中，β為車重，_為車輛行駛過程的阻力，包括空氣阻力、滾動(dòng)阻力和坡度阻力， 有
其中，_丨為車輛迎風(fēng)面積為空氣阻力系數(shù)，_為重力加速度_#|， α:為道路坡度；考慮目標(biāo)車輛應(yīng)減少制動(dòng)以減少能量消耗，車輛燃油經(jīng)濟(jì)性和駕駛員期 望綜合指標(biāo)為：
其中為權(quán)重系數(shù)，^1%是采集的當(dāng)前車輛的速度； (3) 自主駕駛車輛軌跡規(guī)劃控制問題在線優(yōu)化求解 將采集的預(yù)測(cè)距離內(nèi)的道路信息，道路交通信號(hào)燈狀態(tài)及可通行時(shí)間作為約束，以車 輛的動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，綜上所述，基于交通信號(hào)燈信息的自主駕駛車輛軌跡優(yōu)化問題可 以描述為：
其中，為預(yù)測(cè)時(shí)域，iIr為交通信號(hào)燈可通行時(shí)間，麵丨為驅(qū)動(dòng)力，續(xù)丨為制動(dòng) 力，為最大驅(qū)動(dòng)力，丨:縱為最大制動(dòng)力，％.、*%分別是車輛當(dāng)前的速度及位置， 分別是車輛:％時(shí)刻的速度及位置； 為保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，在非限制性求解示例中，運(yùn)用極大值原理求解兩點(diǎn)邊值問題， 得到上述優(yōu)化問題的顯示解： 定義哈密頓方程：
根據(jù)極大值原理，在預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)，協(xié)態(tài)變量在最優(yōu)軌線上滿足：
在最優(yōu)軌線上，最優(yōu)控制變量使哈密頓函數(shù)達(dá)到極小值，即
終端橫截條件滿足外參|);:二函數(shù)在最優(yōu)軌線終點(diǎn)滿足I; 最終得到最優(yōu)控制問題的顯式解：
根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程和協(xié)態(tài)變量滿足的方程組，在邊界條件下，結(jié)合以上控制律，求出預(yù)測(cè) 時(shí)域內(nèi)的最優(yōu)的車輛驅(qū)動(dòng)力序列，提取車輛驅(qū)動(dòng)力序列的第一個(gè)值給定車輛，下一個(gè)采樣 時(shí)刻重復(fù)上述步驟，從而實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)優(yōu)化控制。
[0010] 以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)闡述本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0011] 本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括信息采集單元、車輛建模單元、滾動(dòng)時(shí)域 優(yōu)化計(jì)算單元；信息采集單元主要用于同時(shí)采集自車的行駛狀態(tài)信息以及道路交通信息， 并將有效信息傳遞給車輛建模單元，車輛建模單元根據(jù)采集的信息確定優(yōu)化計(jì)算所需要的 各種參數(shù)，建立車輛模型并設(shè)定求解目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化計(jì)算車輛的速度軌跡；滾動(dòng)時(shí)域優(yōu)化計(jì) 算單元將得到的速度軌跡的第一個(gè)值給定車輛，實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)優(yōu)化。
[0012] 1，首先檢測(cè)當(dāng)前目標(biāo)車輛和前方車輛及道路環(huán)境的狀態(tài)，包括預(yù)測(cè)距離內(nèi)道路 情況，道路路口 及前方交通燈位置，路口交通燈實(shí)時(shí)信息、道路交通要求如限速等； 圖3揭示了本發(fā)明的示例性實(shí)施例，自主駕駛車