[发明专利]路径约束条件下车辆行为时空演化的建模方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及交通运输领域，尤其是涉及一种路径约束条件下车辆行为时空演化的建模方法及其应用。

背景技术

车辆微观行为的研究，主要集中于车辆跟驰运行和跟驰运行过程中的变道行为两个方面；宏观研究则主要关注车辆微观行为对交通流的影响。目前，微观行为的研究多聚焦于车辆跟驰和变道两个方面，任殿波、张立东和郭烈等学者研究了弯路固定曲率和变化曲率条件下的车辆变道行为，建立了相应的车辆换道轨迹模型。交通流虽属宏观研究范畴，因需要研究微观行为对交通流稳定性、相变和阻塞情况等诸多方面的宏观影响，譬如车辆跟驰过中的突然停车或变道行为对交通流的影响，在研究内容上一般微、宏观行为兼而有之。随着对车辆行为规律性的研究不断深入，所取得的丰硕成果有力地推动了车辆行为自动化的研究不断取得新的进展，从研究的侧重点来看，可归为车辆驾驶辅助系统、无人驾驶、跟驰控制和车辆巡航系统四个方面，其中无人驾驶、跟驰控制和车辆巡航系统是车辆行为自动化研究领域的热点问题，三者之间相互渗透，并无明显界限，呈现出相互借鉴、相互交融的研究态势。其中，路径跟踪和车辆跟驰也属于车辆无人驾驶和巡航系统研究的范畴。上述文献主要针对一维和二维空间内的车辆行为开展相关研究，取得了异常丰富的研究成果，然而大量的复杂地理环境下的车辆运行线路，并非一维和二维空间所能描述，尽管Ghommam、Sasongko、Moe和Burger等学者使用了地理参考标架或Serret-frenet活动标架来描述路径和车辆(舰船)行为，但将三维标架的次法向量确定为恒定不变的向量，反而限制了复杂(地理)环境下路径的空间属性的精确或准确描述，车辆(舰船)行为控制的效果也必然会受到一定程度的影响。

复杂地理环境下车辆运行线路(简称车辆路径)不仅存在单纯的弯道、坡道，而且有的路段弯道和坡道交融在一起的情形也是特别常见的。显然，二维平面无法准确描述复杂地理环境下车辆路径的形状特征，因而无法洞悉路径约束条件下的车辆行为规律，并对其施加正确的控制。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种路径约束条件下车辆行为时空演化的建模方法及其应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种路径约束条件下车辆行为时空演化的建模方法，包括步骤：

1)获取车辆运行路线，并将该运行路线抽象化为一条空间曲线；

2)利用空间曲线的几何不变量参数，即利间曲线上各点处的弧长、曲率和挠率，建立车辆沿空间曲线运动的Serret-frenet活动标架；

3)确定空间曲线上各点与车辆运行过程中时间变化的对应关系，结合各点处的Serret-frenet活动标架，计算得到车辆位于各点处时的速度和加速度，并建立路径约束条件下车辆行为时空演化的数学模型。

所述空间曲线为三维欧氏空间坐标系下的一条正则空间曲线。

所述三维欧氏空间坐标系的原点为地心。

所述步骤2)具体包括步骤：

201)选择空间曲线的始端作为初始点，测算空间曲线在该初始点的单位切向量α(s₀)、单位主法向量β(s₀)和单位次法向量γ(s₀)；

202)选取空间曲线上的多个点，并测算出空间曲线在初始点以及各选取点处的曲率和挠率；

203)利用步骤201)和202)中的测算结果，根据Serret-frenet迭代公式得到空间曲线在各选取点处的单位切向量、单位主法向量和单位次法向量，具体为：