[发明专利]一种基于非线性规划的曲线道路自动车换道轨迹规划方法

说明书

本发明涉及智能车的轨迹规划领域，具体涉及一种基于非线性规划的曲线道路自动车换道轨迹规划方法。首先利用高精度地图、传感器和GPS设备采集曲线道路信息并实时拟合道路方程；其次将换道总时间等分，构造含有未知参数的换道轨迹多项式曲线方程；然后建立车辆模型，通过计算换道车辆与周边车辆的实时距离来检测是否可能发生碰撞；最后基于换道行为起始点和终点的已知状态以及驾驶规范，设置合理的目标函数和约束条件，将轨迹规划问题转化为非线性优化求解问题，采用序列二次规划算法(SQP)求出换道车辆在不同时间点的位置、速度和加速度，以此规划出高效且安全的换道轨迹。

技术领域

本发明涉及智能车的轨迹规划领域，具体涉及一种基于非线性规划的曲线道路自动车换道轨迹规划方法。

背景技术

智能驾驶是智能交通系统的重要组成部分，在降低交通延误、减少交通事故和提高道路通行能力等方面具有巨大潜在研究价值。智能微观交通流行为包括换道行为、跟驰行为、超车行为等，近些年有很多针对跟驰行为的研究，而换道行为因需兼顾车辆的横向和纵向控制，更具挑战性。

轨迹规划是智能驾驶车辆换道行为的基础，其涉及换道过程中车辆间的拥堵疏解、轨迹安全性、舒适性和可跟踪性等问题，因此规划出合适的换道轨迹对实现智能辅助驾驶具有重要意义。

现有研究中，换道轨迹规划领域仍存在一些技术问题：1)现有研究通常只是简单考虑直线道路上的换道行为，缺少对曲线道路换道轨迹规划的讨论，提出的模型不具有普适性；2)没有考虑换道结束时，车辆由换道行为切换至跟驰行为的加速度变化约束；3)对换道结束时的交通状态假定已知，不符合实际道路换道情况，过于理想化。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出了一种基于非线性规划的曲线道路自动车换道轨迹规划方法，在换道总时长和目标位置都未知的情况下，采用依赖于时间的多项式方程建立曲线道路自动车换道轨迹规划模型，以此保证轨迹的导函数(速度、加速度、加加速度)连续且光滑。该曲线道路自动车换道轨迹规划模型可以在不同曲线线型道路上实时规划出满足安全性、舒适性和高效性的换道轨迹，避免因人为驾驶失误造成的交通事故。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于非线性规划的曲线道路自动车换道轨迹规划方法，包括如下步骤：

(1)采集道路信息：利用高精度地图、传感器和GPS设备采集曲线道路信息，并基于道路位置点回归拟合出表示道路线型的多项式方程；

(2)表征换道轨迹曲线方程：将换道总时间等分为I个样本点，采用依赖于时间的六次多项式表征横向和纵向的换道轨迹，在换道行为起始点和终点部分交通状态已知的基础上，计算换道轨迹曲线多项式方程的未知参数；

(3)防碰撞检测：建立合适的车辆动力学模型，通过计算换道车辆与周边车辆的实时距离来检测是否可能发生碰撞；

(4)将轨迹规划问题转化为求解未知参数的非线性优化求解问题：考虑换道总时长、换道车辆速度和加速度对换道效率产生的影响，建立目标函数；考虑车辆跟驰行为、防碰撞检测以及驾驶规范，建立一系列约束条件；

(5)对非线性优化求解问题采用序列二次规划算法(SQP)，根据优化计算结果，选取出安全、高效且舒适的最优换道轨迹。

进一步地，步骤(1)中，采集道路信息是通过高精度地图、传感器和GPS设备得到曲线道路上一系列参考样本点的x,y轴坐标及相邻两个参考点之间的长度s，将数据离线存储；在轨迹规划时直接依据车辆换道初始位姿，回归拟合出表示道路线型的多项式方程，具体形式如下所示：