论文总字数：36688字

摘 要

近几年来，国内外自动驾驶车辆迅速发展，已出现一些实际应用的情况。与此同时，现有公路所依据的路线设计准则主要考虑的是手动驾驶车辆行驶理论以及驾驶员的行车舒适性与驾驶安全性，其是否适用于自动驾驶车辆运行存在疑问。本文旨在研究现有公路路线设计准则对于自动驾驶条件下的适用性，为自动驾驶车辆道路路线研究提供理论基础，以期对用于自动驾驶车辆运行的道路的修建提供一定的参考意义。

首先简要介绍了自动驾驶技术以及与手动驾驶车辆相关的一些知识，包括自动驾驶技术发展趋、自动驾驶技术主要内容、自动驾驶车辆实例、手动驾驶汽车构造与参数、驾驶人行为分析等。在了解完这些基础预备知识后，结合相关文献资料，分析总结了自动驾驶与手动驾驶之间的区别。

其次分析了现有道路线形设计理论，主要介绍的线形设计要素有直线、圆曲线、纵坡、竖曲线以及停车视距。同时结合自动驾驶与手动驾驶之间的区别，对现有线形设计要素指标的合理性和可能改动方向作出一个初步的判断。

最后以现有智能车辆为目标车辆，利用CarSim构建自动驾驶车辆的整车模型。通过仿真预测不同线形指标下的车辆整车操纵稳定性、动力性和行驶平顺性，研究面向自动驾驶车辆单车的“安全”线形指标。

关键词：自动驾驶，道路线形设计，CarSim仿真

Abstract

In recent years, the rapid development of automatic driving technology has gradually shown a trend of practical application. At the same time, existing road route design guidelines mainly consider manual driving vehicle theory and driver's driving comfort and driving safety. Whether it is suitable for automatic driving vehicle is in doubt. The purpose of this paper is to study the applicability of existing highway route design guidelines for automatic driving conditions in order to provide certain reference for the construction of roads used for autonomous driving vehicles.

First of all, it briefly introduces the automatic driving technology and some knowledge related to manual driving vehicles. After understanding these basic preparatory knowledge, combined with the relevant literature, the difference between automatic driving and manual driving is analyzed and summarized.

Secondly, the existing road route design theory is analyzed. At the same time, combining the difference between automatic driving and manual driving, a preliminary judgment is made on the rationality of the existing alignment design guidelines and possible direction of change.

Finally, using the existing intelligent vehicle as the target vehicle, CarSim was used to construct the autonomous vehicle model. Through simulation, the vehicle stability, dynamics, and ride performance under different linear indicators are predicted, and the “safety” linear indicators for single vehicle of autonomous vehicles are studied.

KEY WORDS: Automatic driving, Road route design, CarSim simulation

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 3

1.1 研究背景与意义 3

1.2 国内外研究综述 3

1.2.1 国外研究综述 3

1.2.2 国内研究综述 4

1.3 课题提出 6

1.4 研究内容与技术路线 6

第二章 自动-手动驾驶技术简介与分析 8

2.1 自动驾驶汽车概述 8

2.1.1 主要内容 8

2.2 手动驾驶汽车分析 9

2.2.1 一般构造 9

2.2.2 主要技术参数 10

2.2.3 行驶性能 10

2.2.4 车辆动力学中对车辆的定义 12

2.2.5 四轮车辆简化模型 12

2.2.6 驾驶员的控制行为 13

2.3 手动驾驶与自动驾驶比较分析 14

2.3.1 手动驾驶汽车与自动驾驶汽车操控性能区别 14

2.3.2 手动驾驶行为与自动驾驶行为信息加工机理解析 15

2.3.3 有人驾驶行为与无人驾驶行为判断决策分析 17

2.4 自动-手动驾驶汽车区别总结 19

2.5 本章小结 21

第三章 道路线形设计理论与指标分析 22

3.1 直线 23

3.1.1 直线的最大长度 23

3.1.2 直线的最小长度 25

3.2 圆曲线 26

3.2.1 圆曲线半径 26

3.3 纵坡 27

3.3.1 最大纵坡 27

3.3.2 坡长限制 28

3.4 竖曲线 29

3.4.1 竖曲线半径 29

3.5 行车视距 29

3.6 本章小结 31

第四章 基于CarSim的仿真验证 32

4.1 CarSim软件简介 32

4.1.1 模型和工况参数设定 32

4.1.2 数学模型求解 33

4.1.3 输出和后处理部分 33

4.2 整车模型搭建 33

4.3 仿真工况设置 34

4.4 直线最大长度 35

4.5 圆曲线半径 38

4.6 直线最小长度 42

4.6.1 同向曲线间直线最小长度 42

4.6.2 反向曲线间直线最小长度 45

4.7 其他 48

4.8 本章小结 48

第五章 总结与展望 49

5.1 总结 49

5.2 展望 49

致谢 51

参考文献 52

绪论

研究背景与意义

近几十年来微电子、计算机乃至人工智能技术快速发展，人工智能产品的智能化程度越来越高，有着广阔的应用范围和应用前景。自动驾驶汽车便是人工智能技术在交通领域的一次全新的应用。利用感应装置和无线通信系统，自动驾驶汽车在道路上可以实现无需驾驶员操纵或少许操纵的平稳行驶。自动驾驶汽车历史可以追溯到19世纪七八十年代，21世纪初已出现一些小范围实际应用的例子。到如今，该项技术已取得了许多重大突破。但与此同时，有些人提出了疑问：在手动驾驶车辆转变至自动驾驶车辆的过程中，对原本面向人类驾驶情况下修建的公路是否还满足自动驾驶条件下的车辆运行？显然，随着时间推移，利用大数据和高速计算能力的自动驾驶车辆所表现出的性能将远远大过人类驾驶下的车辆。而现有道路线形指标是否适应于这类全新的驾驶模式，这便需要进行相关的研究。

根据《公路路线设计规范》（JTG D20-2017）（之后简称为《规范》）中的相关阐述，现有线形设计主要依据车辆行驶动力学，主要考虑驾驶员的驾驶安全性，而自动驾驶车辆运用传感器、定位系统、智能系统等取代驾驶员，视觉模式与性质、反应时间和加减速度的变化对路线规范中平纵线形指标及其组合、设计速度和横断面设计的要求势必带来变化。同时相比人类驾驶员，在自动驾驶汽车对路况更宏观地把控和更智能地处理下，路线规范中考虑人类反应速度、行车舒适性和美学视觉效果上的设计便显得不太合适，甚至这样的设计加大了道路基础设施的修建成本和难度。

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