高速公路自动驾驶车辆紧急避让行为控制策略研究与仿真分析

论文总字数：28707字

摘 要

随着社会科技的发展，人们对车辆安全的要求不断提高，自动驾驶车辆越来越受到关注。本文以高速公路行驶的自动驾驶车辆为研究对象，设计了较完整的车辆紧急避让策略，使其能应对不同工况场景，主要研究内容如下：

设计自动驾驶车辆的紧急避让策略，引导目标车辆安全高效避让不同运动状态的障碍。提出紧急避让策略的基本假设，将紧急避让策略的设计分为状态预测模块，候选轨迹规划模块，候选决策协调模块三部分。

车辆的状态预测模块基于联网车辆的全速度差分模型计算获得车辆及其周边车辆的加速度、位置信息并将其发送给候选轨迹规划模块。

候选轨迹规划模块在保证车辆行驶的安全性和舒适性的基础上，以对交通效率的影响最小化作为目标对车辆避障轨迹进行规划，其中车辆安全性通过位置约束、车速约束和车辆相对位置约束体现，舒适性通过对车辆加速度变化率的约束加以体现；当该模块判断无法为车辆规划符合上述约束的换道轨迹时，则采取减速避让策略，引导车辆保持与障碍物相同的运动状态避免冲突。

候选决策协调模块可为单车辆选择对交通效率影响最小的候选换道轨迹作为其最终的换道轨迹。当通信范围内有多个车辆需要避让障碍时，候选决策协调模块考虑约束条件选择对道路交通流总影响最小的方案作为最终的避让决策。

本文针对不同工况的紧急避让进行仿真，选择交通密度、平均车速、交通流量、空间速度方差、时间速度方差作为评价参数，对设计的紧急避让策略做出评价。仿真结果显示，相较于传统控制策略，本文所提出的控制策略在保证车辆速度及其平稳性具有显著的优越性。

关键词：紧急避让策略，车辆状态预测，候选轨迹规划，决策协调，自动驾驶车辆

Abstract

With the development of social science and technology, people's demand for vehicle safety has been improved, and self-driving vehicles are getting more and more attention. In this paper, a complete vehicle emergency avoidance strategy is designed to cope with different working conditions. The main research contents are as follows:

Design the emergency avoidance strategy of the self-driving vehicle so that it can guide the target vehicle to avoid the obstacle under different working conditions. The basic assumption of the emergency avoidance strategy is put forward, and the design of emergency avoidance strategy is divided into three parts.

The vehicle's state prediction module calculates the motion state of the vehicle and its surrounding vehicles considering the relative speed and headway between the target vehicle and the vehicle ahead.

Candidate trajectory planning module plans the trajectory for vehicle, considering the safety and comfort of vehicle and minimize the impact on the efficiency of the transportation. When there are no suitable trajectory, calculate the acceleration of the vehicle that enables the vehicle to avoid obstacle.

The candidate decision coordination module can be used to find the final change track of the candidate decisions with the least impact on traffic efficiency. When there are multiple vehicles that need to avoid the obstacles, the candidate decision coordination module considers the scheme which has the least influence on the total impact of the road traffic flow as the final decision.

Choosing several parameters in order to evaluate the strategy according to different conditions. According to the result, the strategy perform well in keeping the vehicle speed smooth and steady.

KEY WORDS: emergency avoidance strategy, vehicle status prediction, candidate trajectory planning, decision coordination, self-driving vehicle

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 自动驾驶技术国内外研究现状 1

1.3 汽车紧急避让技术国内外研究现状 2

1.3.1 纵向避让策略国内外研究现状 2

1.3.2 侧向避让策略国内外研究现状 2

1.4 论文研究内容 3

第二章 紧急避让策略设计 5

2.1 决策机制设计假设 5

2.2 车辆紧急避让策略 5

2.2.1 车辆紧急避让策略模块 5

2.3 车辆状态预测 7

2.4 候选决策生成 8

2.4.1 车辆换道候选轨迹性能指标 8

2.4.2 车辆换道候选轨迹规划 10

2.4.3 车道保持性能指标 11

2.5 候选决策协调 12

2.5.1 单车辆最优避让策略 12

2.5.2 车辆避让策略协调 13

2.6 本章小结 14

第三章 静态障碍避让仿真分析 15

3.1 基本假设 15

3.2 评价参数 15

3.3 三车道场景仿真及结果分析 16

3.3.1 紧急避让策略仿真结果分析 16

3.3.2 其他策略仿真结果分析 17

3.3.3 对比分析 17

第四章 动态障碍避让仿真分析 20

4.1 基本假设 20

4.2 前方动态障碍场景仿真及结果分析 20

4.2.1 紧急避让策略仿真结果分析 20

4.2.2 其他策略仿真结果分析 21

4.2.3 对比分析 21

4.3 后方动态障碍场景仿真及结果分析 22

4.3.1 紧急避让策略仿真结果分析 23

4.3.2 其他策略仿真结果分析 23

4.3.3 对比分析 23

第五章 总结与展望 26

5.1 总结 26

5.2 展望 26

致谢 28

参考文献 29

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

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