一种基于车型和车速的换道轨迹优化及可视化实现方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于车型和车速的换道轨迹优化及可视化实现方法，包括如下步骤：（1）调用ADAMS软件中四种车型的整车模型，具体包括如下步骤：（1-1）获取整车结构参数；（1-2）获取车辆动力学特性；（2）分析现有换道轨迹模型的跟踪误差，提取适合不同车型车速的换道轨迹模型；（3）基于安全性和舒适性，优化换道轨迹，具体包括如下步骤：（3-1）基于换道轨迹约束条件构建驾驶控制DCD文件，（3-2）创建驾驶员控制模型、双车道三维道路模型，构建驾驶员-道路-车辆仿真系统，仿真后得到的即为最优换道轨迹。本发明可实时动态的观测车辆的换道行为，有助于优化智能车辆换道系统，提高驾驶人的舒适性，确保道路行车安全。
【专利说明】一种基于车型和车速的换道轨迹优化及可视化实现方法
【技术领域】
[0001]本发明属于智能交通、车辆系统动力学和交通安全研究与仿真领域，具体涉及一种基于车型和车速的换道轨迹优化及可视化实现方法。
【背景技术】
[0002]高速公路能为车辆提供快速、高效、舒适、安全的行驶环境，其基本路段上交通流比较稳定，通行能力与安全服务水平一般能达到设计水平。而在分流区区域，车辆车道变换、速度加减的不确定，以及驾驶员行为复杂多变的特性，使分流区交通环境复杂化，成为高速公路的速度和安全的瓶颈。据交通部数据统计，约30%的高速事故发生于分流区及其影响范围内，而车道变换则是分流区行车环境复杂化的一个特别重要因素。据统计，在车辆换道引起的交通事故中，由于人为原因导致的约为75%，而换道引起的交通事故约占到总交通事故的4%?10%,虽然比例不高,但造成的交通延误约占交通事故所引起延误的10%,给社会造成了巨大的经济损失。车道变换期望运行轨迹作为微观模型中不可或缺的重要组成部分，决定了在车道变换的实施过程中车辆能否安全、顺畅、快速的运行。同时车道变换期望运行轨迹研究对提高道路通行能力，减少车辆延误和拥挤也有着重要的意义。国内外学者在车道变换期望运行轨迹上开展了不同程度的研究，重点在数据的获取和轨迹曲线拟合两方面。在数据的获取方面，应用近景摄影测量原理，通过线性变换可得到地面坐标，该方法操作简便，获取的数据精度较高，但是没有考虑到车辆类型以及车辆在换道时的动力学特性；在曲线拟合方面，多项式等简化模型忽略了车辆运行时的曲率变化，导致轨迹曲率产生突变与实际情况不符。更重要的是忽略了车辆换道时没有考虑到车辆动力特性和换道时的舒适性和安全性，也不能实时观测车辆换道行为。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的问题是针对上述现有技术的不足，借助于虚拟样机技术，提供一种基于系统动力学的车辆换道轨迹优化方法，该方法全面考虑人-车-路闭环系统相互的制约性，可实时观测车辆换道行为，这与实际车辆换道情形具有较高的一致性。
[0004]1、一种基于车型和车速的换道轨迹优化及可视化实现方法，其特征具体包括如下步骤:
[0005](I)从模型库中调取不同车型车辆的整车模型
[0006](1-1)借助于ADAMS多体动力学软件中的ADAMS/Car模块，调取四种车型车辆(轿车、客车、半挂车、全挂车)整车动力学模型；
[0007](1-2)对四种车型的车辆进行仿真试验，获取车辆的最高车速、最大加速度、制动效能、制动时汽车的方向稳定性等动力和转向性能。具体包括以下标准仿真试验:开环转向试验(角脉冲转向试验、单移线试验)，直行试验(加速试验、制动试验)；稳态回转试验(转弯制动试验)。
[0008]开环转向试验:输入的转向参数是时变量函数，主要用于评价不同车型车辆的瞬态特性。本权利选用角脉冲转向试验和单移线试验。
[0009]?角脉冲转向试验:仿真试验时，在设定的直线行驶初始状态对转向机构输入正弦角位移，转向输入的方式选用方向盘转角，角脉冲转向设定在仿真期间使用巡航控制，则由驱动器自动控制汽车在整个仿真期间保持设定的初始速度。
[0010]令单移线试验:指驱动汽车在规定的时间内，通过一个S型曲线样式的道路模拟汽车的变道动作，本试验是为了获得相同时间相同车速下不同车辆的变道特性。
[0011]直行仿真试验关注的是不同车型的车辆纵向动力学性能，ADAMS/Car使用开环或闭环的纵向控制器驾驶汽车模型。本权利选择加速、制动两种试验。
[0012]?加速试验:采用开环控制，油门从初始速度与初始档位的油门开度对应值线性地开启到设定值，在加速仿真时对方向选择锁定、保持直线，且设置驱动器保持在固定的档位，此试验是为了获取汽车在换道时在某一固定档位的车辆最大纵向加速度。
[0013]?制动试验:采用开环控制，输入制动力踏板力线性地从零到指定值，制动试验开始后，驱动器除作用制动力外，还会不断操作离合器降档保持发动机维持怠速转速。制动时不脱开动力传递。此试验是为了获取车辆在某一固定档位下汽车的制动性能。
[0014]稳态回转仿真试验:主要用来评价汽车的操作性和动态响应特性。本权利选择实施转弯制动和弯道收油门试验。
[0015]?弯道制动试验:在转弯期间突然制动导致运动轨迹和航向的偏差，从转弯制动试验中可以收集的典型数据有侧向加速度、转弯轨迹扰动和横摆角。在转弯制动仿真试验时，驱动器驱动车辆从直线引道转入试验车道，加速直至获得要求的侧向加速度，一旦达到设定的侧向加速度，驱动器就保持车速和转弯半径为常量，一段时间内达到稳态，然后，锁定方向盘或由驱动器调整转向值，维持原转弯半径并制动车辆到设定的减速度值，在设定的制动持续时间内，保证一直保持该减速度或直至车速降至2.5m/s以下。
[0016](1-3)确定四种车型的相关的车辆动力学参数。
[0017]在AMAMS/Car 模块 Simulation/Full-VehicleAnalysis 项中仿真，分析出的结果导入ADAMS/PostProcessor进行处理，获取不同车型车辆的加速度、最大速度、制动减速度、转向加速度，转向灵敏性等。
[0018](2)基于驾驶员-车辆-道路闭环动力系统的换道模型动力学分析
[0019]( 2-1)现有车辆换道模型
[0020]现有研究的几种常见的车辆换道模型如下:
[0021]?等速偏移模型
[0022]等速偏移模型的轨迹如图所示，假设两车道线之间的距离为d，车辆要在纵向长度为21^+h内完成整个换道过程。
[0023]?余弦函数换道模型
[0024]假设两车道的车道中线的距离为d，换道过程产生的沿车道方向的纵向位移为L，余弦函数换道模型轨迹函数为yd = d/2 [ 1-cos ( η.x/L)]
[0025]?余弦函数 和双曲正切函数加权换道模型
[0026]余弦函数和双曲正切函数加权换道模型轨迹，用yrt(x)表示，是余弦换道轨迹函数y_(x)和双曲正切换道函数ytanh(x)加权的换道模型轨迹，余弦函数和双曲正切函数加权换道模型L(X)为:
[0027]ya(x) = ^l-(l-Aa).cos^'jJ + Aa'tanh 亨.〔x—告)|
[0028]?等速偏移轨迹函数和正弦函数叠加换道模型
[0029]等速偏移函数和正弦函数叠加换道轨迹函数为:
,、d ? X (?\]\
[0030]Vx^ij =——-?π-1--1 X--+sin - a*——>
L Ij / 2 Vv 2 j l~t / 2 \ 2- / J
[0031](2-2)基于现有换道模型构建驾驶员-道路-车辆换道系统
[0032]车辆模型:模型库中的轿车、客车、半挂车、全挂车
[0033]驾驶员模型:在Event Builder中建立驾驶数据文件和驱动参数文件，设置车辆的初始速度、初始平衡状态、初始档位；Min1-Maneuvers设置:转向控制采用Machine的方式，使用Path Map Editor建立如权利(2_1)中的车辆换道轨迹；油门控制、制动控制、变速器控制和离合器的控制均采取驾驶器控制，保持初速度的控制方式，设置换道完成时间t为仿真终止条件，这样就可创建完整的驱动控制DRD文件。
[0034]道路模型:基于SPLINE方法建立三维直道模型RDF文件，长度为L，宽度为d，双车道，横坡和纵坡均为0，道路摩擦系数采用干燥路面摩擦系数。
[0035]将道路模型、车辆`模型、驾驶员模型载入到File Driven Events仿真项,这就构建了驾驶员-道路-车辆闭环仿真系统，可进行不同车型不同车速不同换道模型控制下的整车动力学分析。
[0036](2-3)基于车辆动力学理论，借助于ADAMS/Car获取不同车型对应的换道轨迹。
[0037]将驾驶员-车辆-道路系统在FILE DRIVEN EVENT项仿真获取的结果导入ADAMS/Post Processor进行后处理，选定不同车型在不同车速下对应的换道轨迹模型。
[0038]换道模型适用性要求:一是车辆能否完成换道，也就是换道仿真实验能否实现；二是换道的轨迹路径的曲率是连续变化的，没有突变的现象发生；三是在换道路径的起点和换道路径的终点处曲率均为零，能使车辆在换道起始时刻与其换道结束时刻车轮偏角为零；四是车辆运行轨迹与换道轨迹的误差。
[0039](3)确定车辆换道适宜性要求
[0040]除了权利(2-3)的换道适用性外，有时虽然车辆完成了换道，但是对其它车辆造成了影响或驾驶员完成换道的操纵很复杂，这时就得考虑换道时的安全和舒适性，还需满足车辆的纵向加速度、横向加速、换道完成后车辆的横向速度和横向加速等车辆动力学参数要求。
[0041](4)基于不同车型的车辆换道轨迹优化
[0042]依据权利(3)创建满足不同车型车辆舒适性和安全性要求的车辆换道驱动控制约束DRD文件，即在权利(2-2)基础上优化驾驶员模型，基于权利(2-2)试验获得的结果，再次构建优化的驾驶员-车辆-道路闭环系统仿真模型，分别采用File Driven和Smart Driver两种仿真模式驱动车辆，仿真得到的车辆运行轨迹即为车辆实际换道时的最优轨迹。
[0043](4-1)优化驾驶员模型:在Event Builder中创建满足不同车型车辆舒适性和安全性要求的DCD文件，完成试验条件设置和微操纵设置两方面的创建或直接在ADAMS/Smart Driver仿真模块直接进行设置驾驶员加速、减速、换道时的参数。
[0044](4-2)三维道路建模:按照高速公路设计的行业标准，取道路宽度d，道路长度L，基于SPLINE建立三维直道模型RDF文件
[0045](4-3)车辆模型:轿车、客车、半挂车、全挂车
[0046](4-4)驾驶员-车辆-道路系统动力学模型:将道路模型、车辆模型、驾驶员模型载入到File Driven Events仿真项,这就构建了驾驶员-道路-车辆闭环仿真系统,可进行不同车型不同换道模型控制下的整车动力学分析。
[0047](5)基于不同车速确定车辆最优换道轨迹
[0048]重复权利(4)的创建方法，对不同车型车辆(轿车、半挂车、全挂车)在不同车速(100km/h、120km/h)进行仿真试验，获取对应车型车速的最优换道轨迹。
[0049]与现有技术相比，本发明的有益效果是:逼近真实情形下的换道行为，可实时观测车辆换道行为，可以为不同车型车辆智能驾驶控制提供最优化的换道路径，对于交通安全和道路线形设计具有重要的意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0050]图1是本发明方法的流程图。
[0051]图2是驾驶员预瞄控制模型图。
[0052]图3是驾驶人-轿车-道路闭环系统换道模型。
[0053]图4是驾驶人-客车-道路闭环系统换道模型。
[0054]图5是驾驶人-半挂车-道路闭环系统换道模型。
[0055]图6是驾驶人-全挂车-道路闭环系统换道模型。
[0056]图7是客车在不同车速不同换道模型下的换道轨迹。
[0057]图8是客车在100km/h时的换道轨迹优化过程。
[0058]图9是客车在100km/h换道时横向加速度优化过程。
[0059]图10是客车在100km/h换道时横向速度优化过程【具体实施方式】。
【具体实施方式】
[0060]下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
[0061]实施例:基于不同车型的车辆换道轨迹优化方法及可视化，该方法包括如下步骤:
[0062](I)调取不同车型车辆整车动力学模型，包括如下步骤:
[0063](1-1)选用ADAMS2012，进入ADAMS/Car模块，从模型库中调取四种车型的车辆动力学模型(轿车 MDI_DEM0_VEHICLE、客车 MSC_BUS_RIGID、半挂车 MSC_TRACT0R_SEMITRAILER、全挂车MSC_TRACT0R_UNIT);车辆整车参数，如表I所示。
[0064](1-2)对四种车型的车辆进行开环转向试验、直线试验、弯道转向试验，获取车辆的最高车速、最大加速度、制动效能、制动时汽车的方向稳定性等。具体包括以下仿真试验:开环转向仿真(角脉冲转向仿真、单移线仿真)，直行仿真(加速、制动)；稳态回转仿真(转弯制动、弯道收油门)。[0065]?角脉冲转向仿真:试验参数设置为:仿真时间10s，初速速度为70km/h，变速器处于4档，最大转向值为150，周期时间为0.5s，开始时间为0.1s。由此试验可以获得汽车的最大侧向加速度。
[0066]令单移线仿真:参数设置为:仿真时间为10s，初始速度为70km/h，变速器档位为4档，最大转向值为100，起始时间为ls，转向周期为8s，使用直线准静态设置，不采用巡航控制。
[0067]?加速仿真:试验参数设置如下:仿真时间15s，初始速度为70km/h，加速试验开始时间为5s，油门开环控制，油门的最终开度，全开为100，油门开启持续时间为0.5s，变速器档位为4档，方向盘自由，不允许换档，使用直线准静态设置。
[0068]?制动仿真:试验参数设置如下:仿真时间为10s，试验车速为70km/h，闭环制动，制动试验开始时间为3s,纵向加速度为0.4g,变速器档位为4档，方向控制为直线转向输入，试验直线准静态设置。
[0069]令弯道制动仿真:依据国际标准IS07975-85《转弯制动开环试验规程》的规定值可定具体的试验参数如下:变速器档位威档，触发制动侧向加速度为0.51g，车道半径为40m，转向方向选择左转(左右转一样)，制动时横向保持方式为锁定方向盘，制动减速度为
0.63g，最大制动减速作用时间5s，使用直线引道。
[0070](1-3)确定四种车型的车辆动力学参数
[0071]将在AMAMS/Car 模块前处理 Simulation/Ful 1-Vehicle Analysis 中分析出的结果导入到后处理ADAMS/Post Processor进行处理分析，获取车辆的动力学参数如表2。
[0072](2)基于虚拟样机的现有换道模型的动`力学分析
[0073](2-1)现有的车辆换道模型及分析；
[0074]令等速偏移模型
[0075]等速偏移模型的轨迹如图所示，假设两车道线之间的距离为d，车辆要在纵向长度为21^+h内完成整个换道过程。
[0076]
【权利要求】
1.一种基于车型和车速的换道轨迹优化及可视化实现方法，其特征具体包括如下步骤: (1)从模型库中调取多种车型整车模型，具体包括: (1-1)借助ADAMS多体动力学软件中的ADAMS/Car模块，调取四种车型车辆整车动力学模型，所述四种车型包括轿车、客车、半挂车、全挂车； (1-2)对四种车型的车辆进行标准仿真试验，获取车辆的动力特性和转向特性，具体包括以下标准仿真试验:开环转向试验、直行试验、稳态回转试验，其中，所述开环转向试验包括角脉冲转向试验、单移线试验，所述直行试验包括加速、制动试验，所述稳态回转试验包括转弯制动试验； (1-3)确定四种车型的相关的车辆动力学参数，在AMAMS/Car模块Simulation/Full-VehicleAnalysis项中仿真，分析出的结果导入ADAMS/Post Processor进行处理,获取不同车型车辆的加速度、最大速度、制动减速度、转向加速度和转向灵敏性； (2)基于人-车-路闭环动力系统的现有换道模型动力学分析，具体包括: (2-1)建立现有车辆换道模型； (2-2)基于现有换道模型构建驾驶员-道路-车辆换道系统，其中， 车辆模型为:模型库中的轿车、客车、半挂车、全挂车； 驾驶员模型为:在EventBuilder中建立驾驶数据文件和驱动参数文件，设置车辆的初始速度、初始平衡状态、初始档位；Min1-Maneuvers设置:转向控制采用Machine的方式,使用PathMapEditor建立如步骤(2_1)中的车辆换道轨迹；油门控制、制动控制、变速器控制和离合器的控制均采取驾驶器控制，保持初速度的控制方式，设置换道完成时间t为仿真终止条件，这样就可创建完整的驱动控制DRD文件； 道路模型为:基于SPLINE建立三维直道模型RDF文件，长度为L，宽度为d，双车道，横坡和纵坡均为0，道路摩擦系数采用干燥路面摩擦系数， 将道路模型、车辆模型、驾驶员模型载入到FileDrivenEvents仿真项,这就构建了驾驶员-道路-车辆闭环仿真系统，可进行不同车型不同车速不同换道模型控制下的整车动力学分析； (2-3)基于车辆动力学理论，借助于ADAMS/Car获取不同车型对应的换道轨迹，具体为: 将驾驶员-车辆-道路系统在FILEDRIVENEVENT项仿真获取的结果导入ADAMS/Postprocessor进行后处理,初步选定不同车型在不同车速下对应的换道轨迹模型； 换道模型适用性要求:一是车辆能否完成换道，也就是换道仿真实验能否实现；二是换道的轨迹路径的曲率是连续变化的，没有突变的现象发生；三是在换道路径的起点和换道路径的终点处曲率均为零，能使车辆在换道起始时刻与其换道结束时刻车轮偏角为零；四是车辆运行轨迹与换道轨迹的误差； (3)确定车辆换道适宜性要求，具体为: 除了步骤(2-3)的换道模型适用性要求外，还需满足车辆的纵向加速度、横向加速、换道完成后车辆的横向速度和横向加速等车辆动力学参数要求； (4)基于不同车型的车辆换道轨迹优化，具体包括: 依据步骤(3)创建满足不同车型车辆舒 适性和安全性要求的车辆换道驱动控制约束DRD文件，即在步骤(2-2)基础上优化驾驶员模型，基于步骤(2-2)获得的结果，再次构建优化的驾驶员-车辆-道路闭环系统仿真模型，分别采用FileDriven和SmartDriver两种仿真模式驱动车辆，仿真得到的车辆轨迹即为车辆换道时的最优轨迹； (5)基于不同车速确定车辆最优换道轨迹，具体为: 重复步骤(4)的创建方法，对不同车型车辆在不同车速进行仿真试验，获取对应车型车速的最优换道轨迹。
2.根据权利要求1所述的基于车型和车速的换道轨迹优化及可视化实现方法，其特征在于，步骤(1-2)中， 开环转向试验为:输入的转向参数是时变量函数，主要用于评价不同车型车辆的瞬态特性，选用角脉冲转向试验和单移线试验；其中， 角脉冲转向试验为:仿真试验时，在设定的直线行驶初始状态对转向机构输入正弦角位移，转向输入的方式选用方向盘转角，角脉冲转向设定在仿真期间使用巡航控制，则由驱动器自动控制汽车在整个仿真期间保持设定的初始速度； 单移线试验为:指驱动汽车在规定的时间内，通过一个S型曲线样式的道路模拟汽车的变道动作，试验是为了获得相同时间相同车速下不同车辆的变道特性； 直行仿真试验关注的重点是不同车型的车辆纵向动力学性能，ADAMS/Car使用开环或闭环的纵向控制器驾驶汽车模型，选择加速、制动两种试验，其中， 加速试验为:采用开环控制，油门从初始速度与初始档位的油门开度对应值线性地开启到设定值，在加速仿真时对方向选择锁定、保持直线，且设置驱动器保持在固定的档位，此试验是为了获取汽车在换道时在某一固定档位的车辆最大纵向加速度； 制动试验为:采用开环控制，输入`制动力踏板力线性地从零到指定值，制动试验开始后，驱动器除作用制动力外，还会不断操作离合器降档保持发动机维持怠速转速，制动时不脱开动力传递。此试验是为了获取车辆在某一固定档位下汽车的制动性能； 稳态回转仿真试验主要用来评价汽车的操作性和动态响应特性，选择转弯制动试验，其中， 弯道制动试验为:在转弯期间突然制动导致运动轨迹和航向的偏差，从转弯制动试验中可以收集的典型数据有侧向加速度、转弯轨迹扰动和横摆角，在转弯制动仿真试验时，驱动器驱动车辆从直线引道转入试验车道，加速直至获得要求的侧向加速度，一旦达到设定的侧向加速度，驱动器就保持车速和转弯半径为常量，一段时间内达到稳态，然后，锁定方向盘或由驱动器调整转向值，维持原转弯半径并制动车辆到设定的减速度值，在设定的制动持续时间内，保证一直保持该减速度或直至车速降至2.5m/s以下。
3.根据权利要求1所述的基于车型和车速的换道轨迹优化及可视化实现方法，其特征在于，步骤(2-1)中，几种常见的车辆换道模型包括:等速偏移模型、余弦函数换道模型、余弦函数和双曲正切函数加权换道模型、等速偏移轨迹函数和正弦函数叠加换道模型。
4.根据权利要求1所述的基于车型和车速的换道轨迹优化及可视化实现方法，其特征在于，步骤(4)具体包括以下步骤: (4-1)优化驾驶员模型:在EventBuilder中创建满足不同车型车辆舒适性和安全性要求的DCD文件，完成试验条件设置和微操纵设置两方面的创建或直接在ADAMS/SmartDriver仿真模块直接进行设置驾驶员加速、减速、换道时的参数；(4-2)建立三维道路模型:按照高速公路设计的行业标准，取道路宽度d，道路长度L，基于SPLINE发方法建立三维直道模型RDF文件； (4-3)建立车辆模型，包括:轿车、客车、半挂车、全挂车； (4-4)构建驾驶员-车辆-道路系统动力学模型:将道路模型、车辆模型、驾驶员模型载入到FileDrivenEvents仿真项,这就构建了驾驶员-道路-车辆闭环仿真系统，可进行不同车型不同换道模型控制下的整车动力学分析。
5.根据权利要求1所述的基于车型和车速的换道轨迹优化及可视化实现方法，其特征在于，步骤(5)中所述不同车·速包括:100km/h、120km/h。
【文档编号】G05B17/02GK103823382SQ201410069573
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月27日 优先权日:2014年2月27日
【发明者】翁辉, 何杰, 王雅茹, 王玉富, 吴德华, 李培庆 申请人:浙江省科威工程咨询有限公司, 浙江省交通规划设计研究院, 东南大学, 浙江交工路桥建设有限公司