【技术实现步骤摘要】
本申请涉及道路交通，尤其涉及一种基于车辆动力学的多目标优化协同换道方法。
技术介绍
1、换道是车辆最基本也是最重要的驾驶行为之一，对道路安全、效率和交通流的稳定性有着重要的影响。根据欧盟数据统计，不当换道造成的事故约占事故总数的4％～10％，在高速公路合流区或分流区，换道行为不可避免，这将引起交通流波动，甚至交通堵塞。此外，复杂的匝道合流区环境下，车辆决策行为、操作能力和动力性能具有的随机性和独立性，可能加剧合流换道的负效应，如不同动力性能的车辆合流换道持续时间不同，大型车换道更难以决策，对局部交通流的扰动更加明显，安全风险更大。
2、在对合流区汇入控制研究中，cav协同换道策略在解决合流区主动安全控制问题方面具有明显的技术优势，但目前大部分研究着重于关注车辆在行驶过程中的纵向控制或横向控制的某一方面，且没有考虑与周边车辆的协同，缺乏在cav环境下同时考虑多车纵向和横向协同优化换道控制有效方法，导致车辆换道困难，操作难度大，控制效率低。
技术实现思路
1、为解决上述研究中的不足之处，本申请提出一种基于车辆动力学的多目标优化协同换道方法，包括在cav车辆控制系统中建立协同换道控制框架，所述协同换道控制框架包括设置纵向控制器和设置横向控制器；
2、所述设置纵向控制器包括：
3、步骤1.1、建立单车纵向动力学模型：
4、根据牛顿第二定律，可以得到单个车辆的纵向动力学方程如下：
5、
6、式中，mi为车辆重量，xi为车
7、车辆的发动机模型可以被简化为一个一阶时滞系统，公式如下：
8、
9、式中，τi为发动机时间常数，ui为发动机的控制输入；
10、采用线性化方法得到公式(3)的反馈控制律，可将公式(1)中的非线性系统转化为线性系统；
11、
12、式中，ui为新设计的控制输入，这里定义为期望加速度，满足以下表达式：
13、
14、结合车辆运动学，可以得到以下线性车辆动力学模型：
15、
16、式中，vi为车辆的速度，ai为车辆的加速度；
17、定义状态变量xi＝[xi,vi,ai]t，控制变量ui＝ui，得到单车动力学模型状态空间表达式，如下：
18、
19、式中，
20、步骤1.2、纵向控制器设计：
21、将状态向量定义为x＝[xfv,vfv,afv,xsv,vsv,asv,xpv,vpv,apv]t，将控制变量定义为u＝[ufv,upv,usv]t，控制系统的动态方程表示为：
22、
23、其中，ac＝diag([as,as,as])，bc＝diag([bs,bs,bs])；
24、同时考虑交通效率、安全和车辆舒适度等目标，将lha阶段总的成本函数定义为：
25、
26、为了得到良好的交通效率，由于加速车道长度约束，不能无限提供间距调整空间，lha阶段需尽可能短的时间内完成，将lha阶段的控制时长设计为终端成本，尽可能使该成本最小，即
27、
28、式中，k0为权重系数，tlha为lha阶段的控制时长；
29、在lha阶段终端时刻，协同车辆以稳定状态行驶，目标车道内相邻前后车保持恒定的车头时距，因此控制目标应使车辆的车间距误差尽量小；为了平衡车辆的舒适性和安全性，引入了以下运行成本函数：
30、
31、式中，k1,k2,…,k6为运行成本的权重系数，δxfv为fv与sv的车头间距，δxsv为sv与pv的车头间距，δxpv为pv与lv的车头间距，th为相邻前后车的期望车头时距；
32、为保证换道的安全性，需要对车头间距进行约束，如下：
33、
34、式中，di,safe是安全车头间距，ts为最小车头时距，ds安全距离，tttc为避免碰撞的最小时距，δvi为本车与前车的相对速度；
35、为了保证协同车辆在lce阶段纵向速度是恒定的假设，在lha阶段的终端时刻，协同车辆的速度相同，加速度等于0；由于主线参与协同的车辆为pv、sf，对主线领车的干扰较少，故设定lv在整个过程速度恒定，故lha阶段的终端约束可以表示为：
36、
37、车辆的速度、加速度和期望加速度应满足物理边界，即满足以下约束
38、
39、式中，vmin和vmax是车辆速度的边界值，amin和amax是车辆加速度的边界值，umin和umax是车辆期望加速度的边界值；
40、当合流车辆行驶至加速车道末端时，为保证合流车辆不驶出加速车道或驶入硬路肩，故lha阶段需满足纵向行驶距离约束；在车道分界线前后，sv的横向换道轨迹是对称分布的，lce阶段sv纵向行驶距离为xsv，则为保证安全，lha阶段sv纵向行驶距离需满足如下约束：
41、为满足合流中车辆在加速车道尽头换道的极端条件，此过程车辆不能驶出加速车道，故lha阶段需满足纵向行驶距离约束；横向换道轨迹与车道分界线交点处对称分布，lce阶段sv纵向行驶距离为xsv，则车辆满足安全约束时的极限换道轨迹；lha阶段sv纵向行驶距离满足如下约束：
42、
43、步骤1.3、纵向控制器求解：
44、采用伪谱优化软件包gpops完成纵向控制器的优化求解；
45、所述设置横向控制器包括
46、步骤2.1、参考轨迹生成：
47、选取五次多项式作为sv的换道参考轨迹，表达式如下：
48、
49、式中，x(t)和y(t)车辆在惯性坐标系下的坐标，α0,…,α5和β0,…,β5为多项式系数，这些参数可以通过初始点和终端状态确定，即
50、
51、式中，vx为车辆纵向速度，tlce为lce阶段的换道持续时间，lx为车辆纵向行驶距离，w为车道宽度；
52、对五次多项式参数求解结果如下：
53、
54、将式(17)带入式(15)，可得到以下表达式：
55、
56、考虑乘车舒适性和换道效率的均衡，制定以下目标函数
57、
58、式中，λ1和λ2为目标权重系数，am为最大合成加速度，可以表示为
59、
60、步骤2.2、横向动力学建模：
61、由于车辆换道过程中车辆横向距离仅为一个车道宽度，前轮偏转角较小，基于小角度假设理论，可得到以下车辆动力学非线性模型：
62、
63、
64、
65、
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【技术保护点】
1.一种基于车辆动力学的多目标优化协同换道方法，其特征在于，包括在CAV车辆控制系统中建立协同换道控制框架，所述协同换道控制框架包括设置纵向控制器和设置横向控制器；
【技术特征摘要】
1.一种基于车辆动力学的多目标优化协同换道方法，其特征在于，包括在cav车辆控制系...
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