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原文传递沥青路面车辙对自动驾驶车辆横向安全影响研究

论文题名：	沥青路面车辙对自动驾驶车辆横向安全影响研究
关键词：	自动驾驶车辆;横向安全;沥青路面车辙;偏最小二乘回归;风险预测
摘要：	自动驾驶作为交通运输领域的一项前沿技术，在世界范围内受到广泛关注，而近年来频发的自动驾驶交通事故，也引发了社会对自动驾驶安全的深切担忧。车辙是沥青路面的主要病害之一，对行车安全性危害很大。然而，目前研发机构大多针对智慧公路、车路协同展开大量研究，在车辙对自动驾驶车辆横向安全的影响方面却没有引起足够重视。本文旨在搭建自动驾驶车辆—车辙路面闭环仿真系统，研究车辙对自动驾驶车辆横向安全的影响，并基于车辙影响构建自动驾驶车辆行驶于车辙路面上的横向安全风险预测模型，量化自动驾驶车辆在车辙路面上的横向安全风险。　　（1）基于文献调研，从车辙降低路面不平整度和抗滑性能两个角度确定了基于险态行驶工况的车辙分析指标。从车辆侧翻、侧滑和横摆失稳三个方面研究选定了表征自动驾驶车辆横向安全的动力学评价指标及其限值。　　（2）采用CarSim仿真软件建立车辆的子系统和整车模型，考虑道路平面线形、车辙几何形态和道路干湿状况，建立车辙路面仿真模型。基于预瞄跟随理论和线性二次型最优控制理论，在MATLAB/Simulink环境中设计了自动驾驶横向控制器，并建立直道和弯道的换道轨迹规划模型模拟自动驾驶车辆跨越车辙，搭建了自动驾驶车辆—车辙路面仿真系统。　　（3）模拟了不同场景下自动驾驶车辆跨越车辙路面时的动态响应，并与人工驾驶车辆进行对比。分析了在不同速度等级下，车辙宽度、车辙深度以及侧壁坡度对自动驾驶车辆侧翻、侧滑以及横摆失稳的影响，结果表明，相较人工驾驶，自动驾驶横向控制算法降低了车辆在车辙路面上的横向安全风险，但从控制精度看，车辙显著降低了自动驾驶横向控制算法的控制效果，考虑不良路况并提升控制算法的鲁棒性仍然很有必要。车辙加宽后，车辆侧翻风险整体上减小，但宽度超过700mm后，横摆失稳及侧滑的可能性升高，从边际效应角度，建议车辙宽度达到700mm后及时养护。车辙越深，车辆跨越车辙时侧翻、侧滑和横摆失稳的可能性越高。对于弯道路段高速变道的自动驾驶车辆，即使车辙深度仅5mm，积水情况下也将面临横摆失稳和侧滑风险。车辙侧壁越抖，车辆跨越车辙时侧翻的可能性越高，且低速变道时侧壁坡度的影响更显著，但侧壁坡度对自动驾驶车辆侧滑及横摆稳定性的影响有限。　　（4）考虑车速和弯道半径的影响，基于偏最小二乘回归方法建立了自动驾驶车辆跨越直道车辙路面和弯道车辙路面时的横向安全风险预测模型。辅助分析结果表明，模型拟合误差较小，预测精度较高。根据变量投影重要性指标，得出自动驾驶车辆跨越车辙时，车辙深度对车辆横向安全的影响最为显著，侧壁坡度、车辙宽度对车辆横向安全的影响相对较弱。车速和圆曲线半径同样为显著性影响因子。根据回归得到的预测模型，可预测不同车辙几何指标改变时自动驾驶车辆侧翻、侧滑及横摆失稳风险的变化。　　论文研究成果为进一步揭示多场景下车辙与自动驾驶车辆横向安全的关系打下了基础，可为未来复杂路况条件下自动驾驶车辆安全研究提供方法借鉴，对于自动驾驶背景下道路维养、交通安全保障以及控制算法优化有一定指导意义。
作者：	陈道燮
专业：	道路与铁道工程
导师：	陈磊磊
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2021