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自动驾驶车辆队列驶离专用道轨迹优化算法研究与仿真分析
| 论文题名： | 自动驾驶车辆队列驶离专用道轨迹优化算法研究与仿真分析 |
| 关键词： | 自动驾驶;车辆队列;模型预测控制;非合作博弈;轨迹优化 |
| 摘要： | 自动驾驶车辆队列技术具有缓解交通拥堵、减少交通事故、降低交通排放等优点。现阶段针对自动驾驶车辆队列的研究，多集中在交通效率提升、交通安全改善和通信延迟下车辆队列稳定性保持等方面，而对自动驾驶车辆队列换道问题的研究较少。近年，我国多地积极尝试在高速公路上设置自动驾驶专用道，为此，本文依托国家重点研发计划“高速公路智能车路协同系统集成应用”，以现有自动驾驶车辆队列控制研究和高速公路匝道分流区车辆行为特性为基础，提出自动驾驶车辆队列驶离专用道优化控制模型。根据车辆队列驶离专用道不同阶段下的控制需求，针对专用道协同换道过程和分流区博弈过程，分别构建车辆队列控制模型，优化车辆队列驶离专用道过程的轨迹。最后，采用虚拟仿真测试手段，对控制模型进行关键场景仿真测试，验证模型的有效性。本文的主要研究内容具体可以分为以下几个方面： 首先，构建了基于模型预测控制的专用道车辆队列协同换道控制模型。根据车辆队列在协同换道过程中的时间要求、安全距离要求，并考虑车辆动力学，提出控制模型的约束条件；同时，该模型考虑了多个优化目标，包括交通流平稳性、驾驶舒适性和换道及时性等。在模型构建基础上，探讨了车辆队列的运动参数（如加速度能力和交通速度限制）对协同换道效率以及换道时间的影响。 其次，构建了基于多车博弈的分流区车辆队列协同控制模型。针对分流区下匝道车辆及最外侧车道上车辆队列之间存在冲突的场景，建立了分流区多车博弈过程的非合作博弈结构。结合控制成本、安全成本、协调成本等因素，依托车辆的运动学模型构建了基于加速度决策的非合作博弈成本函数，通过成本函数的拟凸性计算均衡解，并证明了模型均衡解的存在。在此基础上，探讨了模型中的控制成本、安全成本和协调成本权重系数对多车博弈协同控制过程的影响。 最后，基于开源交通仿真软件SUMO和网络仿真软件OMNeT++，搭建了联合仿真测试平台。依托建立的联合仿真平台，构建本研究所需的高速公路分流区场景，对论文所建的车辆队列驶离专用道轨迹优化控制模型进行了有效性验证。 本文对自动驾驶车辆队列驶离专用道轨迹优化控制模型的研究对提升高速公路自动驾驶车辆队列的安全性、提高交通运行效率具有重要意义，并对自动驾驶车辆应用落地具有推动作用，具有较好的理论价值和应用价值。 |
| 作者： | 曹奕哲 |
| 专业： | 计算机科学与技术 |
| 导师： | 赵祥模 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 长安大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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