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原文传递自动驾驶汽车高速公路匝道汇入轨迹规划研究

论文题名：	自动驾驶汽车高速公路匝道汇入轨迹规划研究
关键词：	自动驾驶汽车;轨迹规划;匝道汇入;道路条件;加速车道
摘要：	自动驾驶汽车从加速车道汇入到高速公路主线车道是高速公路常见的工况，尤其在周车运动不确定性的影响下，对于自动驾驶汽车来说是一项具有挑战性的任务。为提高自动驾驶汽车的环境适应性，在考虑道路条件和周车运动不确定性的前提下，本文对自动驾驶汽车从加速车道汇入到高速公路主线车道这一过程的轨迹规划问题进行研究，对于自动驾驶汽车的汇入具有实用价值。　　首先，对自动驾驶汽车汇入策略进行研究。通过建立自动驾驶汽车匝道汇入架构，分析了匝道汇入的道路条件，且在目标汇入间隙已知的前提下将汇入历程分为状态调整阶段和汇入执行阶段，并分别对各阶段进行了阐述。然后对自动驾驶汽车到达汇入起点前的运动状态调整过程进行约束建模，在考虑运动稳定性的前提下构建成本函数，建立哈密顿函数并利用极小值原理对模型进行求解，利用仿真得出性能指标最小时到达汇入起点的时间并验证所提模型的可行性。为保证汇入起点和汇入过程安全性，建立安全判断条件确定自动驾驶汽车的行驶模式。　　然后，采用路径与速度解耦的方式对自动驾驶汽车汇入主线过程的轨迹规划方法进行研究。在加速车道有限长度的约束下，对临界距离做出了规定。在路径对称中心约束的前提下使用B样条曲线对汇入路径进行规划；在速度规划过程中，基于较短时间步长的周车行为进行建模，将汇入过程的轨迹点状态离散化，提出了反应性速度规划方法，并建立动态避撞安全距离模型，建立舒适性、效率、车辆自身稳定性和动力性约束条件及目标函数选出最优汇入轨迹。最后，对轨迹规划方法进行仿真并对汇入轨迹进行安全性分析，验证轨迹规划方法的可行性。　　接着，对自动驾驶汽车汇入失败返回加速车道的轨迹规划问题进行研究。首先，在主线多变交通环境下，对汇入失败条件进行了分析。然后，基于加速车道剩余长度和临界距离确定返回到加速车道的轨迹时间阈值和轨迹终点状态。在时间阈值与轨迹起点和终点处的横向、纵向状态约束下，分别建立五次和六次多项式描述纵向和横向运动。然后建立横向最大位移、横向稳定性（侧滑甚至侧翻）条件保证车辆自身安全性。最后，对自动驾驶汽车在当前位置继续执行汇入行为的安全性进行了判断分析，并对汇入失败和整个过程的轨迹进行仿真。　　最后，通过联合仿真验证本文所提轨迹规划方法的环境适应性。首先对横纵向跟踪控制理论进行阐述，然后搭建联合仿真平台，并利用各模块建立联合仿真模型和匝道汇入场景。最后，基于多车跟踪控制模型和搭建的匝道区域汇入场景，对自动驾驶汽车和周车的运动过程进行仿真，对本文的主要研究内容进行实现。　　结果表明，在考虑道路条件和周车运动不确定性的前提下，通过将自动驾驶汽车匝道汇入分为状态调整阶段和汇入执行阶段，本文提出的轨迹规划方法能够保证汇入过程中兼顾效率、自身稳定性和与周车的避撞安全性，同时考虑了汇入失败应对策略，具有良好的环境适应性。
作者：	周兴业
专业：	车辆工程
导师：	陈涛
授予学位：	硕士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2022