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基于博弈权限分配的人机横向共享驾驶规划与控制研究
| 论文题名： | 基于博弈权限分配的人机横向共享驾驶规划与控制研究 |
| 关键词： | 人机横向共享驾驶;轨迹规划;路径跟踪控制;博弈权限分配 |
| 摘要： | 人机横向共享驾驶作为汽车智能化发展过渡阶段的重要技术架构之一，其具有特色的二元智能体闭环控制结构。作为人类智能体的驾驶员和机器智能体的自动化转向系统可以共同分权地操纵车辆，以实现优于单一驾驶方独立操纵的驾驶效果并使得驾驶员获得一定程度的收益。由于人机的共同参与，人机横向共享驾驶体现出的二元智能体闭环控制问题在原有汽车智能化技术研究的基础上新增了人机协同层次的深入程度问题、驾驶控制权限争夺（人机冲突）以及驾驶员对自动化转向系统的信任危机等问题。 本文紧密围绕人机横向共享驾驶的二元智能体共同决策控制问题，以建立人机驾驶控制权限分配策略和优化人机协同程度为核心任务，以实现人机横向共享驾驶的正常交通能力、降低驾驶员驾驶负担以及提升驾驶员对人机横向共享驾驶系统的接受度等为目标，并借鉴“V”字形开发流程采用仿真开发先行的研究顺序建立基于讨价还价博弈论的驾驶控制权限分配策略下的人机横向共享驾驶规划与控制算法。基于上述思路，本文主要研究内容如下： （1）鉴于在人机横向共享驾驶技术的前期仿真开发过程中对横向路径跟踪控制算法的需求，本文首先分别建立自动化转向系统路径跟踪控制算法和模拟驾驶员的驾驶员模型，即：具有预瞄驾驶特性的模型预测控制（Model Predictive Control with Pre-scanned Driving Characteristics，PMPC）路径跟踪控制算法和反映真实驾驶过程的单视角驾驶员模型。 为实现人机横向共享驾驶的基本技术架构，本文分别建立自动化转向系统横向控制的路径跟踪控制算法和驾驶员模型。首先，建立 PMPC 路径跟踪控制算法，并采用汽车动力学仿真软件 CarSim 和数学软件工具 MATLAB/Simulink 搭建联合仿真程序，使用双移线工况验证其跟踪性能，结果表明：引入预瞄驾驶特性的 PMPC 跟踪控制算法相较于传统的模型预测控制路径跟踪控制算法在跟踪精度和运行速度方面具有改善效果。其次，从建立模型的机理出发，证明单视角驾驶员模型的理论收敛性，并提出单视角驾驶依据假设。在联合仿真环境下，以建立的 PMPC 路径跟踪控制算法的运行结果为参考对象，通过最小二乘法调节驾驶员模型的预瞄距离以拟合出理想的运行结果。仿真结果表明当预瞄距离调整至理想值，单视角可直接转化成目标前轮转向角，由此确定基于比例控制的转向转化控制过程。基于该驾驶员模型，提出预瞄距离理论推导方法和预瞄距离经验公式。利用 Simulink/CarSim 的联合仿真环境和实车验证单视角驾驶员模型的性能，结果表明：该驾驶员模型的控制过程简易，具有良好的控制效果，还原了视角与转向角趋势一致性的驾驶现象，贴合真实驾驶过程。 （2）针对作为核心问题的人机横向共享驾驶的驾驶控制权限分配，建立基于讨价还价博弈模型的人机横向驾驶控制权限分配策略。 为实现人机横向共享驾驶并妥善处理人机驾驶冲突，将具有社会属性的驾驶员和具有程序属性的自动化转向系统视为二元智能体系统。博弈论是解决二元智能体系统利益蛋糕分配问题的最佳手段之一。首先，本文提出一种基于转角交互技术的人机讨价还价博弈模型。该博弈模型综合考虑防碰撞安全性收益、参与度收益和“以人为本”的舒适性收益等因素，并通过纳什均衡实时动态求解驾驶控制权限的决策结果。其次，提出驾驶员负荷评价指标。最后，基于 Simulink/CarSim 联合仿真测试平台和驾驶员在环的驾驶模拟器，分别验证提出的人机横向共享驾驶控制权限分配策略。仿真和试验结果表明：该策略可实现良好的横向共享驾驶效果，可赋予人机横向共享驾驶多工况正常交通的适用能力，并且能提升驾驶员对横向共享驾驶系统的接受度。 （3）为减少人机横向共享驾驶中的潜在目标冲突以进一步提升驾驶员对人机横向共享驾驶系统的接受度，在自动化转向系统的规划层提出一种高度类我化的换道轨迹规划算法。 从自动化转向系统的规划层出发，实现人机横向共享驾驶的多层次参与以尽量减小人机目标潜在冲突。首先，为了使规划轨迹接近驾驶员操纵下的车辆轨迹，利用驾驶模拟器采集不同车速下的多位驾驶员的换道轨迹数据，并分析了不同驾驶员的换道特征：平均换道时间和平均换道轨迹最大斜率。其次，在 Frenet 坐标系下建立以换道时间为核心换道轨迹参数的基于五次多项式的基本换道轨迹算法。再次，按照驾驶员平均换道时间的正负五倍标准差时间区间生成轨迹簇。从次，剔除最大理论侧向加速度大于 0.4 g 的轨迹以保证轨迹簇的动态稳定性能。求解出以类我化指标、换道平稳性指标和换道效率指标为核心收益的最优规划轨迹，并提出一种基于顶点嵌入法的凸多边形防碰撞检测算法以保证最优规划轨迹的碰撞安全。最后，将生成的类我化的换道轨迹与采集的轨迹簇进行类我化对比验证，并采用单视角驾驶员模型进行跟踪控制可行性验证。结果表明：规划的类我化换道轨迹贴合驾驶员历史轨迹，并且在保证稳定性和防碰撞安全的条件下，规划的具有驾驶员个性特征的类我化换道轨迹满足车辆跟踪控制执行的需求。 （4）为验证前文所提出的基于博弈权限分配和类我化换道轨迹规划的人机横向共享驾驶规划与控制算法，利用 Simulink/CarSim 联合仿真平台和驾驶模拟器进行可行性和有效性验证。 根据本文提出的基于博弈权限分配和类我化换道轨迹规划的人机横向共享驾驶规划与控制算法策略验证需求，搭建 Simulink/CarSim 联合仿真平台，实现算法策略的整体性仿真验证。此外，利用驾驶模拟器进行驾驶员在环试验验证。结果表明：提出的基于讨价还价博弈驾驶权限分配和类我化换道轨迹规划的人机横向共享驾驶规划与控制算法策略能实现良好的人机横向共享驾驶运行效果，并能提升驾驶员对人机横向共享驾驶系统的接受程度。 |
| 作者： | 代昌华 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 宗长富 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 吉林大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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