[发明专利]基于交通信号灯的自主驾驶车辆轨迹预测控制方法

说明书

技术领域

本发明属于汽车技术领域。

背景技术

由于汽车保有量迅速增加，道路交通问题日益严峻，交通环境逐渐恶化，交通拥堵情况不仅导致废气排放成为影响城市空气质量的重要因素，而且还造成了时间与资源的浪费。为了缓解城市道路交通压力，应付越来越严格的排放标准，提高汽车燃油经济性，一方面国内外一些汽车公司相继开发了发动机快速启/停系统。然而在频繁起步停车的城市交通中，发动机启停技术的应用虽然不仅带来明显的节油效果，对于减少尾气排放也起到了非常积极的作用，但是不可避免的会对发动机造成损害，而且自动启停系统养护成本较高。另外一方面先进的智能交通信号管理系统的应用，这为驾驶员节省了许多时间与资源，提高道路通行能力。但是在实际应用中对先进的智能交通系统的管理是十分昂贵的；而且即使应用了智能交通管理系统，也经常发生一种情况，即在自主驾驶车辆经过一个绿灯的路口时，交通信号灯会突然变红。这种由于缺少未来对一段时间内交通信号灯变化的了解，导致增加了车辆的燃油消耗，行驶时间以及发动机和刹车系统的磨损。为此本专利提出了基于交通信号灯的自主驾驶车辆轨迹预测控制方法，这样使得自主驾驶车辆可以根据交通信号灯的变化自动的来调节车辆的速度，使得自主驾驶车辆到达交通信号灯时正好是绿灯，以减少车辆等待时间和燃油消耗，提高交通路口的交通能力。

发明内容

本发明的目的是实时的基于交通信号灯信息对自主驾驶车辆进行轨迹预测控制，最大限度减少停车次数，实现节能减排效果的基于交通信号灯的自主驾驶车辆轨迹预测控制方法。

本发明的步骤是：

（1）信息采集：自主驾驶车辆采集当前车辆和前方车辆的速度信息；采集预测距离内道路情况，包括检测前方道路路口及前方交通灯位置以及道路交通限速情况；获取路口交通信号灯状态以及通行时间用以后续的优化求解；

（2）车辆动力学建模：以采集的当前车辆的速度信息为基础，以车辆驱动力和制动力为控制变量，车速和位移作为状态变量，根据汽车纵向动力学可以得到车辆的动力学方程：

（1）

其中，为车重，为车辆行驶过程的阻力，包括空气阻力、滚动阻力和坡度阻力，有

(2)

其中，为车辆迎风面积，为空气阻力系数，为重力加速度，为道路坡度；考虑目标车辆应减少制动以减少能量消耗，车辆燃油经济性和驾驶员期望综合指标为：

(3)

其中为权重系数，是采集的当前车辆的速度；

（3）自主驾驶车辆轨迹规划控制问题在线优化求解

将采集的预测距离内的道路信息，道路交通信号灯状态及可通行时间作为约束，以车辆的动力学模型为基础，综上所述，基于交通信号灯信息的自主驾驶车辆轨迹优化问题可以描述为：

（4）

其中，为预测时域，为交通信号灯可通行时间，为驱动力，为制动力，为最大驱动力，为最大制动力，、分别是车辆当前的速度及位置，、分别是车辆时刻的速度及位置；

为保证系统的实时性能，在非限制性求解示例中，运用极大值原理求解两点边值问题，得到上述优化问题的显示解：

定义哈密顿方程：

(5)

其中；

根据极大值原理，在预测时域内，协态变量在最优轨线上满足：

(6)

在最优轨线上，最优控制变量使哈密顿函数达到极小值，即

(7)

终端横截条件满足，函数在最优轨线终点满足；最终得到最优控制问题的显式解：

(8)

根据动力学方程和协态变量满足的方程组，在边界条件下，结合以上控制律，求出预测时域内的最优的车辆驱动力序列，提取车辆驱动力序列的第一个值给定车辆，下一个采样时刻重复上述步骤，从而实现滚动优化控制。

本发明带来的有益效果是：

1.自主驾驶车辆能够根据交通信号灯的信息，优化出预测距离内的速度轨迹，使车辆顺利通过交通路口，减少车辆停车次数。

2.能够大幅减少自主驾驶车辆由于交通灯而频繁启停的情况，减少车辆在路口等车时间，提高车辆在交通路口的通过能力。

3.在保证安全的情况下，能够减少自主驾驶车辆在路口的燃油消耗，提高车辆在通过交通路口时的燃油经济性。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明的流程图；

图3为本发明轨迹规划描述图；

图4为本发明轨迹规划断点描述图；

图5为本发明轨迹规划约束描述图。