[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

摘要

一种基于交通信号灯的自主驾驶车辆轨迹预测控制方法，属于汽车技术领域。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。本发明的步骤是信息采集、车辆动力学建模、自主驾驶车辆轨迹规划控制问题在线优化求解。本发明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。

主权项

一种基于交通信号灯的自主驾驶车辆轨迹预测控制方法，其特征在于：其步骤是：（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车辆前方交通灯位置以及道路交通限速情况；获取车辆前方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，是滚动阻力系数；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，车辆前方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，为预测时域的起始时间，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，a代表， b代表；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；和为拉格朗日乘子；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。