一种冰雪条件下自动驾驶汽车驶离环形交叉口的极限轨迹的确定方法技术

本发明专利技术专利公开了一种冰雪条件下自动驾驶汽车驶离环形交叉口的极限轨迹的确定方法。在中心岛与环道线均视为正圆形同心圆的环形交叉口建立直角坐标系并定义各要素的位置坐标，建立基于三次多项式的驶离轨迹方程，加入汽车自身约束和冰雪路面约束，确定驶离环道的最晚转向点和驶离环形交叉口的极限轨迹。本发明专利技术专利为冰雪条件下驶离环形交叉口的自动驾驶汽车提供了极限轨迹的预警，提高了汽车在目标出口道驶离环形交叉口的成功率和行车安全性，拓宽了自动驾驶技术的应用场景。拓宽了自动驾驶技术的应用场景。拓宽了自动驾驶技术的应用场景。

【技术实现步骤摘要】
一种冰雪条件下自动驾驶汽车驶离环形交叉口的极限轨迹的确定方法


[0001]本专利技术属于自动驾驶轨迹规划领域，具体为一种冰雪条件下自动驾驶汽车驶离环形交叉口的极限轨迹的确定方法。

技术介绍

[0002]我国地域辽阔，南北方道路环境情况差别巨大，北方地区冬季漫长，积雪成冰覆盖路面的情况普遍存在，这给汽车安全行驶带来了困难与挑战。冰雪条件下路面行驶存在摩擦力低的情况，导致汽车行驶过程中的刹车距离长、容易发生侧滑甚至侧翻等情况。此外，自动驾驶汽车在冰雪条件下如遇到经过环形交叉口的情况，行驶环境将变得更加复杂。而现有的自动驾驶控制技术面向的场景都相对简单，无法满足冰雪条件下环形交叉口场景中驾驶行为控制的需要，尤其对于驶离环形交叉口这样有强制换道需求的情况，更需要专门研究。
[0003]现有对环形交叉口场景下自动驾驶汽车行驶行为的研究多倾向于智能交通仿真领域与基于环道选择的轨迹规划等研究。专利技术专利202110280449.8通过采集入环区各仿真车辆的参数值，根据预设的换道规则构建仿真车辆入环路径目标曲线；专利技术专利202111074077.x基于B样条插值法进行自动驾驶汽车全局路径规划，通过制定驶入和驶出规则进行合理的环道选择。然而，未见对冰雪条件下自动驾驶汽车驶离环形交叉口的轨迹规划的相关研究。环形交叉口车流交织程度高，加之冰雪条件下道路摩擦力减小，若未在适当区域做出转向操作，汽车将难以在遵守交通规则的前提下安全驶出。
[0004]基于上述背景，本专利技术提出一种冰雪条件下自动驾驶汽车驶离环形交叉口的极限轨迹的确定方法，通过计算自动驾驶汽车的最晚驶离转向点和最晚驶离轨迹，为自动驾驶汽车驶离环形交叉口的轨迹规划提供技术支撑，以提高行驶稳定性和安全性。

技术实现思路

[0005]一种冰雪条件下自动驾驶汽车驶离环形交叉口的极限轨迹，包括如下步骤：
[0006]步骤一：将环形交叉口中心岛与环道线均视为正圆形的同心圆，中心岛的圆心为o，半径为r，单位：米；建立以中心岛圆心o为原点的直角坐标系，自动驾驶汽车，以下简称汽车，以其目标出口道中心线为y轴，远离o点的方向为y轴正方向，与y轴正方向顺时针垂直90
°
的方向为x轴的正方向；
[0007]步骤二：汽车车头方向垂直于中心岛半径方向，车头的左前方边缘点沿环道h中心线所在的圆曲线行驶，h＝1，2
…
H，其中H为环道总数；在步骤一所述的直角坐标系中的方程为其中，w为环道宽度，单位：米；
[0008]以等角度间隔1
°
在汽车当前位置与y轴之间的环道h中心线所在的圆曲线上取点，任意点n的坐标为(x
n
，y
n
)的坐标，其中n＝1，2，3
…
k；(x
k
，y
k
)为最晚驶离转向点S
h
；出口道的道路中心线或渠化线的端点E的坐标为(0，r+Hw)；
[0009]步骤三：采用三次多项式模型描述换道轨迹：
[0010][0011]式中，t代表换道过程中的某一时刻，单位：秒；α0、α1、α2、α3、β0、β1、β2和β3均为待标定系数；
[0012]对三次多项式进行求导：
[0013][0014]令n＝1，定义t1为开始换道时刻，t1＝0，将(t1，x1，y1)与汽车此时的横向和纵向速度代入，求得：
[0015][0016]式中u为汽车横向速度分量，单位：米/秒，c为汽车纵向速度分量，单位：米/秒；
[0017]定义汽车车头的左前方边缘点到达E点的时刻为换道结束时刻t2，令T＝t2‑
t1，其中T为换道时间，取值范围为[3，10]，单位：秒；以出口道上汽车的期望速度为t2时刻汽车速度，将其与换道结束时刻的状态信息(t2，0，r+Hw)共同代入三次多项式及其导数，求得系数α0、α1、β0和β1；
[0018]步骤四：换道过程中，汽车受自身、道路等相关条件的约束，分别为：
[0019]约束一：汽车自身约束
[0020][0021]式中，v
s
为汽车的横向速度，单位：米/秒；v
s，limit
为横向速度极限值，单位：米/秒；a
s
为横向加速度，单位：米/平方秒；a
s，limit
为横向加速度极限值，单位：米/平方秒；v
d
为纵向速度，单位：米/秒；v
d，limit
为纵向速度极限值，单位：米/秒；a
d
为纵向加速度，单位：米/平方秒；a
d，
‑
limit
为纵向减速度极限值，单位：米/平方秒；a
d，limit
为纵向加速度极限值，单位：米/平方秒；
[0022]约束二：冰雪路面约束
[0023]冰雪条件下，道路的附着系数为μ，汽车纵向力表示为：
[0024]F
x
＝F
f
+F
w
+F
j
[0025]式中，F
f
为滚动阻力，F
w
为空气阻力，F
j
为加速阻力，所以，汽车纵向力表示为：
[0026][0027]式中，G为汽车重量，单位：牛，f为滚动阻力系数，C
D
为空气阻力系数，A为迎风面积，单位：平方米，δ为汽车旋转质量换算系数，m为汽车质量，单位：千克；
[0028]轮胎所能达到的最大附着力为：
[0029]F
max
＝μG
[0030]在冰雪条件下，汽车避免侧滑的最大横向加速度：
[0031][0032]此外，汽车行驶过程中需满足当前路段道路速度限制，则道路条件对汽车的约束为：
[0033][0034]式中，v为汽车横向速度与纵向速度矢量和，单位：米/秒；v
L，limit
为道路速度限制，单位：米/秒
[0035]步骤五：分别令n＝2，3，4
…
，重复步骤三直至在T的取值范围内轨迹方程无解，令k＝n
‑
1，此时的(x
k
，y
k
)即为环道h最晚驶离转向点S
h
，求得的轨迹S
h
E即为冰雪条件下自动驾驶汽车驶离环形交叉口的极限轨迹。
[0036]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0037]本专利技术所述的一种冰雪条件下自动驾驶汽车驶离环形交叉口的极限轨迹的确定方法，考虑了冰雪条件下自动驾驶汽车在环形交叉口出环时环境条件的限制，计算出汽车在非受限自由换道，即不受其他汽车影响的情况下驶离环形交叉口的极限轨迹和最晚驶离转向点，为冰雪条件下环形交叉口中行驶的自动驾驶汽车提供最晚出环转向预警，为自动驾驶汽车在极端环境中的轨迹规划提供技术支持，以提高驾驶稳定性和安全性。
附图说明
[0038]图1为本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种冰雪条件下自动驾驶汽车驶离环形交叉口的极限轨迹的确定方法，包括如下步骤：步骤一：将环形交叉口中心岛与环道线均视为正圆形的同心圆，中心岛的圆心为o，半径为r，单位：米；建立以中心岛圆心o为原点的直角坐标系，自动驾驶汽车，以下简称汽车，以其目标出口道中心线为y轴，远离o点的方向为y轴正方向，与y轴正方向顺时针垂直90
°
的方向为x轴的正方向；步骤二：汽车车头方向垂直于中心岛半径方向，车头的左前方边缘点沿环道h中心线所在的圆曲线行驶，h＝1，2
…
H，H为环道总数；该圆曲线在步骤一所述的直角坐标系中的方程为其中，w为环道宽度，单位：米；以等角度间隔1
°
在汽车当前位置与y轴之间的环道h中心线所在的圆曲线上取点，任意点n的坐标为(x
n
，y
n
)的坐标，其中n＝1，2，3
…
k；(x
k
，y
k
)为最晚驶离转向点S
h
；出口道的道路中心线或渠化线的端点E的坐标为(0，r+Hw)；步骤三：采用三次多项式方程描述换道轨迹：式中，t代表换道过程中的某一时刻，单位：秒；α0、α1、α2、α3、β0、β1、β2和β3均为待标定系数；对三次多项式求导：令n＝1，定义t1为开始换道时刻，t1＝0，将(t1，x1，y1)与汽车此时的横向和纵向速度代入，求得：式中u为汽车横向速度分量，单位：米/秒，c为汽车纵向速度分量，单位：米/秒；定义汽车车头的左前方边缘点到达E点的时刻为换道结束时刻t2，令T＝t2‑
t1，其中T为换道时间，取值范围为[3，10]，单位：秒；以出口道上汽车的期望速度为t2时刻汽车速度，将其与换道结束时刻的状态信息(t2，0，r+Hw)共同代入三次多项式及其导数，求得系数α0、α1、β0和β1；得到三次多项式换道轨迹；步骤四：换道过程中，汽车受自身、道路等相关条件的约束，分别为：约束一：汽车自身约束
式中，v
s
为汽车的横向速度，单位：米/秒；v...

【专利技术属性】
技术研发人员：张慧永，宗芳，秦英卓，董倩薇，岳圣，李宇暄，石佩鑫，吴欢，王思琪，
申请(专利权)人：张慧永，
类型：发明
国别省市：