基于驾驶风格的城市快速路车辆换道轨迹研究.pdf

第 卷第期 年月武汉理工大学学报(交通科学与工程版)J o u r n a l o fWu h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y(T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&E n g i n e e r i n g)V o l N o A u g 基于驾驶风格的城市快速路车辆换道轨迹研究马宽)邓超,)刘港)李艳淇)(武汉科技大学汽车与交通工程学院)武汉 )(武汉科技大学智能汽车工程研究院)武汉 )摘要:城市快速路上小型车辆的换道行为极易引发交通事故,且会造成交通延误,不同驾驶风格的驾驶员换道偏好也存在着差异通过筛选航拍车辆轨迹数据库中车辆的换道数据,将驾驶风格进行分类,得到了不同风格驾驶员的换道时间均值,分别用三次多项式和七次多项式拟合了不同驾驶风格的驾驶员的换道轨迹,并用S i m u l i n k和C a r s i m进行联合仿真,基于模型预测控制器在不同车速条件下验证了不同风格驾驶员换道轨迹,跟踪效果较好,且横向载荷率都小于 关键词:快速路;航拍车辆轨迹数据;驾驶风格;自由换道;横向载荷率中图法分类号:U d o i:/j i s s n 收稿日期:第一作者:马宽(),男,硕士生,主要研究领域为智能驾驶通信作者:邓超(),男,博士,副教授,主要研究领域为智能驾驶基金项目:国家自然科学基金青年科学基金()、湖北省自然科学基金计划青年项目(C F B )、湖北省教育厅科学技术研究计划青年人才项目(Q )、教育部产学合作协同育人项目()引言车辆进行换道操作极易引发交通事故,由此引起的交通事故占到全国事故总数的,造成的交通延误时间占各类型交通事故总延误时间的 针对不同风格驾驶员换道行为的研究,黄晶等通过驾驶模拟器采集了不同驾驶风格驾驶员的换道数据,对其进行换道轨迹规划冯杰通过驾驶模拟实验对驾驶测试人员进行量化分类,且对驾驶员变道意图进行了识别贾一飞等从三个方面进行考虑,设计了双车道五车场景的无人车换道控制策略黑凯先等基于NG S I M数据集对车辆换道行为进行建模,认为博弈模型在车道的利用率和安全性方面都较高 Y o u等结合次多项式研究了车辆纵向轨迹规划策略 D a z等使用多层感知器和卷积神经网络架构建立了换道决策模型 Z e n g等对换道轨迹规划进行处理,保证车辆换道过程的稳定性和可行性 W a n g等 采用基于学习的支持向量机方法来预测了车辆的各种合并行为目前的研究大多采用模拟实验或者采用NG S I M数据集作为基础数据,由于NG S I M数据集采集的为高速公路路段数据,而且采集技术相对落后,导致NG S I M存在无法修复的错误数据,参考价值有限文中以快速路上的小型车辆为研究对象,对采集的数据的正确性与误差进行评判,确定了数据的有效性基于车辆横向偏移量确定车辆的换道时刻,运用偏移量阈值限制法和拉依达准则剔除异常数值基于M a t l a b和C a r s i m仿真平台,将驾驶员的风格进行分类,对不同风格驾驶员换道轨迹进行了拟合、跟踪及验证数据预处理研究的数据由东南大学团队采集自南京市内环南线快速路,数据类型为无人机拍摄的车辆数据,采集时间为 s,采集区域长度为 m,研究区域见图快速路双向车道共有 车道(从上至下依次为 车道)由于该图具有对称性,且车道和 车道为匝道,发生的行为是强制换道,而车道为最内侧车道,换道行为情况比较复杂,故研究对象为车道和车道上小型车辆的换道特征图研究数据的采集区间李志斌等 构建了车辆检测目标跨帧关联与轨迹匹配融合方法将轨迹从图像坐标转换为车道基准下F r e n e t坐标,构建集合经验模态分解(E EMD)模型进行轨迹数据噪声消除在S P S S 平台运用拉依达准则法剔除异常数据确定车辆在原车道的中心线附近开始持续向目标车道偏移,且在s(帧)内没有发生震荡性的波动,视起始点为换道执行的初始位置车辆越过车道线后持续驶向目标车道中心线达到最小偏移量范围内时,视为换道执行的终止位置,考虑驾驶员的驾驶习惯和交通状态的影响,可能会出现短暂性波动,这种情况下,视车辆持续向目标车道中心线附近偏移至最小值为换道终止位置,阈值为 m驾驶风格识别在车辆行驶过程中,即使路况与交通环境都一致的情况下,不同风格的驾驶员对于车辆执行换道操作的习惯也不一样,驾驶风格会对车辆是否能进行安全换道产生较大的影响,因此有必要依据实测车辆驾驶数据对国内驾驶员的特性进行识别研究,以便能针对不同风格的驾驶员进行不同的换道轨迹规划与跟踪控制M u r p h e y等 采用车辆的行驶数据分析了车辆行驶过程中产生的冲击度并验证了其能准确表示驾驶员风格,公式为Rd r i v e rRJ/J()J(t)dv(t)/dt()式中:RJ为冲击度标准差,为消除交通环境给驾驶风格系数计算带来干扰;J为使用相同工况下的平均冲击度W a n g 对城市工况和郊区工况下车车辆的冲击度进行了分类,见表表不同工况下车辆的平均冲击度工况类别平均冲击度/(ms)城市 郊区 图为识别时间,本文对车辆的冲击度识别时间设定为 s,几乎能覆盖车辆在视频中的行驶过程,将识别时间划分为两个识别区域,将每一个识别时间区域设置为s,为使得到的车辆冲击度标准差更加精确,让两个识别区域中间重合s,然后对两个区域内的标准差求均值图识别时间引入在城市工况下正常驾驶员的平均冲击度,计算出每辆车的风格系数,若数值大于,则判断该驾驶员为激进型驾驶员,若数值介于,则定义为普通型驾驶员;若数值小于,则定义为保守型驾驶员,见图图驾驶风格计算流程图筛选出从车道自由换道换至车道的车辆共 辆,其中驾驶风格系数小于 的仅有辆,样本较少,故只考虑激进型驾驶员和普通型驾驶员的自由换道轨迹特征,见表其中激进驾驶员的车辆轨迹 条,普通型驾驶员的车辆轨迹 条样本中激进型驾驶员比例大于普通型驾驶员比例,其中激进型驾驶员换道时间均值为 s,普通型驾驶员换道时间均值为 s 表不同风格驾驶员换道时间均值及轨迹数量驾驶员风格平均换道时间/s轨迹数/条激进型 普通型 不同风格驾驶员的换道轨迹特征基于MAT L A BR a平台中对激进型驾驶员和普通型驾驶员的轨迹进行拟合首先,用三次多项式对激进型驾驶员轨迹进行拟合,拟合优度为 ,轨迹拟合方程为Y x x x ()武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷再用七次多项式对普通型驾驶员的轨迹进行拟合,拟合优度为 ,轨迹拟合方程为Y x x x x x x x ()搭建S i m u l i n k和C a r s i m联合仿真实验平台,对激进型驾驶员和普通型驾驶员在MAT L A BR a软件中拟合出的轨迹进行跟踪由于本文驾驶数据采集自南京市快速路段,参考限速为 k m/h,考虑到快速路上车辆的速度分布,因此设计控制器的车辆速度为,k m/h,路面为干燥沥青路面,进行仿真验证,观察控制器的跟踪效果图为驾驶员控制器轨迹跟踪图图普通型驾驶员控制器轨迹跟踪图由图可知:激进型驾驶员行驶速度高于普通型驾驶员当用该控制器跟踪激进型驾驶员的轨迹时,设定车速 和 k m/h时,控制器对车辆轨迹的跟踪误差在 m以内;当车速设定为 k m/h时,控制器对车辆轨迹的跟踪误差较前两者大,但是也未超过 m,跟踪效果良好跟踪普通型驾驶员的换道轨迹时,设定车速 和 k m/h时,控制器对车辆轨迹的跟踪误差较小,未超过 m,而当车速设定为 k m/h时,跟踪误差较前者大,但是也未超过 m,跟踪效果良好可以直观看出,对于激进型驾驶员换道轨迹的跟踪效果优于对普通型驾驶员的换道轨迹跟踪效果证明设定的控制平台对于两种驾驶风格的驾驶员换道轨迹能够进行有效的跟踪,误差也较低换道稳定性分析在车辆实际的行驶过程中,对于车辆换道过程的稳定性需要加以验证,保证车辆换道的安全性,引入横向载荷率来反映车辆换道过程中的稳定性L T R(FRFL)/(FLFR)()式中:FL和FR分别为作用于左右两侧轮胎的侧向荷载,横向载荷率为或者时,表示车辆即将侧翻,当载荷率绝对值越接近于时,认为车辆行驶更稳定因此,认为控制器对于横向载荷率的控制反馈值的绝对值越小,则驾驶员在执行换道操作时车辆稳定性越佳对激进型驾驶员的换道轨迹和普通型驾驶员轨迹进行跟踪(见图),发现普通型驾驶员执行自由换道行为过程中横向载荷率绝对值最大值未超过 ,激进型驾驶员执行自由换道行为过程中的横向载荷率绝对值最大值未超过 ,两者稳定性均较好图激进型和普通型驾驶员L T R对比图讨论文中通过筛选研究路段上的车辆轨迹数据集,研究发现快速路上激进型驾驶员比例高于普通型驾驶员比例激进型驾驶员自由换道的时间均值为 s,普通型驾驶员自由换道时间的均值为 s,数值小于P r e s c a n仿真实验平台上协同换道的所需换道时间,且略大于NG S I M高速公路轨迹数据集得出的时间值 s,结论较为合理但是激进型驾驶员整体换道时间均值略小于普通型驾驶员,差值为 s,而激进型驾驶员换道轨迹纵向距离大于普通型驾驶员另外,从控制器反映的横向载荷率效果看,普通型驾驶员的横向载荷率略大于激进型驾驶员出现这样的结果的可能是,激进型驾驶员的换道平均速度高于普通型驾驶员,换道过程距离较长,在车辆横向稳定性方面控制地较好结 束 语三次多项式和七次多项式可以较高精度拟合不同驾驶风格的驾驶员的换道轨迹,然后用S i m u l i n k和C a r s i m实验平台进行联合仿真,分别用不同的速度验证了模型预测控制器对于不同风格的驾驶员换道轨迹,具有良好的跟踪效果激进型驾驶员换道轨迹跟踪的横向载荷率绝对值不超过 ,普通型驾驶员换道轨迹跟踪的横向载荷率绝对值不超过 ,稳定性较好本次的研究只第期马宽,等:基于驾驶风格的城市快速路车辆换道轨迹研究考虑到快速路上不同驾驶风格驾驶员进行自由换道的轨迹规划与跟踪控制,在后续的研究中,可以对国内快速路上车辆的强制换道行为再进行深入研究分析参 考 文 献WAN GJS,KN I P L I N GRR L a n eC h a n g e/m e r g e:p r o b l e m s i z ea s s e s s m e n ta n ds t a t i s t i c a ld e s c r i p t i o nR W a s h i n g t o n D C:N a t i o n a l H i g h w a y T r a f f i cS a f e t yA d m i n i s t r a t i o n,方媛驾驶人换道行为风险辨识方法研究D重庆:重庆交通大学,黄晶,蓟仲勋,彭晓燕,等考虑驾驶人风格的换道轨迹规划与控制J中国公路学报,():,冯杰基于 驾 驶 员 行 为 的 变 道 车 辆 行 驶 特 征 研 究D武汉:武汉理工大学,贾一飞,蒋朝阳,黄夏旭基于MP C的车辆换道控制设计C 中国汽车工程学会年会,青岛,黑凯先,曲大义,郭海兵,等网联混合车流车辆换道博弈行为及模型J科学技术与工程,():Y OUF,Z HAN G R H,L I E G,e ta l T r a j e c t o r yp l a n n i n ga n dt r a c k i n gc o n t r o lf o ra u t o n o m o u sl a n ec h a n g em a n e u v e rb a s e do nt h ec o o p e r a t i v ev e h i c l e i n f r a s t r u c t u r es y s t e mJ E x p e r tS y s t e m sw i t hA p p l i c a t i o n s,():D A Z A,C L AV I J O M,J I M N E ZF,e ta l M o d e l l i n gt h e h u m a nl a n e c h a n g e e x e c u t i o n b e h a v i o u rt h r o u g h m u l t i l a y e r p e r c e p t r o n s a n d c o n v o l u t i o n a ln e u r a ln e t w o r k sJT r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c hP a r tF:T r a f f i cp s y c h o l o g ya n dB e h a v i o u r,():Z E NGDQ,YUZP,X I ON GL,e ta l An o v e l r o b u s t l a n ec h a n g et r a j e c t o r yp l a n n i n gm e t h o df o ra u t o n o m o u sv e h i c l eC I E E EI n t e l l i g e n tV e h i c l e sS y m p o s i u m,P a r i s,WANGE,S UNJ,J I ANGS,e ta l M o d e l i n gt h ev a r i o u s m e r g i n gb e h a v i o r sa te x p r e s s w a yo n r a m pb o t t l e n e c k su s i n gs u p p o r tv e c t o r m a c h i n e m o d e l sJ T r a n s p o r t a t i o nR e s e a r c hP r o c e d i a,():冯汝怡,李志斌,吴启范,等航拍视频车辆检测目标关联与时空轨迹匹配J交通信息与安全,():,MUR P HE YY,M I L T ONRD r i v e r ss t y l ec l a s s i f i c a t i o nu s i n gj e r ka n a l y s i sCC o m p u t a t i o n a lI n t e l l i g e n c e i nV e h i c l e s a n dV e h i c u l a rS y s t e m s,P i s c a t a w a y,WANGRR e v i e wo fd r i v i n gc o n d i t i o n sp r e d i c t i o na n dd r i v i n gs t y l er e c o g n i t i o n b a s e dc o n t r o la l g o r i t h m s f o rh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e sC V e h i c l eP o w e ra n dP r o p u l s i o nC o n f e r e n c e,P i s c a t a w a y,R e s e a r c ho nL a n eC h a n g i n gT r a j e c t o r yo fU r b a nE x p r e s s w a yV e h i c l e sB a s e do nD r i v i n gS t y l eMAK u a n)D E N GC h a o,)L I UG a n g)L IY a n q i)(S c h o o l o fA u t o m o t i v ea n dT r a f f i cE n g i n e e r i n g,W u h a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,W u h a n ,C h i n a)(I n s t i t u t e o fI n t e l l i g e n tV e h i c l eE n g i n e e r i n g,W u h a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,W u h a n ,C h i n a)A b s t r a c t:T h e l a n e c h a n g i n gb e h a v i o ro f s m a l lv e h i c l e so nu r b a ne x p r e s s w a y sc a ne a s i l yl e a dt ot r a f f i ca c c i d e n t s a n d t r a f f i cd e l a y s,a n dd r i v e r sw i t hd i f f e r e n t d r i v i n gs t y l e sh a v ed i f f e r e n t l a n e c h a n g i n gp r e f e r e n c e s B ys c r e e n i n g t h e l a n e c h a n g e d a t a o f v e h i c l e s i n t h e a e r i a l v e h i c l e t r a j e c t o r yd a t a b a s e,t h e d r i v i n g s t y l e sw e r e c l a s s i f i e d,a n d t h e a v e r a g e l a n e c h a n g e t i m e o f d r i v e r sw i t hd i f f e r e n t s t y l e sw a s o b t a i n e d T h e l a n e c h a n g i n g t r a j e c t o r i e s o f d r i v e r sw i t hd i f f e r e n t d r i v i n g s t y l e sw e r e f i t t e db y c u b i c p o l y n o m i a l a n d s e v e n t hp o l y n o m i a l r e s p e c t i v e l y,a n d t h e j o i n t s i m u l a t i o nw a s c a r r i e do u t b yS i m u l i n k a n dC a r s i m T h em o d e l b a s e dp r e d i c t i v e c o n t r o l l e rv e r i f i e s t h e l a n e c h a n g i n g t r a j e c t o r i e s o f d r i v e r sw i t hd i f f e r e n t s t y l e s u n d e r d i f f e r e n t v e h i c l e s p e e d s T h e t r a c k i n ge f f e c t i sg o o d,a n d t h e l a t e r a l l o a dr a t e i s l e s s t h a n K e yw o r d s:e x p r e s s w a y;a e r i a l v e h i c l e t r a j e c t o r yd a t a;d r i v i n gs t y l e;f r e e l a n e c h a n g e;l a t e r a l l o a dr a t e武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷