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基于虛擬現(xiàn)實的車輛換道最小安全距離研究

文檔作者：王江鋒邵春福閏學東魏麗英文檔來源：北京交通大學		點擊數(shù)：	更新時間： 2020年12月04日
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第27卷第8期
2010年8月
公路交通科技
Journal of Highway and Transportation Research and Development
V01．27 No．8
Aug．2010
文章編號：1002-0268(2010)08-0109-05
基于虛擬現(xiàn)實的車輛換道
最小安全距離研究
王江鋒，邵春福，閏學東，魏麗英
(北京交通大學交通運輸學院，北京100044)
摘要：從換道需求和換道安全兩個方面對換道行為進行了分析，結(jié)合閱讀文獻給出了常用的分析模型。在此基礎(chǔ)上，
以換道車輛為目標，運用車輛運動學理論，對車輛換道過程中目標車輛與周圍車輛的安全距離進行了分析，給出了多
車道、多車輛情況下相應的換道最小安全距離模型。為使換道時各車輛間的位置關(guān)系以及運動安全狀態(tài)有效、直觀的
表現(xiàn)出來，利用虛擬現(xiàn)實建模語言vRⅧ．和Maflab／Simulink建立了聯(lián)合動態(tài)仿真模型，對給出的最小安全距離模型進
行了實驗驗證。實驗結(jié)果顯示，給出的換道最小安全距離模型能夠有效的實施安全換道決策，避免碰撞發(fā)生。
關(guān)鍵詞：交通工程；最小安全距離；虛擬現(xiàn)實；換遭
中圖分類號：U491．2 文獻標識碼：A
Research on Minimum Safety Distance of Lane Changing Based on Virtual Reality
WANG Jiangfeng，SHAO Chunfu，YAN Xuedong，WEI Lying
(School of Traffic and Transportation，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)
Abstract：lane changing behavior was analyzed in respect of demand and safety of lane changing，and general
analytic models were presented according to the related literatures．On this basis．taken lane changing vehicle嬲
the object，the safety distance from object vehicle to surrounding vehicles during the c01．1pse of lane changing was
analyzed by applying vehicle kinematics theory，a minimum safety distance model for lane changing under the
condition of multi—vehicle and multi—lane was presented accordingly．In order to characterize location relation and
safety slate among vehicles effectively and intuitively，a joint dynamic simulation model惴established using
virtual reality modehng language and Matlab／Simulink，and the minimum safety distance model was validated．The
simulation result shows that the minhnum safety distance model for lane cha曬ng could effectively execute lane
changing decision and avoid collision．
Key words：tl'amC engineering；minimum safety distance；VR；lane changing
0引言
ITS為交通事故的減少提供了兩種有效的解決途
徑，一是從交通管理角度出發(fā)，利用先進的交通管理
系統(tǒng)提供的信息支持來減少事故的發(fā)生，從整個交通
系統(tǒng)的角度提高車輛行駛的安全性。二是從車輛自身
出發(fā)，研究輔助駕駛系統(tǒng)來提高車輛個體的智能決策
水平，通過事先預警來減少交通事故的發(fā)生。隨著世
界各大汽車廠商對主動安全技術(shù)的深入研究，從車輛
自身角度來提高車輛行駛的安全性成為當今智能車輛
研究領(lǐng)域的熱點和難點。
對于車輛輔助駕駛系統(tǒng)來說，關(guān)鍵的問題是財車
收稿口期：2008—12—25
資助項目：“十一五”國家科技支撐項目(2006BAG01A01，2007BAK35806)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項日(2009JBM055)；北
京交通大學人才基金資助項目(2010RC001)
作者簡介：王}[鋒(1976一)，男，河北保定人，博士，從事交通安全、車車通信研究．(Ⅷ商i∞咖Ig@bj山．edu．∞)
萬方數(shù)據(jù)
llO 公路交通科技第27卷
輛的行駛形式進行分析，建立有效的決策模型。目
前，研究人員對車輛跟馳模型研究得比較深入，運用
動力學方法建立了很多模型，例如刺激一反應模型、
GE模型、線性模型等。相對跟馳模型而言，換道模
型的研究仍不成熟，沒有一種通用的模型得到廣泛的
認可【l一3|。
美同高速公路管理局統(tǒng)計，換道行駛占高速公路
行駛里程的70％。盡管換道在駕駛環(huán)境中普遍存在，
但是研究人員對其投入的研究精力很少【4j?，F(xiàn)有的關(guān)
于換道的研究主要集中于駕駛決策，特別是換道過程
中車間距和換道時刻的決策。還有一砦研究人員對換
道持續(xù)過程和換道預警系統(tǒng)進行了相應的分析倒5。
由于換道與超車自身的復雜性，涉及到車輛縱向
和橫向的控制，所以換道輔助系統(tǒng)在國內(nèi)并沒有進行
深入、系統(tǒng)的研究?6。本文通過分析換道時車輛的運
動關(guān)系，給出r換道最小安全距離模型。利用虛擬現(xiàn)
實建模語言和Matlab／Simulink建立。J，聯(lián)合動態(tài)仿真模
型，對給出的模型進行了驗證。
1換道行為分析
1．1換道需求分析
由于影響換道的因素很多，如駕駛員的駕駛傾向
性(保守或冒險)、不同車道卜車輛行駛的舒適性以
及當前狀態(tài)下車輛行駛的自由性等，致使換道的隨機
性很強，大部分對換道的研究都建立在交通流的宏觀
統(tǒng)計方法基礎(chǔ)上，采用隨機效用理論-LOGIT進行描
述。駕駛員在各車道行駛的傾向性用效用來表示，并
服從效用最大化假設(shè)。駕駛員會不斷對相鄰車道進行
評價和對比，如模型計算出的其他車道的效用值大于
本車道效用值的概率大于0．5，則換道需求成立。
1．2換道安全性分析
換道需求分析儀限于一些宏觀的交通流分析，因
為換道需求受駕駛員的主觀影響很大，隨意性很強，
所以無論從統(tǒng)計規(guī)律還是心理一生理分析均很難獲得
好的效果。
一般來說，駕駛員更愿意根據(jù)行駛路線和行駛習
慣來選擇換道與否，輔助決策并不會起到什么作用，
但輔助決策在駕駛員決定換道后可以協(xié)助駕駛員判斷
此時換道的安全性，并選擇最佳的換道速度以避免碰
撞。在換道決策階段，也就是需求分析階段，由駕駛
員來決定是否換道，輔助決策系統(tǒng)在換道決策形成后
(比如轉(zhuǎn)向燈的開啟)，判斷換道是否危險，然后形成
兩個結(jié)果，一個是換道危險，換道終止；另外一個是
換道可行，進入換道實施階段，由輔助決策階段來給
出最佳的換道加速度／減速度輸出，這對沒有經(jīng)驗駕
駛員和駕駛安全性的意義是顯而易見的"]。
1．3換道模型分析
駕駛員的換道邏輯是基于以下3個層次：
(1)是否有換道需求；
(2)換到條件是否成熟；
(3)是否必須換道。
換道決策與駕駛員期望行駛速度密切相關(guān)，如果
車輛行駛速度低于其期望速度，駕駛員會尋求在本車
道加速行駛。如果另一輛車正在此路上行駛(兩車的
距離少于5 nfl，通常為一輛轎車的平均長度)，此時
駕駛員會考慮換道行駛，但其必須檢查相鄰車道的間
距是否滿足換道的需要。
另一方面，F(xiàn)HWA的研究發(fā)現(xiàn)，在所有交通流中
行駛車輛領(lǐng)先或落后的次數(shù)基本上相同，這表明在換
道可接受I'HJ距的決策中領(lǐng)先或落后并不是主要原因。
因此，相鄰車道的引導車和跟隨車都是需要考慮
的【8]。
基于假設(shè)期望加速度和平均制動感應／反應時間，
與引導車的最小安全距離的理論估計值由式(1)給
出： ￡。=穢。(f)r。+謝一哿，(1)
式中，￡，為換道時與引導車的安全距離；m為目的車
道引導車的下標；％(t+如)為換道車輛／／,的速度；t)。
(t+r。)為目的車道引導車m的速度；b。為換道車輛
／7,的減速度；b。為引導車m的減速度；如為換道車輛
兒的反應時間；r。為引導車m的反應時間。
與上述類似，跟隨車安全理論距離由式(2)計算：
工2=tJm+l(‘)rm+l+
‰+l(t+‰+1)2影。(t+2"m+1)2
2b。+l I 12b。I
’
(2)
式中，L2為換道時與跟隨車的安傘距離；m+1為目的
車道跟隨車下標；K(t+h)為換道車輛n的速度；
‰+l(t+r。+1)為目的車道跟隨車m+l的速度；b。為
換道車輛凡的減速度；b。+l為跟隨車m+1的減速度；
“為換道車輛n的反應時間；％+1為跟隨車m+l的
反應時間。
FHWA研究表明，換道時與引導車和跟隨車間保
持的距離被高估，在緊急條件下通過引入不同參數(shù)可
以解決這個問題。首先，較高的加速度絕對值能夠減
少與引導車和跟隨車的町接受安全距離，這對于冒險
型駕駛員尤為適用，因為他們的耐力是有限的，并且傾
向于接受更短的間距。
萬方數(shù)據(jù)
第8期王江鋒，等：基于虛擬現(xiàn)實的車輛換道最小安傘距離研究
2換道時最小縱向安全車距模型設(shè)計
考慮圖l所示的換道情況，￡d、凡、￡。、F。和膨分
別代表日的車道前車、目的車道后車、原車道前車、原
車道后車和執(zhí)行換道的車輛。假定車輛肘在t=0時
開始換道，起始階段車輛肜調(diào)整其縱向速度和車間
距，所用時間為‘a(chǎn)di，然后采取橫向加速度切換到日的
車道。
為獲得相關(guān)車輛換道過程中橫向和縱向位置，任
意選擇一點“0”作為原點，，，軸指向日的車道，菇軸與
靠近目的車道的換道車輛一側(cè)平行，如圖l所示。
y+田田
‘蓐一面?苗礦?菌一
圖1車輛膨換道前的位置圖
№．1 Posi蛔of vehide M before lane changing
車輛i的縱向加速度、縱向速度、縱向位置和橫向
位置分別表示為ai(t)、釓(t)、兢(t)和yf(t)，其中i∈
{Ld，，d，L。，F(xiàn)。、肘}。
除換道車輛，所有其他車輛的橫向加速度假定為
0。在換道分析中，將換道車輛的橫向加速度alal(t)假
設(shè)為一個簡單但有現(xiàn)實意義的正弦函數(shù)，如下式所
示【9]：
圳：|．等×sin(髦㈦“鐐?嗡，
00， 其他
(3)
式中，為換道車輛的橫向位移；tadj為換道前準備時間；
￡ht為‘a(chǎn)di后完成換道的時間。根據(jù)式(3)，在橫向位移
前半部分，即t<(‘1al／2)+‘a(chǎn)di時橫向加速度口lal(t)為
正，后半部分為負。給定alaI(t)，換道車輛M的前左
角的橫向速度t，laI(t)和橫向位置很Yla。(t)容易計算。
假定換道車輛肘在t=0時開始換道，在t=tadi
開始采取橫向移動，分析車輛肘換道時與其他相鄰車
所需的最小縱向安全距離。
2．1 M車和￡d車之間的最小安全距離
考慮圖2中換道車輛肘和目的車道前車Ld，兩車
之間的碰掩可能是角碰撞、側(cè)向刮擦和追尾。
5表示車輛肜上邊角和前車Ld下邊角的初始橫
向距離，岱線表示前車Ld的下側(cè)邊的切線。在tc+
‘a(chǎn)di時刻，車輛肘的前左角在C點首先經(jīng)過醪線，此
時刎可能發(fā)生角碰撞、側(cè)向刮擦和追尾。在車輛M前
左角經(jīng)過點C后，即tc+‘礎(chǔ)后將可能發(fā)生角碰或側(cè)向
圖2換道車輛M和前車匕之間的邊界碰撞點
魂．2 llle maq章I詞collisi蚰point between the
merging vehicle M and the leading vehide Ld
刮擦，當車輛肘完成換道后，可能發(fā)生追尾。
最小安傘距離為：
一rt p’
嶧(Ld，M)=max{j—o[aM(r)一口u(r)mdA+
[t)肼(o)一VL(O)]}，a t
V t∈[tc+‘礎(chǔ)，T]， (4)
2．2肘車和Fd之間的最小縱向安全距離
考慮圖3中換道車輛膨和目的車道后車凡，兩車
之間的碰撞町能是角碰撞、側(cè)向刮擦和追尾。
圖3換道車輛M和后車凡之間的邊界碰撞點
F電．3 The姍u酉I腳。棚isi蚰呻n between the
眥唱Ing vehicle Mand蝕皓following vehide Fd
由于凡車處于目的車道，沒有橫向移動，當車輛
肘經(jīng)過圖3中的巧線時可能發(fā)生角碰或側(cè)向刮擦，
叢線是前車n的下側(cè)邊的切線。定義點C作為肘
車后左角與線邙的相交點，顯然點C是兩車可能發(fā)
生碰撞的臨界點。
最小安全距離為：
r廣l r^
MSS(M，凡)=m≯W?！?r)一卿(r)]drdA+
[即．(0)一tJ肘(O)]t}，
V t∈[tc+‘a(chǎn)d；，r]。(5)
2．3 M車和￡。之間的最小縱向安全距離
考慮圖4中換道車輛肘和原車道前車￡。，兩車之
間的碰撞可能是角碰撞、追尾，但沒有側(cè)向刮擦。
由于￡。車處于原車道，當車輛肘經(jīng)過圖4中的
岱線時可能發(fā)生角碰。
最小安全距離為：
rt r土
MSS(￡。，M)=max{1．f[口^，(r)一口D(f)]drdA+
‘ r J∥O
萬方數(shù)據(jù)
112 公路交通科技第27卷
[穢肘(O)一％(O)]t，0}，
V t∈Eo，tc+tadi]。(6)
圖4換道車輛肘和前車L。之間的邊界碰撞點
啦．4 The nmrgUml collision point between the
merging vehicle M and the leading vehide Lo
2．4 M車和F。之間的最小縱向安全距離
考慮圖5中換道車輛肘和原車道后車凡，兩車之
間的碰撞可能足角碰撞、追尾，但沒有側(cè)向刮擦。
圖5換遒車輛M和后車，o之間的邊界碰撞點
№．5’Ik marginal colli菇on呻t岫1w嘲the mergiIIg
vehicle Mand the following vehicle Fo
最小安全距離為：
MSS(M，，o)F：嶧叮：[aFo㈩一“r)]drd；t+
[VFo(O)一VIII(0)t]}，
V￡∈[0，tc+tadi]。(7)
3動態(tài)聯(lián)合仿真系統(tǒng)
論文利用虛擬現(xiàn)實建模語言vRML(ViItual Real岫
Modeling Language)和Matlab／Simulink建立了聯(lián)合動態(tài)
仿真模型，該模型由3個模塊組成：駕駛員行為模塊、
相鄰車道車輛控制模塊和VRML驅(qū)動連接模塊，如圖
6所示【lo’l 2l
o
利用VRML構(gòu)建車輛運行環(huán)境和實現(xiàn)運動實體仿
真，結(jié)合車輛運行場景的建模以及圖像、視頻等多媒體
80
董60
巷40
、—20
0
8
時間
(a)位移
時間
(b)速度
技術(shù)，構(gòu)建了一個生動逼真的換道仿真系統(tǒng)，車輛的行
駛狀況和各自的位置關(guān)系一目J，然，同時便于后續(xù)研
究人員在此仿真系統(tǒng)上進行模刑驗證和模喇擴展。通
過該仿真系統(tǒng)，進一步驗證r所設(shè)計的模型能夠保證
車輛無碰撞的實現(xiàn)換道，限于篇幅有限，此處省去具體
建模的步驟。圖7為駕駛員行為仿真模型的運行界
面，圖8為M車換道時位移、速度和車間距隨時間變
化的仿真結(jié)果。
圖6駕駛員駕駛行為Maflab模型
ng．6 Matlab modd of driver behavior
圖7基于VRML的仿真界面
Wg．7 Sirmdafion interface based Oil VRML
30
毒：o
毒10
2
(c)車間距
圖8 M車換道時位移、速度和車間距隨時間變化圖
隱．8 Variation of mspIa．瑚啦哦，velocity and headway with time of the mergmg vehicle
麓蒜甫車車驀百人＆護瑟前～漕J寸 曼
萬方數(shù)據(jù)
第8期王江鋒，等：基于虛擬現(xiàn)實的車輛換道最小安全距離研究113
從圖8中可以看出，車駕駛員從左右開始有換道
意圖，其先減速調(diào)整與厶縱向車距，并實時將車間
與最小縱向安傘距離進行比較，發(fā)現(xiàn)與日的車道車輛
己d、凡與￡?？v向車距符合安全要求，進行一個加速
過程，開始進行換道，一直持續(xù)到位置左右換道成
功，完成整個換道過程。整個換道過程能夠通過虛擬
界面實時了解車換道時與周l司車輛的相對行駛關(guān)系，
驗證r所涉及模型的準確性和呵視性。
4小結(jié)
論文對換道時日標車輛與周圍車輛最小縱向安全
換道距離進行了分析，利用Matlab／Simulink和VRML
建立r基于虛擬環(huán)境的駕駛員行為的聯(lián)合仿真模型。
利用模型仿真試驗，對給出的換道最小安全距離模型
進行了驗汪。下一步需要對目標車輛和周圍車輛同時
進行加減速情況的換道安全性進行分析，之后將仿真
結(jié)果通過實際道路脫察試驗予以驗證。
參考文獻：
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