车辆运行轨迹

2024-09-28

车辆运行轨迹（共7篇）

车辆运行轨迹篇1

前言

NovAtelGPS接收机是NovAtel公司生产的一款产品,属于全球导航卫星系统(GNSS)组成部分之一。其中,ProPak-V3型号应用广泛,为具备抗环境能力强的封装GPS接收机。该套设备可支持USB通信和IMU,具有GLONASS原始数据的输出功能且有72个可用通道[1]。但存在如下缺陷:①数据形式过于单一,仅局限于测量转换后计算结果的坐标值;②测量精度单点定位L1最大限标注值为1.8米、L1/L2标注值为1.5米,但在试验测量中长达5米,与标示不符。由于NovAtelGPS在交通工程相关领域应用广泛,可以初步对公路定点、路线、汽车运行轨迹、汽车运行姿态进行测量,上述缺陷对数据结果后期分析影响较为显著。因此,有必要对其进行二次开发,找到运算过程的中间测量代换值及其数据,并对误差产生和修正进行探讨,以方便日后的理论分析研究工作。

Visual Basic是一种可视化面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言[4],具有简明的图形用户界面(GUI)、快速应用程序开发(RAD)系统以及便捷的ActiveX控件创建功能,内集成多种可调用转换的数据库。本文将试图应用NovAtelGPS接收机测量,对该仪器配套软件NovAtelConnect所得数据进行分析;在Visual Basic 6.0环境下编写一套程序,对NovAtelGPS接收机接受数据进行提取、筛选、转换和运算。结合平面内有限点集形心坐标算法,对数据误差进行修正;同时,对车辆实际运行轨迹进行动态模拟。

1、二次开发原理及软件设计关键技术

二次开发基于NovAtelGPS接收机通过标准定位服务(SPS)采集所得原始数据。GPS接收机定位技术关键在于GPS卫星发射的无线电信号。GPS卫星播发两个频率的载波无线电信号:L1=1575.42MHz和L2=1227.6 MHz。L1载波调制含有1.023MHz的粗捕获码(C/A码)、10.23MHz的精码(P码)及每秒50bit的导航电文。L2载波仅调制P码和导航电文。由于SPS水平定位精度为100米(95%的置信度),误差数值数量级不稳定,因此修正前,运用NovAtelGPS接收机测量并进行误差性状观测,设计相应修正改良方案。

图1为二次开发总方案设计路线。

1.1 数据录入

为确保计算结果的准确性,将NovAtelGPS测量所得原始数据录入二次开发的软件中时,用户应根据软件对话框提示遵守相对应操作顺序执行。其中,单点测量数据值录入时间上应先于动点轨迹数据值。单点误差修正值计算对同一点进行两次测量,结合平面内有限点集重心原理,将测量点集转化为单点并拟算出修正值。动点差分修正值计算运用位置差分原理得出相应差分修正值。其中,基准站坐标值在单点修正结果的基础上算得。数据录入软件时,应确保前后测得的两组数据组均输入完整,再计算单点误差修正值。原始数据录入时文件格式应转化为VB软件可以识别的ASCⅡ码或记事本格式。

1.2 坐标转换的实现

GPS所发布的星历参数基于WGS-84空间坐标系,由NovAtel GPS接收机测得点的坐标值也基于此坐标系,不能直接用于平面数据计算及存储。需经历两次坐标系转换。

将WGS-84空间坐标系转换成大地坐标系。大地坐标系采用大地经度L、大地纬度B和大地高H描述空间位置。大地纬度为空间点与参考椭球面法线与赤道面的夹角,大地经度为空间点与参考椭球自转轴所在面与参考椭球起始子午面的夹角,大地高为空间点沿参考椭球法线方向到参考椭球面的距离。根据公式(1)可实现WPS-84空间坐标与大地坐标之间的转换:

将大地坐标系转换为平面高斯坐标系。高斯坐标系利用高斯-克吕格投影,将三维坐标系转化到二维平面内,可简化数据的存储和计算。根据公式(3)、(4)可实现大地坐标与高斯坐标之间转换:

式中,m0=(L-L0)cosB,t=tanB,η2=(e')2 cos2 B。

B——所求点的纬度;

L——所求点的经度;

Np——通过该点的卯酉圈曲率半径;

——通过该点的平行圈所截的中央子午线距赤道的弧长。

坐标转换采用VB中包含的对话框程序编辑方法实现。用户根据Visual Basic软件提示选择相应高斯带类型及带号。选择高斯带带号时,需根据实际测量点的具体位置查定。如输入带号超出测点经度带范围,程序提示错误;强行运行将导致轨迹图形投影失真,但不影响坐标点运算结果正确性。

1.3 轨迹显示及误差计算

GPS单点测量主要误差包括卫星误差、传播误差和接收器误差三部分。动点测量主要误差来源为接收器误差和少量的传播误差。消除误差经典模型主要包括[2]:伪距/载波相位测量组合改正法、Hopfield模型等。经典模型主要针对造成GPS卫星传播过程中造成的误差进行修正,达不到整体改良的目的。本文单点误差修正模型中,以测得的第一个点作为计算原始数据,通过NovAtel GPS接收机重复多次测该点坐标以获得坐标修正值(△X,△Y)。

根据重心法则计算该测量点的中心坐标。由几何学形心公式可得,在一个平面区域M:{(x、y)|a≤x≤b,o≤y=f(x)}中平面空间中有限点集的形心坐标[7]为:

其中,n为测量同一点次数。对测量值与精确值取差得修正值。

动点误差修正采用位置差分法[7]。

1.4 数据的存储

程序计算完成后,运用文件调用方法编辑实现。程序运行前,应在Visual Basic菜单选项中对Excel进行勾选。如数据庞大,则Excel读入耗时长,读入数据过程中不能干扰Excel文件。

为保证数据存储的方便及准确,读入Excel固定文件“实验测量数控.xls”。读入时文件自动打开,可观测到读入过程。

2、软件设计及主要功能

软件的总体结构简单直观,操作过程集中于同一界面。逻辑组成:①GPS原始数据文件类型判定:②GPS原始坐标、时间数据的提取;③空间坐标向平面坐标的转换;④平面轨迹的模拟;⑤单点测量坐标误差值修正;⑥位置差分坐标误差值修正;⑦处理后数据的储存。

软件设计主要实现相关数据提取、坐标转换、误差计算、轨迹模拟、处理后数据存储等功能。软件设计流程如图2:

该程序设计结构主要包含以下模块:①GPS原始数据路径及显示。从PC机中寻找原始数据文件,选择类型错误时提示重选;②WGS-84坐标系。提取文件原始WGS-84空间坐标系下的(X,Y,Z,t)值,显示于列表框中;③大地坐标系。完成空间坐标系下的坐标值与大地坐标系下经纬度和高程值的转化;④高斯坐标系。提示用户选择相对应的地理带,并在相应纬度带下换算成高斯坐标系的平面坐标(X,Y)值;⑤相对坐标系。高斯坐标平面值转换为可在软件界面中显示的相对坐标(X,Y)值;⑥误差校正计算;⑦轨迹模拟/数据存储。

在具有奔腾Ⅱ以上CPU64兆以上内存、10G以上硬盘的PC及其兼容机上,使用WINDOWS 98及其以上的操作系统打开程序,坐标转换后数据及静态点测量显示如图3,汽车运行动态数据运算及运行轨迹显示如图4,运行动态数据存储显示如图5。

3、软件优点

3.1 界面简洁清晰

程序实现所有功能均在同一窗体内,界面简明友好,操作者容易掌握。同时,程序内部设置一定数量的对话框,对使用者的操作进行提示和引导,帮助使用者及时发现并纠正关键性步骤的错误操作。

3.2 中间数据的显示

对于软件中可实现的一切功能及软件中所包含的一切模块,界面中均可明确清晰的显示。许多软件测量结果虽然精确,但是未给出中间数据,虽然在工程测量中可以进行应用,但在理论研究或是科研教学上应用局限性大。本程序从数据提取开始,每次计算的结果均可显示在界面内,既方便数据的对比,也有利于分析奇异数据。

3.3 辅助功能便捷

软件不但能够实现坐标数据的转换、存储功能,还可根据计算结果绘制轨迹模拟图,便于计算和分析过程中的直观检验。计算结果数据直接存入已设置好的Excel表格或其他形式的数据库中,方便查找。

4、结束语

利用Visual Basic软件,编制出一套运行程序,对GPS接收器的原始数据进行整合和处理,并完成了轨迹的模拟和误差的调整。同时,可将中间过程及计算结果数据转存入文件中。在理论分析中有良好的推广价值。由于VB语言系统基于事件驱动,并能够较容易的与数据库链接,在语言设计、数据调用和后期维护上都具有简单实用的特点。可实现NovAtelGPS测量过程和PC机理论分析过程的结合,从而得到详细的中间分析数据和更加精确的修正结果。

摘要：在Visual Basic 6.0环境下,针对NovAtel Propak-V3型GPS接收机进行二次开发再现研究。将己成熟的GPS坐标转换技术与几何学理论、计算机语言结合,对NovAtelGPS接收机所测原始数据进行后处理,并通过VB编辑程序再现接收机的运行轨迹。程序中实现对接收机数据的提取、WGS-84坐标系的转换、单点误差修正、差分误差修正、轨迹模拟、数据存储等功能。程序界面简洁清晰、使用方便,可用于记录车辆行驶轨迹、快速测量道路线形参数。

关键词：交通工程,Visual Basic,GPS接收机,坐标转换,误差修正

参考文献

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车辆位移轨迹分析系统模型研究篇2

随着城市的快速发展, 城市汽车数量迅速扩大, 现代交通领域将面对越来越巨大的交通压力, 在公安工作中面对新形式下的刑侦工作, 有很多刑侦案件存在案发后犯罪嫌疑人驾驶车辆逃逸, 这需要人工排查大量的视频文件, 以便获取犯罪嫌疑人驾驶车辆的逃逸途径路线等重要信息。

在车牌识别中车牌定位技术和车牌字符识别技术是两项尤为重要的工作。Barroso J等提出了基于水平线搜寻的定位方法[1];Parisi R等提出的基于DFT变换的频域分析方法[2];Coetzee C等提出的基于Niblack二值化算法及自适应边屏搜索算法的定位方法[3];Bulas J等人曾提出基于扫描行的车牌提取方法[4]。宋建才提出基于字符结构的识别方法将字符结构知识应用在车牌识别中[5], 戴青云等提出一种基于小波与形态学的车牌图象分割方法, 胡爱明等也利用形态特征的汽车车牌图像分割方法来提取车牌特征[6];基于神经网络的车牌识别方法也有所应用, 比如赵涛等提出一种用于车牌定位的改进BP神经网络方法[7];也有将分形理论应用在车牌识别中的, 比如金一粟, 袁宝民提出的基于分形盒子维数的车牌定位方法[8]。

为避免人工查找造成的工作量巨大、查找困难、信息遗漏等现象, 尤其是有效提高公安侦查的准确率, 本文正是通过构建车辆位移轨迹分析系统模型, 以视频监控网为基础选择视频节点组建查询数据库, 通过对各帧图形图像进行预处理、边缘提取、车牌定位、字符分割、字符识别等处理识别车牌号码, 这里将车牌提取结果与时间查询及路口信息结合共同构建了立体模型, 同时采用一种基于二叉排序路径生成算法求解分析计算得出车辆位移轨迹。

1、车牌信息提取

车牌识别时一项涉及到计算机图形图像处理、模式识别、人工智能等交叉学科的技术, 他被广泛应用到交通监控领域中。车牌识别一般可以分为车牌的定位、车牌上字符的分割和字符识别三个主要部分。在计算机图形图像处理中, 我们主要在处理视频文件信息时, 通常采取逐帧读取节点路口视频文件, 对各帧图形图像进行车牌检测和定位、车牌特征提取、车牌号码识别等处理。在车牌信息提取整个过程中我们将对其进行图像识别、图像预处理、边缘提取、车牌定位、字符分割、字符识别等操作。视频文件读取车牌信息的流程如图1所示。

a) 原始图像:由监控录像逐帧提取的图形图像。

b) 图像预处理:对采集到的图像进行滤波, 边界增强等处理以克服图像干扰。

c) 边缘提取:通过微分运算, 二值化处理, 得到图像的边缘。

d) 车牌定位:计算边缘图像的投影面积, 寻找峰谷点, 大致确定车牌位置, 再计算此连通域内的宽高比, 剔除不在域值范围内的连通域。最后得到的便为车牌区域。

e) 字符分割:利用投影检测的字符定位分割方法得到单个的字符。

f) 字符识别:利用模板匹配的方法与数据库中的字符进行匹配从而确认出字符, 得到最后的汽车牌照, 包括英文字母和数字。

2、轨迹分析模型

所谓的轨迹分析模型就是通过对监控视频中的车辆信息逐帧处理图形图像信息, 提取出车牌信息, 在通过科学计算模拟出时间路径信息, 从而得出车辆位移轨迹。

在轨迹分析模型中我们通过将各个交通路口监控视频文件组建成视频监控网, 从中离散分布的监控网中选择距离自己最近的或相邻的若干节点组成视频节点查询数据库, 并以此为基础设计了车辆位移轨迹分析系统模型, 在组建的视频监控网中, 将选择的视频节点文件逐帧分解, 并进行图形图像处理, 在分别对各帧图像进行二值处理, 滤波去噪, 小波变换等操作后, 根据算法识别车牌信息。并将所提取的车牌信息与此帧对应的时间节点共同计入车牌信息数据库中。分别最各个节点进行上诉分解提取操作, 选取视频时间范围组建查询数据库, 在该数据库中存在不同车辆在不同的交通路口同一时间范围内信息数据, 我们通过二叉排序算法提取出同一车牌信息在各个路口的经过信息, 分别提取出车牌信息、路口信息、时间信息和帧图像信息。这样按照时间排序分析比对后即可得出同一车牌信息的车辆位移轨迹。车辆位移轨迹分析系统

模型如图2所示。

3、路径生成算法

在完成各个交通路口监控视频中车牌信息提取后, 根据新形成的车牌信息数据库所提供的车辆信息, 提出了一种基于二叉排序路径生成算法对同一车牌信息进行时间排序分析得出计算车辆位移轨迹, 从而有效地提高公安侦查效率。边缘提取、车牌定位、字符分割、字符识别。

基于二叉排序树的路径生成算法如下:

a) 读取节点视频

b) 选择时间刻度

c) 逐帧进行预处理、边缘提取、车牌定位、字符分割、字符识别

d) 提取车牌号码写入数据库

e) 对其他视频节点进行递归操作, 重复1～5。

f) 提取同一车牌信息

g) 使用二叉排序树进行排序

h) 将该车牌途径路口以时间排序

结果按时间顺序显示路口信息、时间信息和车牌信息, 生成车辆位移轨迹完整路径。

结束语

本文重点在于对车辆位移轨迹分析系统模型进行理论研究。通过模型分析, 可以在视频监控网中自由选取若干监控节点自组网络查询数据库, 并对图形图像处理后提取车牌信息, 再经过分析后可以清晰绘制同一车牌信息车辆在某时间段内的车型路线, 从而为公安侦查提供高效查询手段。

本文的创新点在于在将车辆牌照识别与信息系统结合, 逐帧提取视频文件中的车辆牌照信息形成一个查询数据库, 构建了车辆位移轨迹分析系统模型;根据选择的交通路口组建成图像查询网络, 使监控视频和车牌信息查找形成一个网络全覆盖的动态管控环境, 从而利用图形图像技术识别车牌号码, 以期望达到高效的系统图像信息抽取并自动分析的目的。该系统尚处于实验研究阶段是一个原创性的工作, 许多地方还有待进一步研究和完善, 但对类似的视频监控自动分析系统有较高的借鉴价值。

参考文献

[1]Barroso J, Rafael A.Number Plate Reading Using Com-puter Vision[J].IEEE Transaction on Vehicular Technology.200 1.1 1

[2]Parist R.Car Plate Recognition by Neural Networks andImage Processing.IEEE International Symposium on Circuitsand Systems, USA, 2000, May 31一June 3.

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[5]宋建才.字符结构知识在车牌识别中的应用.计算机应用.2004.04

[6]胡爱明, 周孝宽.利用形念特征的汽车车牌图像分割方法.计算机辅助设计与图形学学报.2003.06

[7]赵涛, 杨晓莉, 王绪本等.2007.一种用于车牌定位的改进BP神经网络方法[J].计算机仿真, 24 (2) :240-243,

车辆运行轨迹篇3

随着经济发展, 传统运输企业向综合物流企业快速转型, 众多行业问题和管理瓶颈也日益凸显, 主要问题有如下四个方面:1) 车辆调度, 无法对物流企业管辖车辆实现可视化管理, 不能实现精细化调配作业, 空车行驶比例大, 物流绩效低;2) 成本控制, 油费、路桥费、维修费用较高, 物流成本具有较大降低空间;3) 客户服务, 客户方不能即时查询货物状态, 物流方不能提前通知客户接货, 导致服务质量不好, 客户容易流失;4) 人力资源, 传统管理模式对驾驶员的绩效考核困难, 无法按工作量计酬。以上众多问题制约了物流企业运营效率和行业增长势头[1]。因此需要应用现代化物联网技术, 感知车辆轨迹, 掌握车辆运营状态, 基于此目的, 开发了车辆轨迹通讯仪。

1 系统架构

在物流车辆上安装轨迹通讯仪, 该设备拥有MCU模块、GPRS MODEM模块和GPS模块, 通过GPRS网络连接互联网, 每60s将GPS测量的实时经纬度, 通过Tcp/IP协议发送给信息中心固定IP地址的1061端口。MCU模块采用AVR MEGA162, GPRS MODEM模块采用PIML-900/1800, GPS模块采用SDT11。物流公司信息中心需要申请互联网上的固定IP, 并开放1061端口用于接收各轨迹通讯仪发来的轨迹信息。轨迹信息向运货方、收货方开放, 提高服务质量, 同时轨迹信息还供物流公司各网点查阅, 有利于组织货源, 合理调配车辆[2]。其系统架构如图1所示。

2 轨迹通讯仪的设计

轨迹通讯仪的硬件架构见图2。主电源利用汽车12V电瓶, 由于汽车运行时发电机产生的电压不稳定, 可能会击穿芯片, 因此采用三端稳压集成电路LM7805稳压为5V。LM7805三端稳压IC组成稳压电源所需的外围元件较少, 电路简单, 工作可靠。考虑到人为破坏和突发故障, 设计后备电源。后备电源使用4节1.2V的镍氢电池串联成的4.8V电源。LM7805可输出稳定的5V直流电, 经过一个1N4007二极管降压后为各备电源充电。如果主电源线被切断, MCU检测到12V的外部电压消失, 拨打报警电话[3], 向信息中心报告故障。同时后备电池还能维持工作48小时左右, 帮助维修人员找到车辆, 及时维修轨迹通讯仪。

2.1 核心元件的选择

轨迹通讯仪的核心元件MCU选择双串口的AVR MEGA162, 拥有16k Byte的FLASH, 512Byte的EEPROM。MCU程序的工作步骤如下:1) 上电复位, 初始化MCU的IO口、时钟;2) 对GPS模块初始化;3) 对GPRS MODEM模块初始化;4) 设置远端IP地址和通讯端口;5) MCU循环读取GPS数据, 仅截取“$GPRMC”数据包, 通过GPRS MODEM把数据包发至远端IP地址的特定端口[4]。

GPRS MODEM模块选择PIML-900/1800, 该模块串口默认通讯波特率9.6k, 集成了完整的GSM基带处理电路和射频电路, 带GPRS Class10功能, 内嵌TCP/IP协议, 简化了GPRS通讯的开发难度。MCU通过串口使用AT指令控制模块工作, 操作流程及相应的AT指令介绍如下:

GPS模块选择SDT11, 天线线长5 m, 可把主机盒安装在驾驶仓内, 把GPS天线安装在驾驶仓顶棚上, 弧面向上, 指向天空, 以期捕获最强的GPS卫星信号。该模块串口通讯波特率9.6k, 具有16路卫星接收通道, 灵敏度-158 d Bm, 精度<2.5m, 通讯协议采用“NMEA-0183”, 即通讯协议中包括了“$GPRMC”、“$GPGLL”、“$GPGSV”、“$GPGGA”、“$GPGSA”等格式的小数据包[5]。

2.2“$GPRMC”数据包的解析

判定物流车辆位置仅需要“U T C日期、U T C时间、经度、纬度、方向角”5个参数即可。所以MCU仅需要截取“$GPRMC”数据包, 其它数据包可以抛弃。“$GPRMC”数据包例如“$GPRMC, 133231.126, A, 3721.2115N, 12167.1242, W, 0.21, 313.24, 110912, 2.3, W*10”, 其结构说明如表1所示[6]。

2.3 MCU工作流程

设备上电后, MCU周而复始循环读取GPS信息并上传, 直至失电停止工作。列举MCU读取GPS数据并通过GPRS MODEM发送的程序段如下。采用AVR C语言编写。

3 轨迹监听的实现

在信息中心, 设置一台轨迹监听服务器, 用于接收各车辆轨迹通讯仪上传的“$GPRMC”数据包。在轨迹监听服务器上用Winsock控件开发程序, 将Winsock控件的“Protocol”属性设置为UDPProtocol, 即指定采用UDP协议, 将Winsock控件的“Remote Host”属性设置为要连接的固定IP地址, 利用Winsock控件的“Bind”方法指定轨迹监听服务器的端口, 利用Winsock控件的“Data Arrival”事件接收车载端发出的数据包, 将车辆轨迹信息、运营状态存入SQL SERVER数据库[7]。轨迹数据可供其它物流软件共享。

4 轨迹通讯仪的应用

对本次开发的轨迹通讯仪进行生产实测, 发现在GPRS通讯时可能会出现滞后现象, 通过“$GPRMC”数据包中记录的UTC标准时间换算为北京时间, 与TCP/IP数据包实际到达时间比较, 在移动电话通讯高峰时段, 最大延时9.6s, 丢包率为4.3%[8]。有的时候, 后发数据包先至, 因此应对“$GPRMC”数据包按UTC时间排序, 保证关键点的先后顺序正确, 从而生成正确的轨迹。虽然运输行程中存在着许多GPS、GPRS信号盲区、存在着一些延时和丢包的现象, 但是只要每15 min能成功传递一个“$GPRMC”数据包, 就能让GIS系统大致描绘出车辆运行轨迹[9]。

5 结束语

本研究开发的车辆轨迹通讯仪在某第三方物流企业已投入了使用, 轨迹数据库提供给其它物流软件共享, 实现了车辆轨迹、车辆调配、货源信息、客户信息的深度数据挖掘, 为物流企业建立敏捷的供应链系统提供强大的技术支持, 实现车辆及司机调度、订单管理、运输计划制定、费用结算、车辆及货物监控等流程的系统化、智能化、可视化管理, 提高物流绩效[10]。

参考文献

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车辆运行轨迹篇4

智能车辆能够大幅提高道路交通效率,增加驾驶安全性,有着广阔的应用空间,其研究获得了业内人士的关注[1]。要使车辆从给定的出发点自主地驾驶到目标点,必须预先规划出一条可行轨迹,该轨迹应具有连续曲率,且同时满足运动学条件和动力学条件。轨迹规划的目的是要在适当的限制条件下,生成车辆运动轨迹的状态表达式,有效地作为跟踪系统的控制输入。相比路径规划,轨迹规划更具挑战性[2]。

早期的轨迹规划方法实际上是机器人研究领域的路径规划方法的某种扩展,20世纪80年代后期被引入智能车辆[3]。这类方法给出的路径由直线和圆弧两种基本元素构成,由于曲率在线段连接点处不连续,迫使车辆运动到连接点处时需要停下来完成转向动作,导致车辆运动过程不连续[4]。要避免这种情况的发生,一种方法是采用精确的位置传感器和高频跟踪控制器;另一种方法是通过修改轨迹规划方法来获得平滑的连续曲率轨迹,显然,后者更具现实意义。

回旋曲线是一种被广泛应用于高速公路的几何线形设计,当用于连接直线和圆弧时,能有效地起到平滑作用[5]。Nelson[6]认为这类方法的缺点是轨迹表达式以弧长为参数,使用时需要进行积分,容易产生积累误差,并建议用五次多项式和极坐标样条以完整表达方式(closed form)给出轨迹表达式。类似地,Gómez-Bravoa等[7]采用了β样条。在Reeds等[8]研究的基础,Fraichard等[9]考虑了轨迹曲率和曲率变化率的限制,相当于用运动学特性来约束轨迹曲率,这种方法在低速情况下(例如辅助泊车系统)获得了较好的应用[10],但当车辆行驶速度较高时将无法适用。

本文在前人研究的基础上,将轨迹看作整车质心运动状态的时间连续函数,以无滑移条件为基础线索,推导出转向系统和轮胎无滑移的非完整约束,从而将车辆运动学和动力学约束转化为对轨迹几何特性的约束,并利用人—车闭环操纵稳定性评价的客观指标优化轨迹,获得给定初始和终止状态之间的可行轨迹。

1 单轨车辆模型

研究整车在水平地面的无滑移运动学特性和动力学特性,所需的重要状态量包括:车辆横摆角θ、横摆角速度ω、前轮转角δ、整车质心侧偏角γ、速度v以及车辆的位置(x,y)。为便于描述,考虑图1所示的单轨车辆模型。该模型采用前轮转向前轮驱动,符合大多数现有轿车的实际情况。分析时引入3种坐标系。一是大地坐标系,以笛卡尔坐标系XY来表示;二是车辆坐标系,该坐标系固定在车辆上,以车辆质心为坐标原点,车辆纵轴为横坐标,用xy来表示;三是惯性坐标系,该坐标系建立在期望运动轨迹上,在轨迹上的给定点,其坐标轴分别指向轨迹的切线和法线方向,用ζ η来表示。所建立的坐标关系如图1所示。

如需使车辆沿着期望轨迹行驶,就必须令整车质心的速度方向与轨迹前进的切线方向一致,也就是使车辆质心速度v的方向与惯性坐标系的ζ轴方向一致。在直道行驶时,车辆质心速度v的方向、惯性坐标系的ζ轴方向以及车辆坐标系的x轴方向均相同;而车辆在转向过程中,由于前轮转角的作用,使惯性坐标系的ζ轴方向和车辆坐标系的x轴方向产生整车质心侧偏角γ。

本文选取车辆的位置、横摆角、横摆角速度、整车质心侧偏角、速度作为状态量,前轮转角作为输入量,建立如下7维非线性车辆模型:

$\dot{v}_{x} = \frac{1}{m} (F_{f x} \cos δ - F_{f y} \sin δ + F_{r x}) - ω v_{y}$ (1)

$\dot{v}_{y} = \frac{1}{m} (F_{f y} \cos δ + F_{f x} \sin δ + F_{r x}) - ω v_{x}$ (2)

$\dot{γ} = ω - \frac{1}{m v c o s γ} (F_{f x} \sin δ + F_{f y} \cos δ + F_{r y})$ (3)

$\dot{ω} = \frac{1}{Ι_{z}} [(F_{f y} \cos δ - F_{f x} \sin δ) l_{f} - F_{r y} l_{r}]$ (4)

$\dot{x} = v_{x}$ (5)

$\dot{y} = v_{y}$ (6)

$\dot{θ} = ω$ (7)

式中,Ff x、Ff y、Fr x、Fr x分别为前后轮的纵向和侧向摩擦力;m为整车质量;Iz为整车质心的转动惯量;lf、lr分别为整车质心到前后轮的轴距。

式(1)～式(4)描述车辆的动力学特性,式(5)～式(7)描述车辆的运动学特性。

2 无滑移约束

以上模型是在轮胎无滑移条件下建立的,因此,根据无滑移条件,可以得出以下非完整约束条件。即针对后轮有:

式中,rw为车轮半径;ωr为后轮角速度。

同理,对前轮有:

式中,ωf为前轮角速度。

根据式(8)和式(9)可以分别求出ωr、 $\dot{θ}$ 和 $\dot{ω}_{r}$ 、 $\ddot{θ},$ 再代入式(10)和式(11)可以分别求出δ和 $\dot{δ}$ 的表达式:

从式(12)可以看出,对于给定的车辆结构参数,前轮转角、转速与车辆的速度和加速度具有一定的映射关系,而前轮转角和转速又存在以下限制关系:

式中,δmax和 $\dot{δ}_{\max}$ 分别为前轮最大转角和前轮最大转速。

式(12)与式(13)结合起来可以将转向系统的限制转化为车辆的速度和加速度限制。

要确定运动过程的车辆速度和加速度限制,需要考虑轮胎与路面的摩擦情况。本文采用魔术公式来描述轮胎与路面的动力学模型。在纯纵滑和纯侧偏条件下, 纵向力和侧向力分别描述为

$\begin{array}{l} F_{x} (s) = (a_{1} F_{z}^{2} + a_{2} F_{z}) \times \\ \sin [1.65 \arctan \frac{(a_{3} F_{z}^{2} + a_{4} F_{z}) ϕ_{x} (s)}{1.65 (a_{1} F_{z}^{2} + a_{2} F_{z}) e^{a_{5} F_{z}}}] (14) \end{array}$

$\begin{array}{l} F_{y} (α) = (b_{1} F_{z}^{2} + b_{2} F_{z}) \times \\ \sin [1.3 \arctan \frac{b_{3} (1 - b_{12} | φ |) \sin (b_{4} \arctan (b_{5} F)_{z}]}{1.3 (b_{1} F_{z}^{2} + b_{2} F_{z})} \times \\ (α + b_{9} φ) ϕ_{y} (α)] + (b_{10} F_{z}^{2} + b_{11} F_{z}) φ (15) \end{array}$

$\begin{array}{l} ϕ_{x} (s) = [1 - (a_{6} F_{z}^{2} + a_{7} F_{z} + a_{8})] s + \\ \frac{1.65 (a_{6} F_{z}^{2} + a_{7} F_{z} + a_{8}) (a_{1} F_{z}^{2} + a_{2} F_{z})}{(a_{3} F_{z}^{2} + a_{4} F_{z})} \times \\ \arctan \frac{(a_{3} F_{z}^{2} + a_{4} F_{z}) s}{1.65 (a_{1} F_{z}^{2} + a_{2} F_{z})} (16) \end{array}$

$\begin{array}{l} ϕ_{y} (α) = [1 - (b_{6} F_{z}^{2} + b_{7} F_{z} + b_{8})] (α + b_{9} φ) + \\ \frac{1.3 (b_{6} F_{z}^{2} + b_{7} F_{z} + b_{8}) (b_{1} F_{z}^{2} + b_{2} F_{z})}{b_{3} (1 - b_{12} | φ |) \sin [b_{4} \arctan (b_{5} F_{z})]} \times \\ \arctan [\frac{b_{3} (1 - b_{12} | φ |) \sin (b_{4} \arctan (b_{5} F_{z}))}{1.3 (b_{1} F_{z}^{2} + b_{2} F_{z})} \times \\ (α + b_{9} φ)] (17) \end{array}$

式中,s为轮胎的滑移率;α为轮胎的滑移角;φ为轮胎外倾角;Fz为垂向载荷;a1～a8、b1～b12为模型参数,取值见表1和表2。

采用改进的Nicolas Commstock(MNC)模型[11]合成纵向滑动和侧偏条件,轮胎受力方程可描述为

$\begin{array}{l} F_{x} (α, s) = \frac{F_{x} (s) F_{y} (α) s}{\sqrt{(s F_{y} (α))^{2} + (F_{x} (s) \tan α)^{2}}} \times \\ \frac{\sqrt{(F_{x} (α) (1 - | s |) \cos α)^{2} + (s C_{α})^{2}}}{s C_{α}} (18) \end{array}$

$\begin{array}{l} F_{y} (α, s) = \frac{F_{x} (s) F_{y} (α) \tan α}{\sqrt{(s F_{y} (α))^{2} + (F_{x} (s) \tan α)^{2}}} \times \\ \frac{\sqrt{(F_{y} (s) (1 - | s |) \cos α)^{2} + (C_{s} \sin α)^{2}}}{C_{s} \sin α} (19) \end{array}$

式中,Cs和Cα分别为轮胎的纵向和侧向刚度系数。

根据以上方法绘制的纵向和侧向轮胎力曲线,以及轮胎的摩擦力椭圆如图2所示。取图2c中小圆圈围成的椭圆作为轮胎的最大摩擦力限制。

轮胎摩擦力限制可以转换为车辆的加速度限制,从而约束车辆的速度。考虑将车辆看作整车质量中心的质量体,前后轮摩擦力的合力在车辆纵向和横向的分量分别用Fx和Fy来表示,根据摩擦力椭圆限制和运动学规律,有

$(\frac{F_{x}}{F_{x m a x}})^{2} + \frac{F_{y}}{F_{y m a x}})^{2} \leq 1$ (20)

mkv2=Fy (21)

$m \dot{v} = F_{x}$ (22)

式中,Fxmax和Fymax分别为前后轮最大摩擦力在车辆纵向和横向的合力;k为轨迹曲率。

将式(21)代入式(20)并整理,得

再将式(23)代入式(22),整理得到整车无滑移的加速度限制条件,即

根据最大加速度限制,最大允许速度计算方法如下:

(1)利用下式计算对给定的路径的曲率轮廓,找出曲率的极值点,如图3b所示,记为Pi(i表示这些极值点的编号):

$k (t) = \frac{\dot{x} (t) \ddot{y} (t) - \dot{y} (t) \ddot{x} (t)}{[\dot{x} (t)^{2} + \dot{y} (t)^{2}]^{3 / 2}}$ (25)

(2)因为曲率极值点对应最小转弯半径,所以这些点处的纵向加速度理论上为0,最大速度仅受到侧向力的限制。因此,这些点处的临界速度可由下式计算:

$v_{Ρ_{i} \max} = F_{y m a x} \sqrt{1 / (k (t) m)}$ (26)

(3)将临界速度代入式(24)计算出的加速度曲线,并以Pi作为起始点计算速度曲线vPi(t),而最大允许速度曲线即图3c所示的粗实线,计算公式为

vmax(t)=min{vPi(t)} (27)

3 连续曲率轨迹优化

由于车辆的操纵性很难用单独的技术指标来进行评价,本文综合多方面的因素,考虑将最优轨迹的生成问题转化为一个组合指标的多目标优化问题来解决。具体地,考虑以下3个客观指标。

(1)轨迹的最大通过速度即最小时间指标,该指标的计算公式为

$J_{t} = \int_{t_{0}}^{t_{f}} \frac{\sqrt{\dot{x} (u)^{2} + \dot{y} (u)^{2}}}{v (u)} d u$ (28)

(2)方向盘忙碌程度即转向动作最小化指标,该指标的计算公式为

$J_{\dot{δ}} = \int_{t_{0}}^{t_{f}} (\dot{δ} / \hat{\dot{δ}})^{2} d u$ (29)

式中, $\hat{\dot{δ}}$ 为前轮转角变化率的标准阈值。

(3)侧向加速度即乘客的舒适感,该指标的计算公式为

$J_{a_{y}} = \int_{t_{0}}^{t_{f}} (\dot{v}_{y} / \hat{\dot{v}}_{y})^{2} d u$ (30)

式中, $\hat{\dot{v}}_{y}$ 为侧向加速度的标准阈值。

组合优化指标为以上三个指标的加权均方根:

$J = \sqrt{\frac{ξ_{1} J_{t}^{2} + ξ_{2} J_{\dot{δ}}^{2} + ξ_{3} J_{a_{y}}^{2}}{ξ_{1} + ξ_{2} + ξ_{3}}}$ (31)

其中,t0代表初始时刻,tf代表终止时刻,ξi代表各项指标的权重系数,权重系数的不同可以突出或削弱优化的侧重点。

上述问题即可转变为以下非线性规划问题:

4 仿真实例分析

为评估本文方法的有效性,利用MATLAB优化工具箱实现了本文提出的轨迹生成方法。仿真采用的车辆参数汇总于表3。

图4a所示为换道情况下的轨迹规划结果,规划出的换道轨迹用星号点划线表示。可以看出,规划轨迹具有平滑的轮廓,满足轨迹曲率连续的要求。图4b～图4g所示分别为各种状态量的仿真结果。从这些状态量的变化情况可以看出,它们均具有良好的连续性以及良好的动力学特性,说明了本文方法的有效性。

5 结语

本文研究了无滑移条件约束的可行轨迹优化方法。在7维纵横向耦合的非线性单轨车辆模型上,建立了前轮转角和前轮转角变化率的表达式,以及最大轮胎摩擦力限制的表达式,将车辆的运动学和动力学特性转化为对可行轨迹的约束条件。根据操纵性评价指标对轨迹进行优化,规划出具有连续曲率的车辆运动轨迹。单移线的仿真结果验证了本文方法的有效性。

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车辆运行轨迹篇5

根据对广东地区高速公路沥青路面重车道抗滑指标———标准速度摩阻数F60 (以下简称F60) 的调查显示, 沿车道 (宽度为3.75 m) 横断面的F60值分布特征为:距路面前进方向左侧边缘约1 m和3 m位置F60值最小, 而车道其他位置的F60值在较好的水平, F60值沿重车道横断面呈双峰曲线分布。统计数据显示, 轮迹带位置的F60值要比其他位置低10%。上述特征在渠化交通车道上表现尤为突出, 轮迹带处抗滑性能最先衰减至规范低限值, 沥青路面没有得到充分的使用。现提出采用轮迹横向干预措施使轮迹带产生偏移, 提升路面使用效率, 达到延长路面养护周期的效果。

本文以韶赣高速为研究实体, 研究车辆横向干预措施对轮迹带偏移的效果。在大塘至丹霞段 (往江西方向) 选取600 m试验路面增设横向干预标线, 并对该试验段进行为期半年的路面抗滑数据跟踪采集。

1 试验路段概况

本文研究内容依托广东省交通运输厅科技计划项目———改善韶赣高速公路路面抗滑性能的综合措施研究。2015年7月14日在韶赣高速试验段铺筑的Novachip封层, 将试验路段抗滑性能指标F60值提升至较高水平, 让试验效果更加明显 (新路面前期抗滑性能衰减更快) 。2015年7月30日实施轮迹横向干预措施。试验段分为AK36+600~AK36+850 (方案一) , AK36+950~AK37+200 (方案二) 两段, 对应横向迁移距离分别为0.3 m, 0.5 m (如图1所示) 。图2为试验路段的实景图。

在两试验段首尾各取一个检测断面共4个断面进行试验路段抗滑数据采集。抗滑数据为路面摩擦系数 (BPN) 及路面构造参数 (MTD) [2,7];其中, BPN采用摆值仪来测定, MTD采用铺砂法来测定。检测时间为2015.7.30, 2015.8.30, 2015.9.30, 2015.11.30, 2016.1.30。

一个测试断面上选取12个测试点, 每个点间距30 cm, 第一个点距离重车道行进方向左侧边缘30 cm。在每个测点处BPN及MTD均测试5组数据。

2 试验数据处理过程

2.1 F60值的计算

本次研究采用F60作为路面抗滑性能的表征值。F60由PIARC模型计算得到。PIARC模型是世界道路协会 (PI-ARC) 于1992年根据大规模的路面抗滑性能检测设备对比与协调试验结果提出的。此模型中初次使用了国际摩阻指数IFI (SP, F60) 作为路面抗滑性能的评价指标。该模型是目前公认最好抗滑衰减模型, 模型如式 (1) 所示[1,6]:

本文采用的抗滑参数分别是摆值仪测出的摆值 (BPN) 以及铺砂法测出的路面构造深度 (MTD) , 以这两个参数作为路面摩擦系数FRS及路面构造参数Tx的取值。可查得对应的参数取值:S=10 km/h时, A=0.054, B=0.009, C=0, a=-11.598 1, b=113.632 5。

将取回的基本检测数据进行初步处理:利用式 (2) 将路面摩擦系数 (BPN) 换算成标准温度 (20℃) 下的标准值 (BPN20) (其中, BPNt为BPN关于温度的函数, 其值可以查表得到) 。

路面构造参数 (MTD) 通过铺砂法测得的行车方向及其垂直方向的最大直径求值。直径D取5次路面构造深度的测定结果的平均值作为试验结果, 精确至0.1 mm。

将计算得到的BPN, MTD代入到PIARC模型中, 计算得到F60[8]。

2.2 检测断面F60变异系数

本文研究的是检测断面上12个检测点位置的F60值的变异系数。通过分析变异系数的变化来研究这12个F60数据的离散程度的变化, 变异系数越大, 数据的离散程度越大。

1) 检测断面F60均值计算。考虑到F60值是沿检测横断面均匀变化的, 使用Origin将12个散点数据拟合成一条曲线, 如图3所示。

用该曲线x轴及起、止位置竖轴围成的面积S与断面长度 (3.3 m) 的比值作为F60的均值, 如式 (5) 所示:

2) 检测断面F60方差计算。

方差计算公式 (离散型方差计算式) :

其中, μ=E (X) 。

即:

本次计算中, xi即为检测断面F60数据, i= (1, 2, 3, …, 12) , 由于F60沿检测断面满足均匀分布, 故取pi=1;μ=E (X) 即为该点F60的计算均值[4]。

3 分析思路

检测断面为通车半个月的新铺断面, 2015年7月30日的断面抗滑参数检测值为初测值, 由于路面7月14日才铺的Novachip封层, 断面各点F60差异不是很大, 故理论上初测值的变异系数是最小值。随着车辆荷载作用次数增多, 受标线渠化作用影响, 轮迹带处F60下降较快, 其他位置与轮迹带处F60值的差值逐渐变大, 导致断面F60数据的差异程度变大, 故变异系数在路面投入使用后整体趋势逐渐增大。

计算得到单个时间节点、单个断面的F60的变异系数后, 通过该变异系数随时间的变化来分析轮迹横向偏移效果。理论上, 变异系数越小, 数据离散性越小, 试验横断面F60值峰值越低, 平均程度越好。试验断面F60值的变异系数越小说明断面上轮迹分布得更加均匀, 由此可以证明鱼骨线能使轮迹横向偏移。

4 试验数据分析

由上述数据处理方法计算得到各断面、各时间点的F60变异系数数据如表1所示。

变异系数代表的是一组数据的相对离散程度, 由表1可以看出, 四个试验断面的变异系数都呈现出逐渐增大的趋势。原因是轮迹带处F60值减小幅度相比其他位置较大;随着时间的增长, 车载作用次数越大, 横断面上其他位置与轮迹带处F60的差值将呈现出逐渐增大的趋势 (本次研究只考虑路面抗滑性能的早期衰减过程, 不考虑衰减后期路面抗滑性能趋于一致的过程) 。

由图4分析方案一的起止断面的变异系数数据。

图5为方案二起、止断面的标准速度摩阻数的变异系数值形成的图形, 由此图可以看到起、止断面的变异系数增长均呈现出前期增长较快后期增长较慢的趋势:前期试验断面的抗滑性能衰减较快, 试验断面的摩阻数差异性增长迅速;3个~4个月后, 试验断面的抗滑性能衰减变缓, 试验断面的摩阻数变化较小, 变异系数自然变化较小, 增长变缓。观察图4, 图5可知方案二的起、止断面F60变异系数增幅趋势与方案一相似, 下文将用具体数值对两方案的轨迹横向迁移效果进行描述。

计算两方案变异系数的增幅, 如表2所示。

由表2可知, 四个断面变异系数增幅均在逐渐减小, 2016年1月30日, 变异系数增幅都在7%以内, 表明变异系数增长速度逐渐减小, 最后趋于稳定。由增幅数值可以看出, 横向干预措施实施后变异系数增长速率基本大于未实施的断面 (从总过程变异系数的增幅也可得出该结论) , 说明横向干预措施可以延缓路面变异系数的增长;而变异系数表征的是路面轮迹分布的集中程度, 轮迹分布越集中, 轮迹横向分布系数越大, 其断面的变异系数越大, 这就说明了横向干预措施使轮迹分布相对均匀了, 即横向干预措施能够使轮迹产生迁移。

将方案一与方案二的变异系数增幅进行对比。方案一未实施横向干预断面变异系数增幅为245.97%, 实施断面增幅为153.41%, 实施断面相对于未实施断面减小的百分比为60.33%;方案二未实施横向干预断面的变异系数增幅为67.06%, 实施断面增幅为62.30%, 实施断面相对于未实施断面减小的百分比为7.64%。也就是说方案一相对于方案二有更加明显的减小变异系数增长的作用。故方案二在试验期 (2015.7~2016.1) 路面轮迹横向分布得更加均匀, 车辆轮迹迁移效果更明显。

5 结语

近年来中国高速公路建设形式如火如荼, 年通车里程屡创新高。但高速公路早期损害比较严重也是不争的事实, 特别是高速公路的抗滑性能在通车后下降幅度非常大。若单靠预防性养护维持路面抗滑性能需要大量的养护资金。本文研究的车辆轨迹横向干预措施是一个物美价廉的方案, 对其研究后得出的结论如下:

1) 由路面标准速度摩阻数F60变异系数的变化规律可知, F60变异系数增幅越大, 轮迹越集中, 反之轮迹分布越均匀;由计算结果可知, 实施后F60变异系数的增幅仅为未实施的62.4% (方案一) , 92.9% (方案二) , 横向干预后路面轮迹相对于未干预的路面分布更均匀了, 由此说明横向干预措施能使轮迹横向迁移。2) 本次横向干预研究选择有两种标线方案, 分别为方案一 (迁移距离0.3 m) , 方案二 (迁移距离为0.5 m) 。通过对这两种方案的F60变异系数变化情况对比分析得到结论, 方案二实施断面相对于未实施断面C.V值减小的百分比小于方案一, 故方案一相对于方案二有更加明显的减小变异系数增长的作用, 方案一试验断面的轮迹分布更加均匀, 其横向迁移轮迹的效果更好。

摘要：选取韶赣高速大塘至丹霞段为研究实体, 分析了横向干预措施实施前后标准速度摩阻数F60的变异系数, 结果表明:采用车辆轨迹横向干预措施能使轮迹产生横向迁移, 轮迹沿车道断面分布更加均匀, 增加路面使用效率, 让更多比例的路面参与路面抗滑。

关键词：道路工程,横向干预,轮迹分布,迁移距离

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车道变换期望运行轨迹仿真篇6

关键词：车道变换,期望运行轨迹,β样条曲线,反求算法,曲率

随着交通微观仿真研究的逐渐深入,车道变换微观模型已成为国内外学者的研究热点。车道变换期望运行轨迹作为微观模型中不可或缺的重要组成部分,决定了在车道变换的实施过程中车辆能否安全、顺畅、快速的运行。同时车道变换期望运行轨迹研究对提高道路通行能力,减少车辆延误和拥挤也有着重要的意义。

国内外学者在车道变换期望运行轨迹上开展了不同程度的研究[1,2,3,4,5],重点在数据的获取和轨迹曲线拟合两方面。在数据获取方面,应用近景摄影测量原理,通过线性变换可以得到地面坐标,该方法操作简便,获取的数据精度较高;在曲线拟合方面,多项式等简化模型忽略了车辆运行时的曲率变化,导致轨迹曲率产生突变与实际情况不符。因此,本文引入β样条曲线来建立一个曲率连续的期望运行轨迹模型。

1 车道变换过程分析

van Winsum[6]根据转向盘转角的变化将车道变换划分为3个阶段:从驾驶员转动转向盘开始到达转动最大角度时为第一阶段,从转动最大角度到转角为零为第二阶段,转角为零到转角负向最大为第三阶段。杨建国等[7]修正了传统的2段式和3段式换道模型,将换道过程分为扭角、靠拢、收角、调整等4个阶段。在建模过程中引入前轮转向角、扭角持续时间和靠拢航向角。

根据车道变换期望运行轨迹的特点,在变道过程中,车辆的轨迹曲线是连续的,不存在任何拐点。本文假设车辆运行时曲率的变化规律成线性。初始条件下车辆以速度v行驶同时伴随着加速度为零,此时车辆处于直线行驶的末端,因此该处的曲率为零。

整个车道变换过程可以看成是2个完全相反的驾驶员操作过程。如图1所示。第一阶段为从变道初始点到曲率最大值点;第二阶段从曲率最大值点到车道分界线,这里将车辆看作是具有车头转角的质点;第三阶段为车辆从车道分界线(曲率为零)到曲率最大值点;第四阶段为从曲率最大值点到变道行为完成终点。

车辆在终点处具有同初始位置相同的行驶特性,只是在平面位置上发生了改变。因此整个车道变换期望运行轨迹可以看成是4段β样条曲线连接而成。

2 车道变换期望运行轨迹模型建立

2.1 β样条曲线方程

β样条曲线受一组点控制,这些点称为控制点[v0,v1,…,vm],控制点组成控制多边形。β样条曲线就是以曲线的形式模拟控制多边形。β样条的控制多边形可以产生m-2段曲线Qi(u)(i=1,2,...,m-2),第i段曲线有4个控制点vi+r,r=-1, 0, 1, 2;曲线上每一点都是这些控制点的加权值。如图2所示。7个控制点组成的控制多边形可以产生4段β样条曲线。β样条曲线的表达式为[8]:

$\begin{array}{l} Q_{i} (u) = \sum_{r = - 1}^{2} b_{r} (β_{1}, β_{2}, u) v_{i + r} 0 \leq u \leq 1, \\ i = 1, 2, 3, \dots, m - 2 (1) 且取 β_{1} ＞ 0 ‚ β_{2} \geq 0 。 \end{array}$

2.2 约束条件

由于β样条曲线具有分段处理的优点,各段仅由相邻的4个控制点确定,因此,变动特性多边形的某个顶点,只会影响与该顶点有关的相邻4段曲线,其他地方的曲线不会引起变化。同时β样条曲线不移动控制顶点而只改变形状参量β1和β2的值,就能达到修改曲线的目的。该性质说明β样条曲线更灵活,应用更广泛。应用β样条曲线产生期望运行轨迹有如下约束条件。

2.2.1 车辆转角约束

如图3所示,由转向中心O到外转向轮与地面接触的距离R称为汽车的转弯半径。转弯半径越小,则汽车转向所需的场地越小,其机动性越好。当前外转向轮偏角达到最大值φmax时,转弯半径R有最小值。在图示理想情况下,最小转弯半径Rmin与φmax的关系:

为了研究方便,对于α角和β角的差异忽略不计,统一看成是一个角。文献[9]提出了车辆模型中最大的前轮转向角为25.9°,并根据不同车型的轴距来计算车辆的最小转弯半径。通过计算得出小型机动车最小转弯半径为5～10 m,即最大曲率值为(0.1～0.2) m-1。

在车辆的实际运行中,曲率半径的变化是连续的。因此在轨迹曲线中曲率的变化也应该是连续的。因此要求β样条曲线函数具有二阶连续可导的性质。所以有Qi+1″(0)=Qi″(1),Qi+1′(0)=Qi′(1),⇒β1=1,β2=0。

2.2.2 车辆驾驶行为约束

由车辆运行特性可知,在轨迹的起终点处曲率为零。曲率的计算公式如下: $κ = \frac{| Q^{˝} |}{(1 + Q^{´ 2})^{3 / 2}} (3)$ 因此,由曲率κ=0可以推出曲线的二阶导数为零,即Q1″(0)=Qn″(1)=0。所以得出边界条件为:

${\begin{cases} 2 β_{1}^{3} v_{0} - (2 β_{1}^{3} + 2 β_{1}^{2} + β_{2}) v_{1} + (2 β_{1}^{2} + β_{2}) v_{2} = 0 \\ (2 β_{1} + β_{2}) v_{n} - (2 β_{1} + β_{2} + 2) v_{n + 1} + 2 v_{n + 2} = 0 \end{cases} (4)$

2.2.3 车辆转角变化率约束

根据图1所示假设曲率变化呈线性,则有: $\frac{d κ}{d s} = \frac{κ_{\max}}{λ} (5)$ 式中:λ为曲率达到最大时,车辆的纵行位移。因为有v=ds/dt,所以沿着样条曲线曲率变化规律为 $\dot{κ} = \frac{d κ}{d t} = \frac{d κ}{d s} \cdot \frac{d s}{d t} = \frac{κ_{\max}}{λ} \cdot v (6)$ 由车辆转弯特性有 $κ = \frac{1}{R} = \frac{t a n φ}{l}$ ,式中:

φ为前轮转角。 $\dot{κ} = \frac{1 + \tan^{2} φ}{l} \dot{φ} (7)$ 式中: $\dot{φ}$ 为车轮的最大角加速度。每一个角度φ都会对应一个最大的曲率变化率 $\dot{κ}$ max。因此,有如下关系: $\dot{κ}_{\max} = \frac{1 + \tan^{2} φ}{l} \dot{φ}_{\max} \geq \frac{\dot{φ}_{\max}}{l} (8)$ 所以车辆沿着β样条曲线行驶就要满足曲率的变化速率 $| \dot{κ} | \leq | \dot{φ} / l |$ ,进而有

$v \leq λ \cdot \dot{φ}_{m a x} / (l \cdot κ_{m a x})$ 。

式中:λ为车辆沿着曲线运行,曲率从0变化到最大在x方向上前进的距离。又因为在极限状态下,当κ达到最大值时即立刻减小,此时近似有λmax=L/k,k值由实验观测得出,取值范围为(3.5 , 5.3)。综上,λ的实际取值为, $v \cdot l \cdot κ_{m a x} / \dot{φ}_{m a x} \leq λ \leq L / k$ ,所以也就得出车速和车道变换距离的关系: $L \geq \frac{k \cdot v \cdot l \cdot κ_{\max}}{\dot{φ}_{\max}} (9)$

2.3 轨迹求解

本文假设曲率变化呈线性,曲率达到最大值后立即减小,并且忽略了曲率为零的阶段,只作为瞬时值考虑。将车道变换过程分为4个阶段,每个阶段对应一段样条曲线,故车道变换期望运行轨迹由4段样条曲线构成。由样条曲线的基本特性可知,4段样条曲线将产生5个结点和7个控制点。求解过程分为2步:①结合边界条件和结点方程建立方程组求解控制点的坐标;②基于车道变换的特性选取合理的β1、β2值,代入公式求出轨迹曲线。给定4段曲线构成5个结点分别为P0、P1、P2、P3、P4。其中:P0(0, 0)、P4(L, N)为起终点;P2(L/2,N/2)为车辆与车道分界线交点,P1(λ,γ)、P3(L-λ,N-γ)为曲率最大值点,由大量观测数据得知γ的取值范围为(N/8,N/4);L为车道变换长度;N为车道宽度。

选取合适的轨迹参数L、N、λ、γ,通过编写Matlab程序得到控制多边形,如图4所示,进而得到车道变换期望运行轨迹曲线,如图5所示,此时取β1=1,β2=0。图4所示为7个控制点组成的控制多边形。图5为基于β样条曲线的车道变换期望运行轨迹,从图中可以看出轨迹曲线平滑、连续、无拐点。

3 算例

选取具有典型车道变换行为的视频文件作为检验轨迹曲线的原始数据。通过课题组自主开发的VTC系统,能够从视频文件中提取车辆进行车道变换时的地面轨迹坐标。

在实际观测中,车道变换有左侧变道和右侧变道之分。在程序中,N>0为向左侧变道,N<0为向右侧变道。根据所选择的典型车道变换型式,这里取N=-3.25 m。最后轨迹拟合效果如图6所示,可见β样条曲线可以很好的逼近实际车道变换运行轨迹。

通过SPSS统计分析软件,应用单样本t检验对误差进行分析。其目的就是利用来自总体的样本数据,推断该总体的均值是否与既定的检验值之间存在显著差异,即验证误差 $\bar{e} = 0$ 的均值。首先提出零假设H0为:误差均值与检验值不存在显著差异,表述为u=u0=0。选择显著性置信水平α=0.05,软件统计分析如表1所列。

该问题采用双尾检验,因此比较α/2和p/2,也就是比较α和p。观察表1,由于p=0.971,α=0.05,且误差均值仅为0.1%。因此不应拒绝零假设,认为误差均值与0没有显著差异。95%的置信区间说明:有95%的把握认为误差均值落在-0.032～0.031之间。0值包含在置信区间内,也证实了上述推断。

4 结语

本文将β样条曲线引入到车道变换期望运行轨迹中,通过理论与误差分析,验证了模型的可行性和合理性。曲线衔接平滑没有拐点,该方法求出的轨迹曲线更好的符合实际情况,且β样条曲线方程均可化为矩阵型式,方便求解。

本文考虑驾驶员在不受其他车辆和道路环境干扰条件下,车辆自由行驶时的车道变换期望运行轨迹。通过结点反求控制点,得到控制多边形,进而求出期望运行轨迹曲线。在车辆实际运行中,可以依据不同的情况,如根据碰撞点、阻碍点的限制,先定出控制多边形,进而求出符合实际交通运行条件的轨迹曲线。该曲线灵活多变,可以适用于不同的交通状况。

但是,本文建立的车道变换期望运行轨迹还存在以下的问题:

1) 本文所研究的期望运行轨迹曲线适用于车辆在高速状态下行驶时的变道行为。

2) 车辆在曲线上运行时,速度应该是一个变化的量,但是本文中采取的是常量。模型构建过程中车速变化对结果影响较大,这一方面有待于进一步探讨。

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车辆运行轨迹篇7

1 开放性的社会背景和思维方式带给高教事业改革的胆略和见识

改革是社会主义的自我完善和发展, 是经济和社会发展的强大动力。改革的根本目的, 就是要在各个方面形成与社会主义初级阶段相适应的比较成形, 比较定形的制度。这种对改革的性质和作用的认识在当今我国社会已得到了普遍的认同。如果将这种认识与我国高教事业的改革发展联系在一起, 当然也是一致的。回顾我国高教事业发展的进程, 可以清晰的看到其运行轨迹是一部在改革中发展进步的历史, 而能够实施改革, 通过改革能够以更与时俱进的战略决策来推动高教事业不断迈上新的发展台阶的一个重要因素是由开放性的社会背景和思维方式带来的敢于改革的胆略和善于改革的见识。

在我国高教事业的发展史上, 1985年《中共中央关于教育体制改革的决定》的颁布和1992年第四次全国高等教育工作会议精神的贯彻, 引领着我国高教事业进入“大改革、大发展、大提高”的阶段。这一阶段改革的实施与改革成果的取得即依赖于开放的社会背景和思维方式。

建国后的的一段时间内, 我国高等教育在高度计划经济体制下运行, 形成了一系列适应高度计划经济体制的理念和机制, 其特点为“一包二统”, 即一切都由国家包下来, 一切都由政府统起来, 如只有公办大学这样一种, 学校办学和学生上学都由国家包下来, 学生毕业后统一分配, 就业全由国家包下来, 全国的大学的管理都由各级教育行政部门统起来, 经费由国家包下来, 学校没有办学自主权等等。在我国进行改革开放、逐步建立社会主义市场经济体制之后, 这样的教育体制和机制明显不适应新的形势, 所以必须进行一次适应社会主义市场经济运行需要的大改革。在这样的背景下, 党和国家以体制改革作为高教事业改革的关键问题, 在跨世纪的年代里对我国高教事业进行了一场大改革。

其一, 进行办学体制改革, 使得我国民办高等教育有了很大发展。其二, 进行管理体制改革, 对国务院所属的大学进行调整, 一部分划转为教育部部属院校, 大部分划转给各省、自治区、直辖市实行共建, 以地方管理为主, 从而使这些学校由过去的为行业服务变为为社会服务、为区域经济服务。其三, 经费筹措体制改革, 实行了“财、税、费、产、社、基”等多种渠道筹措资金的做法。其四是招生就业体制改革, 改革了过去统一分配的体制, 实现了政府、学校推荐, 学生和用人单位双向选择的目标模式。其五是学校内部管理体制改革和后勤社会化改革。特别是其中“211工程”和“985工程”的创设和实施, 显示着我国建国以来由国家立项在高等教育领域进行的规模最大、层次最高的重点建设工作的开辟, 是我国在跨世纪过程中做出的和取得的发展高等教育的重大决策与成就。

五大体制改革使得我国高等教育事业迈入了适应社会主义市场经济体制运行需要, 与时俱进的实行高教事业管理的新时期, 昭示着我国高教事业改革是在国家实施改革开放的时代背景下引发, 在敢于创新、善于创新的思维方式下探索出新路径、谋求到新发展的道理。

2 从人口大国向人力资源大国的转变带给高教事业改革发展的近期目标

进入新世纪以来, 我国着力加快教育改革和发展, 农村教育得到加强, 职业教育快速发展, 高等教育进入大众化阶段, 教师队伍素质明显提高。教育事业发展为我国经济发展、社会进步、民生改善作出了不可替代的重大贡献。在新世纪第一个10年向第二个10年迈进的新起点上, 实现从教育大国迈向教育强国, 从人力资源大国迈向人力资源强国, 是大力发展教育事业的必然要求, 更是发展高教事业的必然要求, 因为我国高校位于学校育人的最高层次, 是我国高知识人才从学校教育向社会推介的出口。

将我国建设成为人力资源大国的发展目标, 带来我国高教事业新一轮的改革机遇。改革的核心任务集中于高校应该培养什么样的人和怎样培养人的问题上, 在进入新世纪的十余年来我国的理论界、教育界一直进行着广泛而激烈的探讨。2008年3月, 全国两会刚刚闭幕, 胡锦涛总书记、温家宝总理分别作出重要指示:要在深入调查的基础上研究制订中长期教育规划纲要, 把研究制订中长期教育规划纲要作为新一届政府必须着力做好的一件大事。胡锦涛总书记对制订教育规划纲要、推进教育改革和发展的重大意义作出重要阐述, 强调全党全国要积极行动起来, 坚持育人为本, 以改革创新为动力, 以促进公平为重点, 以提高质量为核心, 推动教育事业在新的历史起点上科学发展, 加快从教育大国向教育强国、从人力资源大国向人力资源强国迈进, 为中华民族伟大复兴和人类文明进步作出更大贡献。

经过近两年的调查论证, 今年4月和5月, 国家科教领导小组会议和国务院常务会议、中央政治局常委会和中央政治局会议相继召开, 审议并通过了《国家中长期教育改革和发展规划纲要》 (2010-2020年) 。《纲要》鲜明的提出, 坚持以人为本、全面实施素质教育是教育改革发展的战略主题;“优先发展, 育人为本, 改革创新, 促进公平, 提高质量”是教育工作的方针;到2020年基本实现教育现代化、基本形成学习型社会、进入人力资源强国行列的战略目标。

3 坚持以人为本、推进素质教育带给高教事业改革中教学管理实践的不尽求索

应该说, 我国从来没有像现在这样重视教学改革, 把教学改革当作核心;教学改革是核心的理念, 又激励和推动着教学改革的进行。我们曾经把教学改革存在的问题归纳为四个投入不足, 即经费投入不足、领导精力投人不足、教师精力投入不足、学生对学习的精力投入不足;把教学中存在的弊端归纳为专业设置过窄、教学内容偏旧、教学方法偏死、教学模式单一、外语水平偏低、人文教育薄弱, 并且围绕着这些问题进行了不断地探索。应该说, 这一系列的改革均取得了许多阶段性的成果。教育部还多次召开会议, 多次下发文件, 特别是2007年教育部和财政部联合下发的《教育部财政部关于实施高等学校本科教学质量与教学改革工程的意见》等文件, 都在不断地推动教学改革的深入。另如面向21世纪教学内容和课程体系改革, 专业目录的几次调整、拓宽, 知识、能力、素质三要素的提出, 推动素质教育、特别是文化素质教育久盛不衰, 精品课程、精品教材的建设等等, 都取得了十分可喜的成绩。

在坚持以人为本、推进素质教育的视野下, 来审理高校教学管理, 应该获得这样一些认知:其一, 以人才培养为中心, 落实以人为本。高校管理中的人包括教师和学生两部分。高校为社会服务的功能主要是通过培养大量高素质的人才来实现的。教师是学校的主体, 培养人才的关键取决于教师。学生既是高效管理的主要对象, 也在一定程度上参与学校的管理活动。对学生的培养, 必须以思想道德素质、文化素质、业务素质、身体心理素质的全面教育、全面发展为内容, 缺一不可。必须为教师创造一个良好的生活和工作环境, 让教师能够潜心做学问、专注于育人。在教学和科研方面, 建立一套规范而公正的制度来鼓励教师多出成果、出好成果。坚持以人为本, 既要充分发挥骨干教师重点学科的示范作用, 也要针对不同的学科特色和年龄层次、不同的学术背景和学术能力制定出一个妥当的改革方案, 给天才以空间、给中才以规矩、给庸才以压力。其二, 应该建立一个科学的人才评价体系。高校管理部门和教师应该时刻关注学生的学习和生活动态, 既要注意因材施教, 鼓励学生张扬个性, 发掘学生潜能, 也要关心学生的生活状态和心智成长, 培养学生健康的心理能力, 组织学生参加一些积极的集体活动, 培养学生宽容和友爱精神, 培养学生自尊和自立的意志。

不可否认, 我国高校在坚持以人为本、推进素质教育方面已经取得了可喜的研究成果, 但现有的科研成果显然还不足于满足于我国高校教育教学实践的应用, 还必须在《国家中长期教育改革和发展规划纲要》 (2010-2020年) 精神指引下, 组织专门调研力量和发动高教战线的专家学者、第一线的教职工作作更为广泛的探索。

摘要：从三方面简要论述一下以改革求发展的我国高教事业运行轨迹

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