17、协作车辆博弈论车道变更策略解析

协作车辆博弈论车道变更策略解析

1. 问题提出

在公路交通场景中，存在一组由 $n$ 辆联网自动驾驶汽车（CAV）组成的车队 $V = {1, \ldots, n}$，行驶在特定车道上，车道编号 $s = {1, 2, 3}$，从最右侧到最左侧。在某一时刻 $k_0$，处于不同车道（$s_i \neq s_j$）的两辆车 $i$ 和 $j$ 要在 $N$ 步的时间范围内进行合并协商。

车辆可能出现两种操作情况：
- 横向操作 ：车队中的第 $i$ 辆车改变其横向位置（离散车道）到新状态 $s_i(k) = s_i(k_0) + 1$，而车队中其他车辆保持原位置 $s_{i^ }(k) = s_{i^ }(k_0)$，$\forall i^ \in I_{ni}$。
- 纵向操作 *：车辆 $i$ 进行操作，超越车辆 $j$ 或礼让出一个间隙，让车辆 $j$ 插入到车辆 $i$ 前方。

决策和控制系统采用分层设置，决策模块位于运动控制模块之上。决策基于动态博弈框架，考虑动态驾驶环境的当前状态信息，这些信息可通过车载传感器测量或车对车（V2V）通信设备传输获得。相互作用的车辆协商并共同决定是否以及何时改变车道，以优化联合成本/收益函数。控制问题可表述为：确定横向最优控制策略，使车辆 $i$ 和 $j$ 的联合收益/成本最大化/最小化。

2. 公路交通系统动力学

在决策空间中，考虑两个维度的动力学：纵向动力学和横向动力学。

2.1 纵向动力学

车辆 $i$ 相对于前车的间距和纵