CN103065500A - 公路并道辅助和控制 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及公路并道辅助和控制。车辆并道控制系统包括用于与至少一个远程车辆内的远程通信系统交换车辆位置和运动学数据的在主车辆内的主通信系统。车辆主处理器确定所述至少一个远程车辆和所述主车辆的相应位置和行驶路线。所述主处理器基于并道机动动作期间所述主车辆和远程车辆间的位置和预测行驶路线来确定交会时间。主车辆被设置成从所述主通信系统向所述远程通信系统发送主车辆意图消息以便在所述主车辆和所述至少一个远程车辆之间协商并道位置。所述主车辆通过使用经协商的并道位置来执行所述并道机动动作。
Description
技术领域
实施例大体涉及车辆通信和交通并道行为。
背景技术
并道机动动作包括在分开的车道内行驶的至少一个车辆，其中所述车辆必须并入单个行驶车道内。通过每个车辆的驾驶员来暗含地实现该并道机动动作，其中驾驶员各自决定他们应该在另一车辆前方还是后方并道。也就是说，每个驾驶员不与其他驾驶员通信并且必须基于他们对两个车辆间的相对位置和速度的观察来决定应该进行什么并道位置。并道车辆可加速以便在道路上的车辆前方并入，或者减速以便在道路上的车辆后方并入。替代性地，道路上的车辆可以加速或减速以便适应该并入车辆。此外，在道路上行驶的车辆可改变车道以便适应该并入车辆。
通常，驾驶员会选择执行与另一车辆相同的动作，导致两个车辆同时加速或两个车辆同时减速，从而导致所述车辆之一在意识到两个车辆均试图进行同样的加速或减速动作之后制动。因此，当驾驶员之一显而易见到两个驾驶员具有相同意图（例如在另一车辆前方并入）时所述车辆之一会制动以避免碰撞。速度的改变（例如制动）会导致尾随该制动车辆的车辆的一系列制动事件，这最终会导致交通堵塞或碰撞。
发明内容
实施例的优点在于车辆向有车道路上的配合并道。主车辆与远程车辆通信从而交换位置和运动学数据以便基于它们的估计行驶路线来确定车辆是否将在并道地点交会。基于位置和运动学数据，主车辆将并道意图消息发送给远程车辆以便协商并道位置。在接受经协商的并道位置时，主车辆将执行经协商的并道机动动作以便使得车辆并道。优点在于，两个车辆均会知道经协商的并道位置，这允许在道路上的并道车辆的配合并道，这会减少任一车辆必须以大速率减速来适应并道事件的可能性。这还减少了在公路并道情况下潜在的车辆碰撞的可能性。
实施例提出了一种车辆并道控制系统，其包括在主车辆中的主通信系统，用于与至少一个远程车辆中的远程通信系统交换车辆位置和运动学数据。车辆主处理器确定所述至少一辆远程车辆和所述主车辆的相应位置和行驶路线。在并道机动动作期间，主处理器基于主车辆和远程车辆之间的位置和预测行驶路线来确定交会时间。主车辆被设置成将主车辆意图消息从主通信系统发送到远程通信系统以便在该主车辆和该至少一个远程车辆之间协商并道位置。该主车辆使用经协商的并道位置来执行并道机动动作。
本发明还提供了以下技术方案。
方案1. 一种车辆并道控制系统，包括：
主车辆内的主通信系统，用于与至少一个远程车辆内的远程通信系统交换车辆位置和运动学数据；以及
车辆主处理器，用于确定所述至少一个远程车辆和所述主车辆的相应位置和行驶路线，所述主处理器基于并道机动动作期间所述主车辆和远程车辆间的位置和预测行驶路线来确定交会时间；
其中主车辆被设置成从所述主通信系统向所述远程通信系统发送主车辆意图消息以便在所述主车辆和所述至少一个远程车辆之间协商并道位置，并且其中所述主车辆使用经协商的并道位置来执行所述并道机动动作。
方案2. 根据方案1所述的车辆并道控制系统，还包括在所述主车辆内的并道报警指示器，用于警告驾驶员与所述至少一个远程车辆的即将到来的并道事件，并且其中所述驾驶员手动地产生所述经协商的并道位置。
方案3. 根据方案2所述的车辆并道控制系统，其中所述驾驶员手动地产生所述经协商的并道位置包括所述驾驶员在所述主车辆意图消息中传递在所述远程车辆后方并入的驾驶员需求。
方案4. 根据方案2所述的车辆并道控制系统，其中所述驾驶员手动地产生所述经协商的并道位置包括所述驾驶员在所述主车辆意图消息中传递在所述远程车辆前方并入的驾驶员需求。
方案5. 根据方案2所述的车辆并道控制系统，其中响应所述远程车辆对所述并道位置的接受，所述驾驶员使用所述经协商的并道位置来执行所述并道机动动作。
方案6. 根据方案1所述的车辆并道控制系统，其中所述主处理器基于所述主车辆和所述至少一个远程车辆的位置和行驶路线来自动确定理想并道位置。
方案7. 根据方案6所述的车辆并道控制系统，其中所述主车辆和所述远程车辆之间的所述交会时间基于所述主车辆和所述远程车辆是否将在相应时间窗内碰撞而定，其中所述预测碰撞时间窗由下述公式表示：
其中TTI是相应车辆的运动路线交会时间，Td是基于估计车辆动力学、车辆定位、交通和环境条件的不确定性而产生的所述交会时间的估计变化。
方案8. 根据方案6所述的车辆并道控制系统，其中所述主车辆的并道位置基于对预测并道地点处的到达时间的确定而定。
方案9. 根据方案8所述的车辆并道控制系统，其中所述处理器基于所述主车辆相对于所述远程车辆首先到达所述预测并道地点来确定所述主车辆将在所述远程车辆前方并入。
方案10. 根据方案8所述的车辆并道控制系统，其中所述处理器基于所述主车辆相对于所述远程车辆后到达所述预测并道地点来确定所述主车辆将在所述远程车辆后方并入。
方案11. 根据方案8所述的车辆并道控制系统，其中所述处理器基于其他远程车辆相对于处于所述预测并道地点的主车辆和远程车辆的预测位置来确定主车辆并道位置。
方案12. 根据方案2所述的车辆并道控制系统，其中所述主车辆自主改变速度以便执行所述并道机动动作。
方案13. 根据方案2所述的车辆并道控制系统，其中所述主车辆自主改变车道以便执行所述并道机动动作。
方案14. 根据方案1所述的车辆并道控制系统，其中所述主通信系统与所述远程通信系统交换路线历史和计划行驶路线数据，其中所述路线历史和计划行驶路线数据被所述主处理器利用来确定所述并道机动动作期间的交会时间。
方案15. 根据方案14所述的车辆并道控制系统，其中所述主处理器确定所述主车辆是否处于并道开始。
方案16. 根据方案15所述的车辆并道控制系统，其中所述主处理器利用所述主车辆和远程车辆的所述路线历史和计划行驶路线来确定所述主车辆是否处于并道开始。
方案17. 根据方案15所述的车辆并道控制系统，其中所述主处理器利用所述主车辆和远程车辆之间的距离数据和距离改变率数据来确定所述主车辆是否处于并道开始。
方案18. 根据方案15所述的车辆并道控制系统，其中所述主处理器利用所述主车辆和远程车辆之间的航线改变来确定所述主车辆是否处于并道开始。
方案19. 根据方案15所述的车辆并道控制系统，其中所述主处理器利用导航地图来确定所述主车辆是否处于并道开始。
方案20. 根据方案1所述的车辆并道控制系统，所述主通信系统是车辆-车辆通信系统的一部分。
方案21. 根据方案1所述的车辆并道控制系统，其中所述主通信系统是基础设施-车辆通信系统的一部分。
方案22. 根据方案1所述的车辆并道控制系统，其中所述主通信系统是车辆-车辆通信系统和基础设施-车辆通信系统的组合。
附图说明
图1是示出多个并道地点的路面设施。
图2是用于主车辆的车辆并道控制系统的框图。
图3是与进入车道合并的道路的分解图。
图4是用于配合地执行并道机动动作的方法的流程图。
图5是用于确定并入车道的位置的几何示意图。
具体实施方式
图1示出了路面设施10，其包括多个并道地点，例如高速路交叉互通结构。高速路交叉互通结构包括多个进入匝道和离开匝道，车辆在其中进入和离开道路。多个车辆被示出，其中在进入匝道上行驶的车辆并入到第二车辆所行驶的道路上。在进入匝道上行驶的车辆能够或者在另一车辆后方并入、在另一车辆前方并入，或者在该道路上的车辆如果可能的话能够运动到相邻车道上以便允许并入车辆进入该道路。
为了配合地执行并道机动动作，主车辆12和远程车辆14经由通信系统彼此通信。通信系统可以包括：V2X通信系统，其也被称为车辆-车辆（V2V）通信系统；基础设施-车辆（I2V）通信系统；以及车辆-基础设施（V2I）通信系统。在V2I或I2V通信系统中，消息被直接广播给其他车辆。在V2I或I2V通信系统中，在车辆和实体之间广播消息。通过固定的基础设施或实体，而不是通过车辆，将消息间接地广播给其他车辆。
在车辆间传递的数据可以包括但不限于位置数据、运动学数据、路线历史数据、计划行驶路线数据、距离数据、距离改变率数据、航线数据以及导航数据。在车辆间广播数据以便确定车辆将何时进入并道区。
图2示出用于主车辆的车辆并道控制系统的框图。车辆并道控制系统20包括主通信系统22、处理单元24和至少一个人机界面装置（HMI）26。
主通信系统22与远程通信系统27交换消息。车辆位置、车辆的运动学路线历史、计划路线、并道意图、交接数据和如前所述的其它参数可以作为在车辆间周期性广播的信标消息的一部分被传递。
主车辆12可以利用全球定位系统（GPS）装置28来确定和保持主车辆12的位置和运动学数据。在主车辆12上也可以利用车载传感器30来检测沿行驶路途的远程车辆、物体和路标的存在性。当GPS可用性受限时车载传感器还可以被用于确定车辆地点并且改进车辆定位准确性。
处理单元24经由主通信系统22接收远程车辆的参数数据并且与主车辆参数数据配合地利用所述数据以便检测即将到来的并道事件。所利用的主车辆参数数据包括但不限于来自GPS装置28、车载传感器30、导航装置32、数字地图34、车外服务商（例如OnStar®）36和其他车辆模块38的数据。
处理单元24可以以并道辅助模式或并道控制模式来工作。在并道辅助模式下，处理单元24识别即将到来的并道地点、确定并道事件是否可能发生以及通知主车辆的驾驶员该即将到来的并道事件。能够利用HMI 26来启动对驾驶员的通知。处理单元24将协调驾驶员的并道意图与远程车辆14的协商以便能够通过主车辆12的驾驶员来执行经协调的并道机动动作。主车辆通信系统22可以用于发送驾驶员的并道意图。替代性地，主车辆通信系统可以包括多于一个的通信信道来传递驾驶员的并道意图和接收远程车辆对驾驶员的并道意图的接受。这允许消息在需要时根据要求被发送，这与V2X消息传递不同，V2X消息传递周期性地发送包含参数数据的信标消息。处理单元24将协调来自远程车辆的响应并且告知驾驶员经协商的并道位置是否被接受。来自远程车辆的通信可以经由HMI 26或能够与主车辆12的驾驶员通信的任意其他装置被输出给驾驶员。
在并道控制模式下，处理单元24识别即将到来的并道地点、确定并道事件是否可能发生并且之后在没有驾驶员干预的情况下自主地协调经协商的并道机动动作。处理单元24连续地与远程车辆14交换参数数据并且利用上述车载装置来连续地确定两车辆的计划路线和交会时间（time-to-intersect）。基于位置和车辆动力学，处理单元24确定并道位置并且经由上述通信系统自主地与远程车辆14协商该并道位置。一旦处理单元24接收到对经协商的并道位置的接受，处理单元24就将控制车辆来执行并道机动动作。并道机动动作可以包括加速主车辆12以便在远程车辆14前方并入、减速主车辆12以便在远程车辆14后方并入、保持相同速度以便允许远程车辆14执行并道机动动作或者改变车道以便允许远程车辆14并入到道路40上。
处理单元24可以是控制单元，其控制动力系或转向控制来完成并道机动动作。替代性地，处理单元24可以与主车辆12中的其他现有模块配合操作来执行并道机动动作。
应该理解的是，远程车辆可以包含与主车辆相同的架构来通信和执行并道机动动作。
图3示出了与进入车道42合并的道路40以描述并道机动动作的分解图。主车辆12和远程车辆14被显示为进入并道区44，这是道路40和进入车道42的交会点。与主车辆12和远程车辆14有关的各种位置、距离和速度参数被用于产生在交会点46处的交会时间（TTI）。应该理解，主车辆12和远程车辆14二者均可以发送和接收位置、航向和运动学数据并且确定参数，如将在这里所讨论的。
连续地估计车辆间的距离RHR。距离RHR代表在每辆车辆沿其相应路面行驶直到车辆到达并道区44时在主车辆12和远程车辆14之间的直线距离。
主车辆的航向hH被不断地更新并且远程车辆的航向hR被不断更新。在48处大体示出的瞬时航向差dHHR被更新。主车辆12的路线历史50和远程车辆14的路线历史52被保持并与距离和航向信息配合使用来确定主车辆12的预测前行路线几何图形54以及远程车辆14的预测前行路线几何图形56。可以通过数字地图和/或车载车辆传感器来确定两个相应车辆的预测前行路线几何图形。可以通过GPS和/或车载传感器或地图来确定两个相应车辆的路线历史。
TTI基于给定情况下时间(j)处的运动路线（其被确定作为车辆运动路线之间的距离的函数）以及时间(j)处的速度而定，并且由下述公式确定：
其中Sj是在时间(j)处在当前车辆位置和交会地点46之间沿运动路线的距离，并且vj是时间(j)处的车辆速度。
预测碰撞时间窗（PCTW）可以作为TTI的函数被确定。PCTW由下述公式表示：
其中TTI是相应车辆的运动路线交会时间，并且Td是交会时间的估计变化，该估计变化基于估计车辆动力学、车辆定位、交通和环境条件（例如雨、雪和路面条件）的不确定性而定。围绕主车辆12和远程车辆14相应地构造假想安全包络57和58。安全包络可以是任意形状，例如椭圆、矩形、圆形等。车辆几何中心和安全包络中心可以不必是重合的。安全包络提供由于车辆定位误差和其他测量误差所导致的安全裕度。通过主车辆和远程车辆之间的最大安全包络长度来估计Td。安全包络的尺寸取决于但不限于定位准确度、车辆动力学、交通和环境条件。Td可以表示为最大长度(SEj,SEj)/2。
在确定PCTW表示出两辆车辆将在同一时间处于并道区44内之后，在主车辆12和远程车辆14之间交换消息以便协商每辆车辆的并道位置。
图4是用于协商主车辆和远程车辆之间的并道位置的方法的流程图。在步骤60，经由V2X通信系统在车辆间交换数据以便确定车辆是否处于并道开始。在这里，并道开始被定义为从主车辆预测到在并道地点未来路线与远程车辆的交会的时间到主车辆与远程车辆协商并道地点处的通行权（right-of-way）并且完成并道机动动作的时间之间的任意时间。数据包括但不限于位置数据、运动学数据、路线历史数据和预测路线数据。
在步骤61，识别即将到来的并道地点，例如即将到来的公路入口。即将到来的公路入口例如可以从例如地图数据获得。
在步骤62，基于GPS和车载装置来计算距进入匝道的距离和进入匝道的地点。替代性地，可以基于来自远程车辆的V2X信息来计算这些参数。
在步骤63，确定主车辆是否行驶在道路上或者主车辆是否行驶在进入匝道（例如并入路面）上。也就是，主车辆将其本身识别为道路主车辆或并道主车辆。这种确定能够使用地图、车辆速度、车辆航向、与当前转向角度相关的转向角度历史、路线历史和/或前行路线几何图形来识别。
在步骤64，确定进入匝道是在车辆右侧还是左侧。这种信息可以由地图数据来确定。如果地图数据不可用，则能够从车载传感器数据或位置数据（如V2X通信中所通信的）来确定这样的信息。参考图5，示出主车辆相对于远程车辆的几何示意图以用于确定并入车道位于哪侧。主车辆12能够根据沿道路行驶的其他远程车辆相对于主车辆的位置来确定并入车道是处于主车辆右侧还是处于主车辆左侧。主车辆12首先确定其与远程车辆的位置相对性。点a代表主车辆12的位置。点b代表主车辆12的前中心。点rv1代表第一远程车辆的位置，并且点rv2代表第二远程车辆的位置。下述方程被用于确定远程车辆位于所述车辆的哪侧并且被表示为：
其中ax和ay是点a的纵坐标，其中bx和by是点b的横坐标和纵坐标，Rx和Ry代表远程车辆的地点（例如rv1或rv2）的纵向和横向位置坐标。
如果前述方程的结果是正的，则沿道路行驶的相应远程车辆正行驶在该车辆的左侧，并且因此并入车道位于该车辆的右侧。如果前述方程的结果是负的，则沿道路行驶的相应远程车辆正行驶在该车辆的右侧，并且因此并入车道位于该车辆的左侧。
再次参考图3，在步骤65，连续监测瞬时航向差dHHR以及车辆运动路线RHR之间的距离。
在步骤66，确定瞬时航向差dHHR以及车辆运动路线RHR之间的距离这二者是否正在减小。两种参数的减小表明它们的交叉路线正彼此靠近。如果确定瞬时航向差dHHR以及车辆运动路线RHR之间的距离没有正在减小，则程序返回步骤65。如果确定dHHR和RHR正在减小，则程序前进到步骤67。
在步骤67，主车辆将其本身识别为道路车辆或并道车辆并且与远程车辆连续地交换运动学、位置、路线历史和预测路线数据。
在步骤68，确定TTI和Td。
在步骤69，PCTW被确定为TTI和Td的函数。
在步骤70，确定PCTW是否处于确定的距离内。如果PCTW不处于预定距离内，从而表明不存在碰撞并且车辆能够在不需彼此确认的情况下并道，则程序前进到步骤78，在此程序结束。如果确定PCTW处于预定距离内，则程序前进到步骤71。
在步骤71，主车辆意图消息被传递给远程车辆。主车辆意图消息揭示主车辆的如下意图，即其是否试图在远程车辆前方并道、或在远程车辆后方并道、或改变车道以允许并道发生。
如果车辆并道控制系统是并道辅助系统，则车辆的驾驶员确定其试图并入位置并且通过车辆人机界面（HMI）来寄存其并道位置的意图。HMI可以包括但不限于语音命令、车内电子开关或触摸屏。通过HMI传递的驾驶员并道意图经由主车辆通信系统和远程车辆通信系统被发送给远程车辆。应该理解的是，并道意图可以经由与用于传递位置数据、运动学数据和路线历史及预测路线数据的通信系统不同的单独的通信系统（例如OnStar®）来传递。这可以被实现以便以较快速率及根据要求来发送消息，而位置和运动学数据通常以预定时间间隔作为周期性信标消息来发送。
如果车辆并道控制系统是自主控制并道的并道控制系统，则主车辆的处理器将根据并道地点处的预测到达时间（predicted
time-of-arrival）以及其他位置和运动学数据来确定理想并道位置。如前所述，可以经由与用于发送信标消息的通信信道或系统不同的通信信道或系统来实现发送并道意图的通信系统。
在步骤72，确定远程车辆是否已经接收到主车辆并道意图并且是否已经接受了该并道意图。如果已经接收到接受的话，则之后程序前进到步骤73。如果远程车辆不接受主车辆的并道意图，则系统将基于预定方案来执行经协商的并道机动动作，该预定方案例如首先到达-前方并入策略或者后来到达-后方并入策略。
在步骤73，响应接收对车辆并道意图的接受，确定是否提供手动通知或自主执行并道机动动作。如果车辆并道控制系统处于并道辅助模式，则程序前进到步骤74，在此向车辆的驾驶员提供如下通知，即远程车辆已经接受了主车辆的并道意图。所述通知能够是视觉、声音或触觉反馈的形式。这能够通过车辆的任意HMI来执行。
在步骤75，车辆的驾驶员随后利用在主车辆和远程车辆间协商所得的并道位置来执行并道机动动作。在完成并道机动动作之后，程序前进到步骤78，在此程序结束。
在步骤73，如果系统处于自主地使车辆并道的并道控制模式，则程序前进到步骤76。在步骤76，主车辆和远程车辆连续地交换、感测和跟踪彼此的速度曲线和车道定位以便协调并道机动动作。
在步骤77，主车辆的速度可以增加或降低，或者可以执行变道来完成并道机动动作。应该理解的是，远程车辆可以执行速度改变来有助于促进与主车辆的并道机动动作。
在步骤78，并道程序结束并且程序返回到步骤60以确定下一并道地点。
虽然已经具体描述了本发明的某些实施例，不过本发明所涉及的领域的技术人员将意识到如所附权利要求所限定的实践本发明的各种替代性设计和实施例。
Claims (10)
1.一种车辆并道控制系统，包括：
主车辆内的主通信系统，用于与至少一个远程车辆内的远程通信系统交换车辆位置和运动学数据；以及
车辆主处理器，用于确定所述至少一个远程车辆和所述主车辆的相应位置和行驶路线，所述主处理器基于并道机动动作期间所述主车辆和远程车辆间的位置和预测行驶路线来确定交会时间；
其中主车辆被设置成从所述主通信系统向所述远程通信系统发送主车辆意图消息以便在所述主车辆和所述至少一个远程车辆之间协商并道位置，并且其中所述主车辆使用经协商的并道位置来执行所述并道机动动作。
2.根据权利要求1所述的车辆并道控制系统，还包括在所述主车辆内的并道报警指示器，用于警告驾驶员与所述至少一个远程车辆的即将到来的并道事件，并且其中所述驾驶员手动地产生所述经协商的并道位置。
3.根据权利要求2所述的车辆并道控制系统，其中所述驾驶员手动地产生所述经协商的并道位置包括所述驾驶员在所述主车辆意图消息中传递在所述远程车辆后方并入的驾驶员需求。
4.根据权利要求2所述的车辆并道控制系统，其中所述驾驶员手动地产生所述经协商的并道位置包括所述驾驶员在所述主车辆意图消息中传递在所述远程车辆前方并入的驾驶员需求。
5.根据权利要求2所述的车辆并道控制系统，其中响应所述远程车辆对所述并道位置的接受，所述驾驶员使用所述经协商的并道位置来执行所述并道机动动作。
6.根据权利要求1所述的车辆并道控制系统，其中所述主处理器基于所述主车辆和所述至少一个远程车辆的位置和行驶路线来自动确定理想并道位置。
7.根据权利要求6所述的车辆并道控制系统，其中所述主车辆和所述远程车辆之间的所述交会时间基于所述主车辆和所述远程车辆是否将在相应时间窗内碰撞而定，其中所述预测碰撞时间窗由下述公式表示：
其中TTI是相应车辆的运动路线交会时间，Td是基于估计车辆动力学、车辆定位、交通和环境条件的不确定性而产生的所述交会时间的估计变化。
8.根据权利要求6所述的车辆并道控制系统，其中所述主车辆的并道位置基于对预测并道地点处的到达时间的确定而定。
9.根据权利要求8所述的车辆并道控制系统，其中所述处理器基于所述主车辆相对于所述远程车辆首先到达所述预测并道地点来确定所述主车辆将在所述远程车辆前方并入。
10.根据权利要求8所述的车辆并道控制系统，其中所述处理器基于所述主车辆相对于所述远程车辆后到达所述预测并道地点来确定所述主车辆将在所述远程车辆后方并入。
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