CN104960524B

CN104960524B - 基于车车通信的多车协同换道控制系统及其方法

Info

Publication number: CN104960524B
Application number: CN201510419626.0A
Authority: CN
Inventors: 王云鹏; 王迪; 王建强; 鹿应荣; 秦洪懋; 胡满江; 徐成
Original assignee: Tsinghua University; Beihang University
Current assignee: Tsinghua University; Beihang University
Priority date: 2015-07-16
Filing date: 2015-07-16
Publication date: 2017-06-06
Anticipated expiration: 2035-07-16
Also published as: CN104960524A

Abstract

本发明是一种基于车车通信的多车协同换道控制系统及其方法，属于车辆控制领域。本系统包括感知单元、通信单元、控制单元和人机交互单元，感知单元实时采集自车信息，通信单元用于车车间信息实时交互，控制单元进行协同换道可行性判断、实时获取自车与协同车辆的期望控制量并实现对车辆的控制。本方法基于本系统，通过汇集自车、原车道前车、目标车道前车、目标车道后车的车辆信息，集中规划存在相互作用的四辆车在换道过程中的运动状态，通过四辆车的主动协同，顺利完成换道。本发明充分利用车间安全空间，有效增加了可行换道机会，保障了换道安全，改善了换道过程的驾驶舒适性，减弱了换道行为对目标车道上游车辆的消极影响。

Description

基于车车通信的多车协同换道控制系统及其方法

技术领域

本发明属于车辆控制领域，具体涉及一种在车车无线通信环境下针对车辆换道场景，通过车车信息交互融合换道车辆及其周围车辆运动信息，实现自车及其周围车辆协同换道的智能车辆控制系统及其方法。

背景技术

随着路网运行车辆数量爆发式增长，交通安全与效率问题日益严峻，其中换道行为是导致交通事故和交通拥堵的重要致因之一，尤其在城市区域，车流密度大，极易发生换道碰撞事故，甚至导致连环追尾碰撞。绝大多数换道碰撞事故是由于换道车辆(以下简称“自车”)或其周围车辆内驾驶员对其周围车辆运动状态及位置信息感知不准确并进行了错误的驾驶决策。同时，自车的换道行为，尤其是自车从当前所在车道(以下简称“原车道”)突然换道切入相邻车道(以下简称“目标车道”)，往往引起目标车道中与自车相邻的跟随车辆(以下简称“目标车道后车”)被迫减速，对目标车道后车内驾驶员舒适性产生消极影响，并导致目标车道上游车辆依次减速，在交通密度较大情况下，甚至引发交通堵塞。另一方面，自车的换道行为往往受原车道自车前方车辆(以下简称“原车道前车”)、目标车道后车、目标车道内自车前方车辆(以下简称“目标车道前车”)阻碍而无法进行。可见，换道过程中，自车及其周围车辆间存在强烈的相互作用，但车车之间信息感知不全面、不准确，车辆之间无法主动协作导致换道过程存在上述诸多问题，因此，基于全面、实时、准确的多车信息，实现换道过程中自车与周围车辆的协同动作，对提升交通安全与效率、改善换道过程驾驶员舒适性、提高换道可行性具有重要意义。

目前，在换道辅助及控制技术上，绝大多数系统依靠自车装载的自主式传感器(雷达、摄像头等)识别周围车辆运动及位置信息，存在信息感知不全面、延时高、不准确、范围有限等缺陷。在换道辅助方面，绝大多数换道辅助系统仅根据车载传感器获取的周围车辆信息，向自车提供换道预警及建议，在换道控制方面，决策过程中大都仅考虑自车的换道控制上，在控制策略设计中往往忽略了周围车辆的运动变化。车车通信技术发展迅速并已得到实际应用，车车间可实现主动的大范围信息交互，全面、精确、实时的信息感知得以实现。但是车车通信往往被弱化为一种获取更丰富信息的手段，目前在基于车车通信的换道场景中，仍少有以多车协同合作方式完成换道的研究和应用。

综上所述，现有换道辅助及控制相关技术存在的主要问题是：

(1)采用传统自主式传感器，信息感知不全面、不准确、实时性差；

(2)仅针对自车提供换道预警或控制，未充分考虑自车周围车辆运动变化及其换道行为对周围车辆的影响；

(3)车车通信未得到充分利用，在换道过程中，车车间仍相互独立，未形成有效的主动协作。

发明内容

本发明针对传统换道过程中，换道车辆与周围车辆相互独立且相互被动影响，从而导致交通安全与效率降低的问题，提供了一种基于车车通信的多车协同换道控制系统及其方法。本发明通过汇集自车、原车道前车、目标车道前车、目标车道后车运动状态和位置信息，以提高换道可行性、安全、舒适、交通效率为目标，集中规划存在相互作用的四辆车在换道过程中的运动状态，通过四辆车的主动协同，顺利完成换道。

本发明提供的基于车车通信的多车协同换道控制系统包括感知单元、通信单元、控制单元和人机交互单元。

感知单元包括车辆总线、前轮转角传感器、纵向加速度传感器、横摆传感器和高精度差分GPS。其中，高精度差分GPS天线安置于车顶，垂直方向上与车辆质心重合。感知单元用于实时获取自车信息，包括自车车速、油门开度、制动压力、前轮转角、纵向加速度、横向加速度、横摆角速度、经纬度位置以及航向角。

通信单元采用专用短程通信设备，用于车车间信息实时交互。自车通过通信单元获取协同车辆和非协同车辆的信息，并实时由自车向周围协同车辆发送期望控制指令。协同车辆和非协同车辆的信息包括车辆ID、车速、纵向加速度、经纬度位置、车长、车头及车尾距质心的距离。

控制单元包括主控器、油门/制动执行器和前轮转角执行器。主控器从感知单元获取自车信息，从通信单元获取协同车辆和非协同车辆的信息，进行协同换道可行性判断，当协同换道可行时，实时获取自车与协同车辆的期望控制量，并将协同车辆的期望控制量通过通信单元发送出去。主控器根据自车的期望控制量控制油门/制动执行器和前轮转角执行器执行实现对车辆的控制运动。自车的期望控制量为当前时刻的期望纵向加速度和期望横向加速度；协同车辆的期望控制量为当前时刻的期望纵向加速度。

人机交互单元用于实现人机交互，驾驶员通过人机交互单元开启或关闭控制系统、发送换道意图；人机交互单元通知驾驶员协同换道可行性以及驾驶员控制系统的介入及退出。

本发明提供的基于车车通信的多车协同换道控制方法，在自车、原车道前车、目标车道前车和目标车道后车上装备本发明的控制系统，在原车道前车和目标车道前车前方的两辆非协同车辆上装备车车通信设备、GPS和纵向加速度传感器。原车道前车、目标车道前车和目标车道后车为协同车辆。本发明的多车协同换道控制方法具体实现步骤如下：

步骤1：自车通过人机交互单元获得驾驶员换道意图；

步骤2：主控器通过感知单元获取自车信息，通过通信单元获取周围三辆协同车辆及两辆非协同车辆的信息，从而确定应用场景中当前时刻六辆车的相对位置及每辆车的车速、纵向加速度。三辆协同车辆是指原车道前车、目标车道前车和目标车道后车。

步骤3：令换道过程中自车的横向加速度以正反梯形曲线变化，确定自车换道用时T_LC为：

其中，a_ymax为驾驶员可接受的最大舒适横向加速度，J_ymax为驾驶员可接受的最大舒适横向加速度率，d_w为车辆换道过程的横向位移，与车道宽度一致。

步骤4：进行协同换道可行性判断，若协同换道不可行，则通过人机交互单元通知驾驶员协同换道不可行；若协同换道可行，则通过人机交互单元通知自车及协同车辆驾驶员换道可行并继续执行步骤5。

设本次接收到驾驶员换道意图的时刻为初始时刻，初始时刻时进行协同换道可行性判断。在协同换道可行性判断中，为了保证安全换道，初始时刻，当非协同前车的纵向加速度不小于0时，设非协同前车在T_LC内进行匀速运动，当非协同前车的纵向加速度小于0时，设非协同前车在T_LC内按初始时刻1.5倍的纵向加速度做匀减速运动。

在换道中间时刻，自车恰驶离原车道开始进入目标车道，自车与原车道前车、原车道前车与原车道非协同前车、自车与目标车道后车、自车与目标车道前车、自车与目标车道后车需满足车间安全距离约束，在换道结束时刻，自车与目标车道后车、自车与目标车道前车、目标车道前车与目标车道非协同前车需满足车间安全距离约束。车间安全距离约束如下：

Gap_fl≥Gap_s＝max(DT·v_f+s_f,TTC·(v_f-v_l)+s_f)

其中，Gap_fl为前后两车的车间距，Gap_s为前后两车的临界安全距离，DT为安全临界车间时距，TTC为安全临界碰撞时间，s_f为最小安全车间距，v_f为后车车速，v_l为前车车速。

判断换道可行性时，设各协同车辆的纵向加速度以驾驶员可接受的最大舒适纵向加速度率变化，即加速时按J_xmax变化，减速时按-J_xmax变化；假设原车道前车纵向加速度变化至目标纵向加速度继而保持匀加速行驶，并在换道中间时刻与原车道非协同前车达到临界安全距离；设目标车道前车纵向加速度变化至目标纵向加速度继而保持匀加速行驶，在换道结束时刻目标车道前车与目标车道非协同前车达到临界安全距离；若或无可行解则协同换道不可行。设目标车道后车纵向加速度变化至驾驶员可接受的最大舒适制动减速度a_bmin后匀减速行驶。在假设以上三辆协同车辆在换道过程中的运动状态后，设自车在换道过程中纵向加速度按照驾驶员可接受的最大舒适纵向加速度率变化至目标加速度求解的范围，要求在驾驶员可接受的舒适纵向加速度上下限的范围内，并在换道中间时刻和结束时刻，自车与原车道前车、目标车道前车、目标车道后车满足车间安全距离约束。若可求得范围，则协同换道可行，若范围无解，则协同换道不可行。

步骤5：实时确定换道过程中自车与协同车辆的期望目标纵向加速度。

令各车的纵向加速度以驾驶员可接受的最大舒适纵向加速度率变化至期望目标纵向加速度后匀加速度行驶。

分如下两个时间段来确定期望目标纵向加速度：

(1)若当前时刻t≤T_LC/2，四辆车参与协同，通过求解如下最优规划问题，从而确定自车与三辆协同车辆的期望目标纵向加速度。

目标函数：u为要求解的自车与三辆协同车辆的期望目标纵向加速度矩阵，u＝[u_SV,u_SL,u_TL,u_TF]^T，u_SV、u_SL、u_TL和u_TF分别为自车、原车道前车、目标车道前车与目标车道后车的期望目标纵向加速度；k_SV、k_SL、k_TL和k_TF分别为对应车辆期望目标纵向加速度的权重系数；

约束条件：

A，期望目标纵向加速度范围约束其中，a_Smax和a_Smin为自车换道过程中最大和最小纵向加速度；a_max和a_min为驾驶员可接受的最大和最小舒适纵向加速度；a_bmin为驾驶员可接受的最大舒适减速度；

B，安全距离约束

其中，Gap_*(t)表示t时刻*所代表的两辆车间的距离，Gap_{*_safe}表示*所代表的两辆车间的安全距离；下角标*为SLP、TLP、SVL、TVL或TVF，SLP代表原车道前车与原车道非协同前车，TLP代表目标车道前车与目标车道非协同前车，SVL代表自车与原车道前车，TVL代表自车与目标车道前车，TVF代表自车与目标车道后车。

(2)若当前时刻t＞T_LC/2，自车由原车道进入目标车道，自车与目标车道前后车参与协同即可，通过求解如下最优规划问题，来确定自车与目标车道两辆协同车辆的期望目标纵向加速度。

目标函数：其中，此处u＝[u_SV,u_TL,u_TF]^T；

约束条件：

A，期望目标纵向加速度范围约束

B，安全距离约束

步骤6：利用步骤5得到的期望目标纵向加速度求解自车与协同车辆在当前时刻的期望纵向加速度。

若当前时刻车辆的纵向加速度a(t_c)不大于该车辆对应的期望目标纵向加速度，则设置该车辆当前时刻的期望纵向加速度u(t_c)为a(t_c)+J_xmaxΔT，但若a(t_c)+J_xmaxΔT大于对应的期望目标纵向加速度，则设置该车辆当前时刻的期望纵向加速度u(t_c)为对应的期望目标纵向加速度。J_xmax为驾驶员可接收的最大舒适纵向加速度率，ΔT为控制周期。

若当前时刻车辆的纵向加速度大于对应的期望目标纵向加速度，则设置该车辆当前时刻的期望纵向加速度u(t_c)为a(t_c)-J_xmaxΔT，但若a(t_c)-J_xmaxΔT小于对应的期望目标纵向加速度，则设置该车辆当前时刻的期望纵向加速度u(t_c)为对应的期望目标纵向加速度。

步骤7：自车主控器将协同车辆当前时刻的期望纵向加速度通过通信单元发送给协同车辆的主控器。自车与协同车辆的主控器根据期望控制量控制车辆运动。自车的期望控制量为当前时刻的期望纵向加速度和期望横向加速度；协同车辆的期望控制量为当前时刻的期望纵向加速度。

步骤8：判断协同换道是否结束，若是，通过人机交互单元通知驾驶员协同换道结束，并提示驾驶员恢复对车辆的操纵，若否，转步骤5继续执行。

相对于现有技术，本发明的优点与积极效果在于：

(1)区别与传统技术，本发明采用车车通信技术，并结合车载传感器，实现了车车间主动的信息交互，并保证了信息感知的全面性、精确性、实时性，可实现大范围的信息感知；

(2)针对换道过程，建立了多车统一运动优化、协同合作的控制机制，区别与传统换道过程中各车相互独立且被动受影响，本协同换道控制方法将前车引入协同，充分利用车间安全空间，提高了换道的安全性、可行性。

(3)考虑了换道过程的安全性和驾驶员舒适性，区别于传统换道过程，通过自车与周围车辆的协同运动，可有效减小了目标车道后车的减速强度，本发明通过减小换道对于目标车道后车的影响，可缓解换道对上游交通流的消极影响。本发明可有效增加可行换道机会，保障换道安全，改善换道过程的驾驶舒适性，减弱换道行为对目标车道上游车辆的消极影响。

附图说明

图1是本发明应用的目标场景示意图；

图2是本发明的基于车车通信的多车协同换道控制系统的结构示意图；

图3是本发明的基于车车通信的多车协同换道控制系统运行流程图；

图4是自车换道过程横向加速度变化曲线示意图；

图5是简化的整车模型；

图6是本发明的基于车车通信的多车协同换道控制方法的自车控制示意图；

图7是本发明的基于车车通信的多车协同换道控制方法的其他参与协同车辆控制示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明针对目前换道场景中，各车信息感知及决策失误易导致安全事故、周围车辆被动受换道车辆影响、车辆换道受阻等问题，为了提高换道可行性，并保障换道过程中各车安全，改善驾驶员舒适性，减弱换道对后车影响，引入多车协同理念，提供了一种基于车车通信的多车协同换道系统及其控制方法。

本发明的应用场景如图1所示，自车(以下简写为SV)为换道车辆，由原车道向目标车道行驶，目标车道后车(以下简写为TF)、目标车道前车(以下简写为TL)、原车道前车(以下简写为SL)为参与协同换道车辆，简称协同车辆，SV、SL、TL、TF均装备本发明提供的基于车车通信的多车协同换道控制系统，目标车道非协同前车(以下简写为TP)及原车道非协同前车(以下简写为SP)作为被动车辆，不参与协同，但装备必要的车车通信设备、GPS、纵向加速度传感器，并可由车辆CAN总线采集车速信息，通过车车通信设备向外广播车辆ID、经纬度位置、航向角、纵向加速度和车速信息。场景中各车在初始状态时均正常跟车行驶，无过大加减速。

本发明的基于车车通信的多车协同换道控制系统结构如图2所示，包括感知单元、通信单元、控制单元和人机交互单元。

感知单元包括车辆总线、高精度差分GPS(Global Positioning System，全球定位系统)、前轮转角传感器、横摆传感器、以及纵向加速度传感器。通过车辆总线，可获取自车车速、油门开度、制动压力信息。高精度差分GPS用于实时获取车辆经纬度位置及航向角，用于计算各车车间距，GPS天线布置于车顶，垂直方向上与车辆质心重合。前轮转角传感器用于测量车辆的前轮转角。横摆传感器用于实时获取车辆的横向加速度和横摆角速度。纵向加速度传感器用于实时获取车辆纵向加速度信息。

通信单元采用专用短程通信设备，接收感知单元中和主控器传输来的车辆信息及期望控制量，并实现车车间的信息实时交互。自车通过通信单元获取协同车辆与非协同车辆的车辆ID、车速、纵向加速度、航向角、经纬度位置、车长、车头及车尾距车辆质心(至GPS天线)的水平距离，并实时由自车向周围参与协同的车辆发送期望控制指令。此外，通信单元还从自车的感知单元获取自车信息发送给它车。

控制单元包括主控器、油门/制动执行器、以及前轮转角执行器。

控制单元核心为主控器，主要功能如下：

(1)接收感知单元与通信单元传送来的自车及它车信息，进行协同换道可行性判断，当协同换道可行时，实时获取自车与协同车辆的期望控制量，通过控制单元中的油门/制动执行器和前轮转角执行器实现车辆的按期望运动；对于SV，实现换道横纵向控制，自车的期望控制量为当前时刻的期望纵向加速度和期望横向加速度；

(2)通过通信单元将协同车辆的期望控制量发送给其他协同车辆；对于SL、TL、TF实现纵向控制，协同车辆SL、TL、TF的期望控制量为当前时刻的期望纵向加速度；

(3)与人机交互单元关联，向驾驶员发送通知，并接受驾驶员的指令。

驾驶员可通过人机交互单元控制系统的启停，并可向系统输入换道意图，系统也通过人机交互单元通知驾驶员协同换道的可行性及系统控制介入介出提示。

本系统应用场景中各车间信息交互进行实时信息交互，SV实时接收场景中由其他车辆发送的信息，包括：车辆ID、经纬度位置、航向角、速度、纵向加速度、车长、车头距GPS天线水平距离、车尾距GPS天线水平距离，并向外广播TF、TL、SL车辆ID及对应的当前控制周期的期望纵向加速度，TF、TL、SL实时向外发送SV决策所需信息，并接收SV广播的当前控制周期的期望纵向加速度。

本发明针对车辆联网环境提供一种基于车车通信的多车协同换道控制方法，除参与协同的车辆装备本发明的控制系统外，原车道前车和目标车道前车前方的两辆非协同车辆装备必要的车车通信设备、GPS、纵向加速度传感器，并可从总线中获取车辆速度信息，自车及其他协同车辆需要与这两辆车通信获取其加速度、速度、经纬度位置、航向信息。如图3所示，本发明的基于车车通信的多车协同换道控制方法包括步骤1～步骤9，下面说明各步骤。

步骤1：在系统开启条件下，当SV中系统通过人机交互单元接收到驾驶员换道意图时，进入步骤2执行。

步骤2：SV中系统通过感知单元获取自车信息，包括车辆经纬度位置、航向角、横摆角速度、横向加速度、车速、纵向加速度、前轮转角、油门开度和制动压力等等，通过通信单元获取TF、TL、SL、SP、TP向外发送的车辆ID、经纬度位置、航向角、车速、纵向加速度、车长、车头距质心距离以及车尾距质心距离。控制单元根据获取的自车、协同车辆和非协同车辆的信息，从而确定应用场景中当前时刻六辆车的相对位置及各车的速度、纵向加速度。

步骤3：在协同换道执行前，对SV的换道过程进行规划，为了保证换道效率、减少换道过程占用的道路空间，并兼顾换道过程中驾驶员舒适性，如图4所示，令换道过程中车辆横向加速度a_y以正反梯形曲线变化，如下式：

其中，a_ymax与J_ymax为驾驶员可接受的最大舒适横向加速度和最大舒适横向加速度率。T_LC为自车换道用时。换道开始与结束时刻车辆横向速度均为0。通过对换道横向加速度进行积分，可得换道结束时刻SV横向位移y_d，如下式：

设定道路宽度d_w为标准宽度3.75m，则换道横向位移为3.75m，则可得换道时间T_LC，如下：

为了保证SV换道过程中纵向上驾驶员舒适性及平稳换道，设定SV的纵向加速度a_SV的变化范围为a_Smin≤a_SV≤a_Smax，纵向加速度以驾驶员可接受的最大舒适纵向加速度率J_xmax变化。a_SV的取值范围[a_Smin,a_Smax]，a_Smax和a_Smin为自车换道过程加速度上下限值，具体数值可根据实际情况来设定，一般根据驾驶员普遍可接受的舒适纵向加速度来设置。如此设置考虑了换道车辆内驾驶员舒适性，尽量保证SV在换道过程中不产生过大的纵向加速度。

确定SL、TL、TF在协同换道过程中的纵向加速度变化范围及变化方式，考虑到协同换道过程需尽量保证此三辆车中驾驶员舒适性，避免车辆运动剧烈变化，SL、TL的纵向加速度a_SL、a_TL的变化范围分别为a_min≤a_SL≤a_max和a_min≤a_TL≤a_max，a_max、a_min分别为驾驶员可接受的舒适纵向加速度上下限，具体数值可根据实际情况来设定。TF的纵向加速度a_TF的变化范围为a_bmin≤a_TF≤0，其中a_bmin为驾驶员可接受的最大舒适减速度，具体数值可根据实际情况来设定。协同换道过程中，令目标车道后车禁止加速。SL、TL、TF三辆车的加速度也以最大舒适纵向加速度率J_xmax变化。

步骤4：进行多车协同换道可行性判断。若协同换道不可行，则通过人机交互单元通知驾驶员协同换道不可行，系统返回步骤1。若协同换道可行，则通过人机交互单元通知自车及协同车辆驾驶员换道可行并继续执行步骤5。

下面说明多车协同换道可行性判断的方法。

步骤4.1，首先确定车间安全距离约束如下：

Gap_fl≥Gap_s＝max(DT·v_f+s_f,TTC·(v_f-v_l)+s_f) (4)

其中，Gap_fl为前后两车的车间距，Gap_s为前后两车的临界安全距离，DT为安全临界车间时距，即前车车尾与后车车头经过同一位置的安全时间间隔，s_f为停车时前后车最小车间距，TTC为安全临界碰撞时间，v_f为后车车速，v_l为前车车速，取DT·v_f+s_f和TTC·(v_f-v_l)+s_f中较大值为前后车临界安全车间距离。

设定系统接收到驾驶员换道意图的时刻为初始时刻。在换道中间时刻，自车SV恰驶离原车道开始进入目标车道，自车SV与原车道前车SL、原车道前车SL与原车道非协同前车SP、自车SV与目标车道后车TF、自车SV与目标车道前车TL、目标车道前车TL与目标车道非协同前车TP需满足车间安全距离约束。在换道结束时刻，自车SV与目标车道后车TF、自车SV与目标车道前车TL、目标车道前车TL与目标车道非协同前车TP需满足车间安全距离约束。

步骤4.2，为了判断协同换道可行性时，由于SP、TP为驾驶员操纵的非协同车辆，故对SP、TP的在换道过程中的纵向加速度变化进行保守估计，如下：

其中，和为SP、TP在协同换道过程中纵向加速度的估计值，和分别为初始时刻SP和TP的纵向加速度取值；a_SP和a_TP为SP、TP的实际纵向加速度，a_SP(0)和a_TP(0)分别为初始时刻SP和TP的实际纵向加速度。初始时刻，当SP、TP的纵向加速度不小于0时，则假设SP、TP在T_LC内进行匀速运动，当其加速度小于0时，为了保证安全，则将其减速强度扩大1.5倍，假设其在T_LC内以加速度估计值做匀减速运动。

步骤4.3，求解初始时刻SL、TL的最大协同纵向加速度。

判断换道可行性时，设各协同车辆的纵向加速度以驾驶员可接受的最大舒适纵向加速度率J_xmax变化，即加速时按J_xmax变化，减速时按-J_xmax变化；设原车道前车SL纵向加速度变化至目标纵向加速度继而保持匀加速行驶，并在换道中间时刻与原车道非协同前车SP达到临界安全距离；设目标车道前车TL纵向加速度变化至目标纵向加速度继而保持匀加速行驶，在换道结束时刻目标车道前车TL与目标车道非协同前车TP达到临界安全距离；若或无可行解则协同换道不可行。设目标车道后车TF加速度变化至驾驶员可接受的最大舒适制动减速度a_bmin后匀减速行驶。在假设以上三辆协同车辆在换道过程中的运动状态后，假设自车在换道过程中加速度按照驾驶员可接受的最大舒适纵向加速度率变化至目标纵向加速度求解的范围，要求在合理纵向加速度上下限[a_Smin,a_Smax]内，并在换道中间时刻和结束时刻，自车与原车道前车SL、目标车道前车TL、目标车道后车TF满足车间安全距离约束。若可得范围，则协同换道可行，若范围无解，则协同换道不可行。

SL在换道过程前半段参与协同，TL在整个换道过程中参与协同，定义SL、TL的最大协同纵向加速度如下：假设SL、TL先分别以最大舒适纵向加速度率加速至最大协同纵向加速度a_{SL_cmax}、a_{TL_cmax}，并开始匀加速运动至协同结束，协同结束时SL、TL恰与SP、TP保持临界安全距离约束。

以TL为例求解a_{TL_cmax}，由于a_{TL_cmax}与初始时刻TL纵向加速度a_TL(0)的大小关系未知，采用待定方式，设定a_{TL_cmax}≥a_TL(0)和a_{TL_cmax}＜a_TL(0)两种情况，分别求解，若所得解满足该情况下的纵向加速度大小关系设定，则暂定为a_{TL_cmax}。

以a_{TL_cmax}≥a_TL(0)情况为例说明求解过程。首先可得TL纵向加速度变化如下：

为t时刻目标车道前车TL的纵向加速度。

积分可得TL速度变化如下：

其中，为t时刻目标车道前车TL的速度，v_TL(0)为初始时刻目标车道前车TL的速度。

再次积分可得t时刻目标车道前车TL的位移如下：

由此可得TL在协同结束时刻的位移、速度表达式与继而计算TP以匀加速度运动至协同结束时刻的位移、速度如下：

从而可通过如下等式求解当前情况下的a_{TL_cmax}。

其中，Gap_TLP为TL与TP的车间距。

同理可得a_{SL_cmax}，若a_{TL_cmax}或a_{SL_cmax}超过a_max，则取值为a_max。

若a_{TL_cmax}或a_{SL_cmax}低于a_min，则认定协同换道不可行。将a_{TL_cmax}与a_{SL_cmax}分别带入TL与SL的位移、速度表达式，可得TL在换道结束时刻T_LC及中间时刻T_LC/2的位移和速度SL在T_LC/2时刻的位移和速度在整个换道过程中参与协同，假设TF在协同过程中以最大舒适纵向加速度率减速至a_bmin，然后匀加速度行驶，按照公式(7)和(8)逐步积分的方式，可分别得到TF纵向加速度、速度、位移变化表达式，从而得到TF在T_LC时刻的位移速度在T_LC/2时刻的位移速度

在协同换道可行性判断中，假设SV以最大纵向加速度变化率变化至然后匀加速度行驶，由于与初始时刻SV加速度a_SV(0)大小关系未知，同样采用待定方式，设定和两种情况，参照步骤4.3中逐步积分的方式，可得到各情况下SV的纵向加速度、速度、位移变化表达式，从而得到各情况的和以为例，在TL、SL以最大协同纵向加速度、TF以最大减速度运动情况下，求解如下不等式组：

Gap_*(t)表示t时刻*所代表的两辆车间的距离；Gap_{*_safe}表示*所代表的两辆车间的安全距离，可根据公式(4)中Gap_s的获取方法来确定。

*取不同字符所代表的含义如下：

SVL：原始车道中的SV与SL；Gap_SVL(T_LC/2)表示SV与SL间在T_LC/2时刻的车间距离，Gap_{SVL_safe}表示SV与SL间的车间安全距离；

TVL：目标车道中的SV与TL；Gap_TVL(T_LC/2)、Gap_TVL(T_LC)分别表示SV与TL间在T_LC/2时刻、在T_LC时刻的车间距离，Gap_{TVL_safe}表示SV与TL间的车间安全距离；

TVF：目标车道中SV与TF；Gap_TVF(T_LC/2)、Gap_TVF(T_LC)分别表示SV与TF间在T_LC/2时刻、在T_LC时刻的车间距离，Gap_{TVF_safe}表示SV与TF间的车间安全距离。

不等式组表示在换道过程中，SV需在设定的加速度范围内；在T_LC/2时刻，SV与SL、TL、TF的车间距需保证安全距离约束；在T_LC时刻，SV与TL、TF车间距需保证安全距离约束。不同时刻下的前后车间距如下式：

Gap_lf(t)＝Gap_lf(t₀)+s_l(t)-s_f(t) (13)

其中Gap_lf(t₀)为初始时刻前后车间距，s_l(t)为前车位移，s_f(t)为后车位移。若有可行范围，则协同换道可行，系统通过人机交互单元通知SV驾驶员换道可行及系统的介入控制；否则协同换道不可行，系统通过人机交互单元通知SV驾驶员协同换道不可行，系统待命，重新等待驾驶员输入换道意图。

步骤5：实时求解换道过程中参与协同的车辆与自车期望的目标纵向加速度。

若协同换道可行，则系统开始进行多车协同换道控制，通知自车驾驶员并向周围参与协同的车辆发送协同换道通知。

在换道过程前半段，SV、SL、TL、TF均参与协同，当换道进行到T_LC/2时，SV离开原车道，开始驶入目标车道，所以SL不再参与协同。本发明提供的多车协同换道控制方法考虑驾驶员舒适性，尽量保证各车在协同过程中的稳定运动，首先求出各控制周期各车期望的目标纵向加速度，期望各车以最大舒适纵向加速度率变化至求解的期望目标纵向加速度后进行匀加速度行驶。为了求解各车期望的目标纵向加速度。SV融合自车及SL、SP、TL、TF、TP的当前时刻的车速、纵向加速度和基于各车GPS经纬度位置、航向角、质心距车头距离、质心距车尾距离信息确定的各车间距，进行多车统一运动规划。

步骤5.1，当前时刻t_c≤T_LC/2时，通过求解如下公式(14)所示的最优化问题获得当前时刻SV、SL、TL、TF的期望目标纵向加速度。

需满足的约束条件包括如下：

SV、SL、TL、TF的纵向加速度范围约束：

安全距离约束为：

其中，假设SP和TP均以当前时刻的纵向加速度匀加速度行驶直至协同换道结束。公式(13)中的u＝[u_SV u_SL u_TL u_TF]^T为求解的各协同车辆期望目标纵向加速度矩阵，其中参量依次为SV、SL、TL、TF的期望目标纵向加速度，k_SV、k_SL、k_TL和k_TF分别为对应车辆的期望目标纵向加速度的权重系数。在求解上述最优化问题时，针对各安全距离约束不等式，待定u_SV、u_SL、u_TL、u_TF，并已知当前各车纵向加速度、速度、车间距离，可将各安全距离约束表示为与u_SV、u_SL、u_TL、u_TF相关的不等式。Gap的下角标，SLP代表原车道前车SL与原车道非协同前车SP，TLP代表目标车道前车SL与目标车道非协同前车TP。Gap_SLP(T_LC/2)代表SL与SP在T_LC/2时刻的距离，Gap_{SLP_safe}代表SL与SP之间的安全距离；Gap_TLP(T_LC)代表SL与TP在T_LC时刻的距离，Gap_{TLP_safe}代表SL与TP之间的安全距离。

以Gap_SVL(T_LC/2)≥Gap_{SVL_safe}为例，如下：

Gap_SVL(t_c)+s_SL(T_LC/2)-s_SV(T_LC/2)＝ (15)

max(DT·v_SV(T_LC/2)+s_f,TTC·(v_SV(T_LC/2)-v_SL(T_LC/2))+s_f)

其中，t_c表示当前时刻。

由于各车期望目标纵向加速度与各车当前纵向加速度大小关系未知，以SV为例，从当前时刻开始至T_LC时刻的加速度、速度、位移变化曲线如下式：

同理，可得SL、TL、TF相应的加速度、速度、位移变化函数。在换道过程前半段时，SV、SL、TL、TF可能会出现T_LC/2时刻达到和未达到期望目标纵向加速度两种情况，分别对应加速度、速度、位移变化函数中两个时间区间内的表达式，为了求解各车期望，针对各车T_LC/2时刻是否达到期望目标纵向加速度，可假设16种情况，求解各情况下的期望目标纵向加速度，并选取满足情况假设的解作为当前时刻下的各车期望目标纵向加速度。

步骤5.2，当t_c＞T_LC/2时，由于SL退出协同，所以进行SV、TL、TF三辆车间的协同换道规划，通过求解如下公式(19)所示的最优化问题获得SV、TL、TF当前时刻的期望目标纵向加速度。

约束条件为：

期望目标纵向加速度范围约束

安全距离约束为

此最优化问题求解方式与t_c≤T_LC/2时各车期望目标纵向加速度的求解方法一致。

步骤6：根据步骤5中求解的期望目标纵向加速度计算参与协同的车辆与自车在当前时刻的纵向控制输入量，即当前时刻的期望纵向加速度。

以SV为例，设当前时刻自车纵向期望控制输入u_SV(t_c)，则如下式：

其中ΔT为控制周期。同理可得其他各协同车辆纵向期望控制输入u_SL(t_c)、u_TL(t_c)、u_TF(t_c)。

步骤7：自车主控器通过通信单元发送至其他协同车辆的系统主控器。自车与协同车辆的主控器根据期望控制量控制车辆运动。

自车的期望控制量为当前时刻的期望纵向加速度和期望横向加速度。利用步骤3中自车横向加速度正反梯形变化曲线，可求解当前时刻t_c对应的自车横向加速度a_y(t_c)作为横向期望控制输入。

SV中系统控制单元主控器根据当前时刻的u_SV(t_c)与a_y(t_c)通过油门/制动执行器和转向执行器对SV的油门开度、制动压力和前轮转角进行控制，实现SV按期望横纵向加速度的精确运动。

如图5所示，基于简化的整车模型，建立简化车辆的横纵向耦合模型，如下：

其中，M、f₁、f₂和f₃为三个中间参量；

参数定义如下：为车辆的纵向加速度，为车辆的横向加速度，为横摆角加速度，F_x为纵向驱动力输入，m为整车质量，J_wf、J_wr分别为前后轮转动惯量，r_w为轮胎的滚动半径，C_f、C_r为前后轮侧偏系数，l_f、l_r分别为汽车质心与前后轴的距离，图5中的O表示汽车质心，δ为前轮转角，C_D为空气阻力系数，A为迎风面积，ρ为空气密度，v_x为纵向速度，v_y为横向速度，ω_r为横摆角速度，g为重力加速度，f为滚动阻力系数。α_f和α_r分别为前后轮侧偏角，F_xr和F_yr分别为后轮所受纵横向力，F_xf和F_yf分别为前轮所受纵横向力。

SV横纵向控制如图6所示。针对纵向控制，采用干扰解耦方法建立干扰解耦控制器，通过当前实时反馈的车辆运动参数，可得当前的纵向驱动力输入，如下式：

进而经过车辆逆动力学模型将纵向驱动力输入转化为期望的油门开度和制动压力，并通过油门/制动执行器实现车辆精确纵向控制。

根据式可得当前期望前轮转角δ_des如下式：

控制单元通过前轮转角执行器实现车辆前轮转角按期望变化，从而实现车辆按期望横向加速度的精确变化。

SV同时将求解的它车当前时刻期望纵向加速度向周围广播，周围参与协同的车辆接收广播信息并提取当前时刻相应期望纵向加速度输入控制单元主控器，主控器通过油门/制动执行器对车辆油门开度、制动压力进行控制实现车辆按期望纵向加速度的精确运动。

本系统控制单元采取传统PID(比例-积分-微分)控制实现除SV外其他参与协同的车辆的精确纵向控制，控制示意如图7所示，将当前期望纵向加速度与实时反馈的当前纵向加速度的偏差输入建立的PID控制器，PID控制器输出相应的期望油门开度或期望制动压力，最终通过控制单元油门/制动执行器实现油门开度及制动压力按期望值变化，实现其他协同车辆的期望加速度精确跟踪。

步骤5至步骤8在协同换道过程中以ΔT循环运行，直至协同换道结束。

步骤8：判断协同换道过程是否结束，若是，SV中本系统通过人机交互单元提示驾驶员协同换道结束，解除本发明系统对SV的控制，并提示驾驶员恢复对车辆的操纵，向周围车辆发送协同换道结束信息，周围车辆收到该信息后，系统解除对各车的纵向控制，并通知其驾驶员协同换道结束。若协同换道未结束，则转步骤5继续执行。

本发明的基于车车通信的多车协同换道控制系统及其方法，区别与传统换道控制技术，采用车车通信与车载传感器融合的感知方式获取自车及周围车辆全面、实时、精确信息，利用车车互联优势，建立了协同换道控制方法，通过换道车辆与其周围前后车主动协同统一规划的方式实现换道。本发明提供的系统与方法在车联网环境下可增加换道可行机会、保证换道安全、改善驾驶舒适性、减弱换道行为对目标车道上游交通的消极影响。

Claims

1.一种基于车车通信的多车协同换道控制系统，装备于自车、原车道前车、目标车道前车和目标车道后车上，其特征在于，所述的控制系统包括感知单元、通信单元、控制单元和人机交互单元；

所述的感知单元包括车辆总线、前轮转角传感器、纵向加速度传感器、横摆传感器和高精度差分GPS；其中，高精度差分GPS天线安置于车顶，垂直方向上与车辆质心重合；所述的感知单元用于实时获取自车信息，包括自车车速、油门开度、制动压力、前轮转角、纵向加速度、横向加速度、横摆角速度、经纬度位置以及航向角；

所述的通信单元采用专用短程通信设备，用于车车间信息实时交互；自车通过通信单元获取协同车辆和非协同车辆的信息；协同车辆和非协同车辆的信息包括车辆ID、车速、纵向加速度、经纬度位置、车长、车头及车尾距质心的距离；

所述的控制单元包括主控器、油门/制动执行器和前轮转角执行器；所述的主控器从感知单元获取自车信息，从通信单元获取协同车辆和非协同车辆的信息，进行协同换道可行性判断，当协同换道可行时，实时获取自车与协同车辆的期望控制量，并将协同车辆的期望控制量通过通信单元发送出去；主控器根据自车的期望控制量控制油门/制动执行器和前轮转角执行器执行实现对车辆的控制运动；自车的期望控制量为当前时刻的期望纵向加速度和期望横向加速度；协同车辆的期望控制量为当前时刻的期望纵向加速度；

所述的主控器进行协同换道可行性判断的过程是：

车道前车、目标车道前车和目标车道后车参与协同，标记为协同车辆，原车道前车的前车和目标车道前车的前车标记为非协同前车；

设本次接收到驾驶员换道意图的时刻为初始时刻；初始时刻，当非协同前车的纵向加速度不小于0时，则设非协同前车在T_LC内进行匀速运动，当非协同前车的纵向加速度小于0时，则设非协同前车在T_LC内按初始时刻1.5倍的纵向加速度做匀减速运动；T_LC为自车换道用时；

在换道中间时刻，自车恰驶离原车道开始进入目标车道，自车与原车道前车、原车道前车与原车道非协同前车、自车与目标车道后车、自车与目标车道前车、目标车道前车与目标车道非协同前车需满足车间安全距离约束，在换道结束时刻，自车与目标车道后车、自车与目标车道前车、目标车道前车与目标车道非协同前车需满足车间安全距离约束；

车间安全距离约束为：Gap_fl≥Gap_s＝max(DT·v_f+s_f,TTC·(v_f-v_l)+s_f)；其中，Gap_fl为前后两车的车间距，Gap_s为前后两车的临界安全距离，DT为安全临界车间时距，v_f为后车车速，v_l为前车车速，TTC为安全临界碰撞时间，s_f为最小安全车间距；

判断换道可行性时，设各协同车辆的纵向加速度以驾驶员可接受的最大舒适纵向加速度率变化；设原车道前车纵向加速度变化至原车道前车目标纵向加速度继而保持匀加速行驶，并在换道中间时刻与原车道非协同前车达到临界安全距离；设目标车道前车纵向加速度变化至目标车道前车目标纵向加速度继而保持匀加速行驶，在换道结束时刻目标车道前车与目标车道非协同前车达到临界安全距离；若或无可行解则协同换道不可行；设目标车道后车纵向加速度变化至驾驶员可接受的最大舒适减速度a_bmin后匀减速行驶；设自车在换道过程中纵向加速度按照驾驶员可接受的最大舒适纵向加速度率变化至目标加速度求解的范围，要求在驾驶员可接受的舒适加速度上下限的变化范围内，并在换道中间时刻和结束时刻，自车与原车道前车、目标车道前车、目标车道后车满足车间安全距离约束，若能求解范围，则协同换道可行，若求取范围无解，则协同换道不可行；

所述的人机交互单元用于实现人机交互，驾驶员通过人机交互单元开启或关闭控制系统、发送换道意图；人机交互单元通知驾驶员协同换道可行性以及驾驶员控制系统的介入及退出。

2.基于权利要求1所述的控制系统的多车协同换道控制方法，其特征在于，原车道前车、目标车道前车和目标车道后车参与协同，标记为协同车辆，原车道前车的前车和目标车道前车的前车标记为非协同前车，在自车和三辆协同车辆上装备所述的控制系统，在两辆非协同前车上装备车车通信设备、GPS和纵向加速度传感器；所述控制方法实现步骤如下：

步骤1：自车通过人机交互单元获得驾驶员换道意图；

步骤2：主控器通过感知单元获取自车信息，通过通信单元获取周围三辆协同车辆及两辆非协同车辆的信息；

T_{L C} = \frac{a_{y m a x}}{J_{y m a x}} + \sqrt{{(\frac{a_{y m a x}}{J_{y m a x}})}^{2} + \frac{4 d_{w}}{a_{y \max}}}

其中，a_ymax为驾驶员可接受的最大舒适横向加速度，J_ymax为驾驶员可接受的最大舒适横向加速度率，d_w为车辆换道过程的横向位移，与车道宽度一致；

步骤4：进行协同换道可行性判断，若协同换道不可行，则通过人机交互单元通知驾驶员协同换道不可行；若协同换道可行，则通过人机交互单元通知自车及协同车辆驾驶员换道可行并继续执行步骤5；

设本次接收到驾驶员换道意图的时刻为初始时刻；初始时刻，当非协同前车的纵向加速度不小于0时，则设非协同前车在T_LC内进行匀速运动，当非协同前车的纵向加速度小于0时，则设非协同前车在T_LC内按初始时刻1.5倍的纵向加速度做匀减速运动；

步骤5：实时求解换道过程中自车与参与协同的车辆期望的目标纵向加速度；

令各车的纵向加速度以驾驶员可接受的最大舒适纵向加速度率变化至期望目标纵向加速度后匀加速度行驶，则分为如下两个时间段来确定期望目标纵向加速度：

(1)若当前时刻t≤T_LC/2，则求解如下最优规划问题，来确定自车与三辆协同车辆的期望目标纵向加速度；

目标函数：u为要求解的期望目标纵向加速度矩阵，此处u＝[u_SV,u_SL,u_TL,u_TF]^T，u_SV、u_SL、u_TL和u_TF分别为自车、原车道前车、目标车道前车与目标车道后车的期望目标纵向加速度；k_SV、k_SL、k_TL和k_TF分别为对应车辆期望目标纵向加速度的权重系数；

约束条件：

B，安全距离约束

其中，Gap_*(t)表示t时刻*所代表的两辆车间的距离，Gap_{*_safe}表示*所代表的两辆车间的安全距离；下角标*为SLP、TLP、SVL、TVL或TVF，SLP代表原车道前车与原车道非协同前车，TLP代表目标车道前车与目标车道非协同前车，SVL代表自车与原车道前车，TVL代表自车与目标车道前车，TVF代表自车与目标车道后车；

(2)若当前时刻t＞T_LC/2，自车由原车道进入目标车道，自车与目标车道前后车参与协同，通过求解如下最优规划问题，来确定自车与目标车道两辆协同车辆的期望目标纵向加速度；

目标函数：其中，此处u＝[u_SV,u_TL,u_TF]^T；

约束条件：

A，期望目标纵向加速度范围约束

B，安全距离约束

步骤6：根据步骤5确定的期望目标纵向加速度，来获取自车与参与协同的车辆在当前时刻的期望纵向加速度；

若当前时刻车辆的纵向加速度a(t_c)不大于该车辆对应的期望目标纵向加速度，则设置该车辆当前时刻的期望纵向加速度u(t_c)为a(t_c)+J_xmaxΔT，但若a(t_c)+J_xmaxΔT大于对应的期望目标纵向加速度，则设置该车辆当前时刻的期望纵向加速度u(t_c)为对应的期望目标纵向加速度；J_xmax为驾驶员可接收的最大舒适纵向加速度率，ΔT为控制周期，t_c为当前时刻；

若当前时刻车辆的纵向加速度大于对应的期望目标纵向加速度，则设置该车辆当前时刻的期望纵向加速度u(t_c)为a(t_c)-J_xmaxΔT，但若a(t_c)-J_xmaxΔT小于对应的期望目标纵向加速度，则设置该车辆当前时刻的期望纵向加速度u(t_c)为对应的期望目标纵向加速度；

步骤7：自车主控器将协同车辆当前时刻的期望纵向加速度通过通信单元发送给协同车辆的主控器，自车与协同车辆的主控器根据期望控制量控制车辆运动；自车的期望控制量为当前时刻的期望纵向加速度和期望横向加速度；协同车辆的期望控制量为当前时刻的期望纵向加速度；

3.根据权利要求2所述的多车协同换道控制方法，其特征在于，所述的步骤7中，主控器根据期望控制量控制车辆运动，具体方法是：

对于自车，建立横纵向耦合的车辆动力学模型，并采用干扰解耦法设计解耦控制器求解当前时刻的期望纵向加速度u_SV(t_c)对应的纵向驱动力输入F_X，如下：

F_{X} = - {Mf}_{1} + {Mu}_{S V} (t_{c}) + \frac{C_{f} l_{f} ω_{r}}{v_{S V}} δ

其中，中间参量m为整车质量，J_wf、J_wr分别为前后轮的转动惯量，r_w为轮胎的滚动半径；中间参量C_D为空气阻力系数，A为迎风面积，ρ为空气密度，v_SV为车辆的纵向速度，v_y为车辆的横向速度，ω_r为车辆的横摆角速度，g为重力加速度，f为滚动阻力系数，C_f为前轮侧偏刚度系数，l_f为汽车质心与前轴的距离，δ为当前前轮转角；再经过车辆逆动力学模型将纵向驱动力输入F_X转化为期望的油门开度和制动压力，通过油门/制动执行器实现对车辆的纵向控制；

根据自车当前时刻的期望横向加速度a_y(t_c)求取对应的期望前轮转角δ_des，通过前轮转角执行器实现对车辆的纵向控制；

δ_{d e s} = (a_{y} (t_{c}) - f_{2}) \frac{m}{C_{f}}

其中，中间参量C_r为后轮侧偏刚度系数，l_r为汽车质心与后轴的距离；

对于三辆协同车辆，车辆的主控器利用PID控制方法，通过实时获取车辆纵向加速度反馈，将当前纵向加速度与期望纵向加速偏差输入PID控制器，输出期望节气门开度与期望制动压力。