CN105015545B - 一种无人驾驶汽车的自主变道决策方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种无人驾驶汽车自主变道的决策系统。首先通过信息采集模块获取车道线、障碍物和周围交互车辆的车速、与本车的距离等环境信息，将信息传输到主控制模块；再由主控制模块进行分析，判断是否满足变道条件，并进行模拟计算，得出变道方案传输到控制执行模块；然后由车辆控制器根据决策信号控制车辆的转向和速度等，进行变道。在变道过程中，信息采集模块须对环境和周围车辆进行实时监测，同时本车的运行状况也要实时反馈给车辆主控制模块，以便车辆面临突发情况，能够及时调整决策信息，达到安全有效地实现无人驾驶车辆自主变道的目的。

Description

一种无人驾驶汽车的自主变道决策方法

技术领域

本发明属于智能交通技术领域，具体是一种涉及无人驾驶汽车实现自主变道的决策方法。

背景技术

由于汽车的大量使用，虽然给人们的出行带来极大的便利，但随之而来的问题也日益严重，如造成城市交通拥堵、交通事故频发等。其中，因变道引发的事故占总交通事故的4％-10％，且人为原因占了75％。如何提高车辆变道操作的安全性与可靠度，一直以来都是交通安全研究领域的重要课题。通过准确的环境信息感知，加上科学、合理的决策分析与稳定可靠的控制算法，使车辆自主变道的安全性比充满不确定因素的驾驶员更具优越性，有效地控制人为因素造成的交通事故。

在无人驾驶汽车研究中，由于道路环境、车辆的运行状况、周围车辆的行驶状态等许多多变的因素，实现自主变道一直是较为困难的部分。如何判断是否能够进行变道、如何制定变道的决策方案、如何根据实况调整方案、如何控制车辆进行变道，都是实现自主变道需要解决的问题。本发明提出的无人驾驶汽车自主变道决策系统就是针对以上的问题展开研究的。

发明内容

本发明提出了一种无人驾驶汽车的自主变道决策方法，该系统实现了无人驾驶汽车进行自主变道的功能，提高了车辆的智能化程度，同时能有效地实时监测车辆与周围车辆的运行状态，提高车辆的安全性能，降低事故的发生率。

为实现上述目的，本发明提出的无人驾驶汽车的自主变道决策方法，包括四大模块和决策模拟计算。

其中决策系统的四大模块为：

(1)车辆主控制模块，是由一台工控机构成的。该模块将信息采集模块采集到的车道信息、障碍物信息、周围车辆的信息以及本车信息反馈模块传输的本车的行驶状态信息进行分析处理，得出车辆的变道决策方案，然后将决策信息输出到控制执行模块。

(2)信息采集模块，包括摄像机、毫米波雷达、激光雷达。该模块利用摄像机采集车道线信息，观察车道线是否为虚线；用雷达探测周围交互车辆的行驶速度和与本车的相对距离以及障碍物情况。

(3)控制执行模块，由制动控制器、转向控制器、转向灯控制器和油门控制器组成。该模块根据主控制模块传输的决策信息，通过控制器以改变本车的速度和转向角，完成变道动作；

(4)本车信息反馈模块，包括陀螺仪和速度传感器。该模块将陀螺仪测得的转向角角度和速度传感器测得的车辆速度反馈给车辆主控制模块，以便车辆主控制模块实时监测本车的运行状态。

该决策系统的模拟计算包括以下步骤：

(1)根据信息采集模块测得的车辆相对距离、车道线、障碍物等信息，判断是否满足变道的初始条件，若满足则进行模拟计算；

(2)根据变道时间和目标车道前后车辆的行驶状态，得出变道完成后前后车辆各自的行驶距离和两车的相对距离；

(3)假定变道完成后本车的位置，根据三辆车的位置关系，判断是否满足变道终止条件，若满足则根据变道前后本车的位置，计算得出本车在变道过程中所需的转向角角度和加速度。

由上述说明可知，本发明针对性强、决策方法简单；各模块功能明确、相互协作，算法容易实现，具有较好的可行性。

附图说明

图1是自主变道系统硬件结构图；

图2是变道前车辆场景图；

图3是变道模拟计算数据图；

图4是变道过程中车辆场景图；

图5是变道完成后车辆场景图；

图6是无人驾驶汽车自主变道决策流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明作进一步地说明。

参照图1所示，本发明的硬件配置根据模块进行介绍。

车辆主控制模块1，就是由一台工控机11组成，主要作用是对采集到的和反馈回来的信息进行分析处理，得出变道方案，并将控制指令输出给控制执行模块；

信息采集模块2，选用了摄像机21，负责采集车道线信息；毫米波雷达22，采集周围车辆与本车的相对速度及距离；激光雷达23，用于障碍物的检测；

控制执行模块3，由制动控制器31、转向控制器32、转向灯控制器33和油门控制器34组成，分别控制本车的刹车、方向盘、转向灯和油门；

本车信息反馈模块4，是由陀螺仪41测得转向角角度，速度传感器42测出本车的速度。

参照图2所示，在进行变道之前，3号车辆为无人驾驶汽车，由速度传感器42测得行驶速度为V₃，所在车道为本车道；1号车是位于变道目标车道，在3号车前方以速度行驶的车辆，由毫米波雷达22测得，其与3号车的相对速度为ΔV₁，与3号车的相对距离为L₁₃；2号车也是位于变道目标车道，在3号车后方的车辆，同样用毫米波雷达22可以测得，其与3号车的相对速度为ΔV₂，与3号车的相对距离为L₂₃。

本发明中设定车辆间的安全变道距离为L，若L₁₃≥L且L₂₃≥L，两车道间的车道线为虚线，并且周围无障碍物，则满足变道的初始条件，可以进行变道模拟计算，计算过程如下。

参照图3所示，经过时间T后，3号车变道成功，三辆车的位置情况。此时三辆车的速度为1号车与3号车的距离为2号车与3号车的距离为若有且则说明无人驾驶汽车顺利完成变道。

参照图4所示，根据图1和图2的车辆位置，将其进行数据化，以便于模拟计算。图4中点1、 2、3分别为变道前三辆车所处位置，点1′、2′、3′是变道完成时三辆车的位置。设定道路宽度为D，三辆车都在道路中央行驶，可计算得到1号车和2号车的相对距离L₁₂：

L₁₂＝L₁+L₂

假定变道过程中1号车和2号车速度保持不变，分别为V₁、V₂，所需变道时间为T，变道完成后，可得到1号车行驶距离S₁和2号车行驶距离S₂，1号车和2号车的相对距离为计算如下：

V₁＝V₃+ΔV₁，V₂＝V₃+ΔV₂

S₁＝V₁T，S₂＝V₂T

若要保证变道成功，则变道结束时3号车与1号车、2号车的相对距离都必须大于L，假设此时3号车与1号车的相对距离为安全距离L，即有

若表示满足变道终止条件，方案可行，则可计算出3号车的行驶距离S₃和转向角角度θ：

若3号车匀加速行驶，可计算得到到达目标位置的速度加速度

由以上模拟计算可以得出变道方案为：若1号车和2号车在变道过程中匀速行驶，道路中无障碍物，车道线一直为虚线，则3号车保持转向角角度为θ，加速度进行匀加速行驶就可安全到达目标车道，完成变道。

参照图5所示，在变道过程中某一时刻t，三辆车的位置分布情况。这一时刻，速度传感器42测得3号车的速度为V′₃，陀螺仪41测得3号车的转向角角度为θ，由毫米波雷达22测得1 号车、2号车与3号车的相对距离分别为L′₁₃、L′₂₃(L′₁₃≥L且L′₂₃≥L)，相对速度为ΔV′₁、ΔV′₂。

经过Δt(Δt≤0.1s)时间后，测得3号车的速度为V″₃，转向角角度为θ′，1号车、2号车与3号车的相对距离分别为L″₁₃、L″₂₃(L″₁₃≥L、L″₂₃≥L)，相对速度为ΔV″₁、ΔV″₂，以此可求此时三辆车的实时速度和加速度：

V′₁＝V′₃+ΔV′₁，V′₂＝V′₃+ΔV′₂

V″₁＝V″₃+ΔV″₁，V″₂＝V″₃+ΔV″₂

设定限定加速度为A(A＞0)，即车辆加速度大于A，判定为大幅度加速，小于-A为大幅减速。若此时，1号车、2号车没有大幅度减速或加速，即A₁＞-A且A₂＜A，仍以现在的状态行驶，道路中无障碍物或其他突发情况，则3号车按原决策方案进行变道，全程所需时间为T，可求得完成变道时，三辆车的行驶距离分别为S₁、S₂、S₃，1号车与3号车距离为L′₁₃， 2号车与3号车相距L′₂₃，则有下列数学关系式：

L′₁₃＝L₁+(S₁-S₃·cosθ)

L′₂₃＝L₂+(S₂-S₃·cosθ)

经过以上计算，如果L′₁₃≥L且L′₂₃≥L，则变道方案可行，继续进行，如果L′₁₃＜L或者 L′₂₃＜L，那么就要暂停变道，按图3的方法重新规划，按照新方案执行。

若在变道过程中，1号车加速度A₁＜-A，或者2号车加速度A₂＞A，则要参照图3所示，按上述方法重新规划变道方案，模拟计算3号车变道所需的加速度与转向角角度。若模拟计算可得出变道方案，则按照新的方案进行变道。反之，终止变道进行，重新规划计算，直至有可行的方案出现，再进行变道。

若在变道过程中，激光雷达检测到障碍物，或者发生其他突变情况，则暂停变道，判断是否能够避开障碍物，重新规划方案，然后执行。

参照图6所示的流程图，对本发明所提出的自主变道决策方法运行流程作了介绍，下面具体的描述实现步骤。

步骤601：系统首先利用信息采集模块2的摄像机21采集车道线信息，以便区分是虚线还是直线；用毫米波雷达22测出前后车辆与本车的相对速度和距离，用激光雷达23监测道路上是否有障碍物等信息，然后将这些信息传输给车辆主控制模块1进行分析判断；

步骤602：由车辆主控制模块1将采集到的信息进行数据分析，判断车道是否为虚线、与目标车道上的前后车辆间的距离是否大于安全距离以及道路上是否有障碍物。

步骤603：若车道线不是虚线，或者本车与前后车的相对距离都小于车辆间安全行驶距离，那就继续采集信息，直至车道线为虚线，并且与前后车相对距离都大于安全距离；

步骤604：满足起初的变道要求后，由车辆主控制模块1将所有信息数据进行融合处理，通过模拟计算，得出变道决策方案，即变道轨迹和控制数据；

步骤605：将决策信息传输给控制执行模块3，根据决策方案中的转向角角度、速度操控本车，实行变道。

步骤606：在变道过程中，信息采集模块2仍需要一直采集信息，同时本车信息反馈模块4 也将由速度传感器测得的本车的速度和由陀螺仪测得的转向角角度传输给车辆主控制模块1，实现环境与车辆的实时跟踪监测，再由车辆主控制模块1对这些信息进行分析处理，以便及时调整变道方案；

步骤607：在变道跟踪检测时，若毫米波雷达测得目标车道的前方车辆，即1号车，突然减速，且减速幅度较大，甚至紧急刹车，或者后方车辆，即2号车突然大幅度加速，则本车需要立即对采集到的数据进行分析，判断是否能够继续变道动作，重新规划变道方案。如果前后车辆的速度没有大幅度变化，则继续执行下面的步骤。

步骤608：如果在变道过程遇到障碍物、车道线突然变为实线，或者其他突发情况，则立刻停止变道执行，由车辆主控制模块1将采集到的信息进行处理分析，判断是否继续进行变道，能否绕过障碍物等，重新得出变道决策方案，由控制执行模块3执行决策动作。

步骤609：如果没有遇到障碍物或其他突发情况，就继续变道，直至到达目标车道位置，完成变道。

整个自主变道流程中，信息采集模块2和本车信息反馈模块4需要一直工作，并将获得的实时信息数据传输到车辆主控制模块1，以便工控机11及时处理这些数据，判断在变道过程中是否有突发情况发生，如出现障碍物、前后车辆的变速等，影响到变道的执行，并根据实际情况调整变道方案，将新的控制指令输送到控制执行模块，控制车辆动作。

特殊情况说明：

(1)如果在变道过程中，在目标车道上，位于本车后方的位置无任何车辆，就可将后方车辆突然加速的情况忽略，只需考虑前方车辆的行驶状态以其与本车的位置情况，然后进行条件判断和模拟计算；

(2)如果在变道过程中，在目标车道上，位于本车前方的位置无任何车辆，就可将目标车道上前方车辆突然减速的情况忽略，在模拟计算时，设定完成变道时本车与后方车辆的相对距离为安全变道距离，然后进行决策计算；

(3)如果在变道过程中，在本车道上前方有车辆，则需考虑在变道时，本车与其的相对距离是否始终大于安全距离，如不满足则不可进行变道。另外，若在变道过程中，本车要终止变道，回到本车道时，要重新规划方案，将本车道变为目标车道，然后进行模拟计算再执行。

以上提供的决策方案中的条件判断、计算部分、数据分析等内容可以通过软件编程实现，其软件程序存储在可读取的存储介质中，存储介质例如：计算机中的硬盘、光盘或软盘。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明技术思想下所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种无人驾驶汽车的自主变道决策方法，其特征在于，包括变道决策系统模块和变道决策计算方法：

所述的变道决策系统模块包括车辆主控制模块、信息采集模块、控制执行模块和本车信息反馈模块；

所述的变道决策计算方法是根据采集本车和周围车辆的速度、位置，以及本车与周围车辆之间的相对距离和道路宽度，设定变道时间和车辆间的安全变道距离，通过模拟计算得出本车的转向角角度和加速度；

所述自主变道决策方法运行流程包括以下具体步骤：

步骤601：系统首先利用信息采集模块的摄像机采集车道线信息，以便区分是虚线还是直线；用毫米波雷达测出前后车辆与本车的相对速度和距离，用激光雷达监测道路上是否有障碍物或突发情况，然后将这些信息传输给车辆主控制模块进行分析判断；

步骤602：由车辆主控制模块将采集到的信息进行数据分析，判断车道是否为虚线、与目标车道上的前后车辆间的距离是否大于安全距离以及道路上是否有障碍物；

步骤603：若车道线不是虚线，或者本车与前后车的相对距离都小于车辆间安全行驶距离，那就继续采集信息，直至车道线为虚线，并且与前后车相对距离都大于安全距离；

步骤604：满足起初的变道要求后，由车辆主控制模块将所有信息数据进行融合处理，通过模拟计算，得出变道决策方案，即变道轨迹和控制数据；

步骤605：将决策信息传输给控制执行模块，根据决策方案中的转向角角度、速度操控本车，实行变道；

步骤606：在变道过程中，信息采集模块仍需要一直采集信息，同时本车信息反馈模块也将由速度传感器测得的本车的速度和由陀螺仪测得的转向角角度传输给车辆主控制模块，实现环境与车辆的实时跟踪监测，再由车辆主控制模块对这些信息进行分析处理，以便及时调整变道方案；

步骤607：在变道跟踪检测时，若毫米波雷达测得目标车道的前方车辆，即1号车，突然减速，且减速幅度较大，甚至紧急刹车，或者后方车辆，即2号车突然大幅度加速，则本车需要立即对采集到的数据进行分析，判断是否能够继续变道动作，重新规划变道方案；如果前后车辆的速度没有大幅度变化，则继续执行下面的步骤；

步骤608：如果在变道过程遇到障碍物、车道线突然变为实线，或者其他突发情况，则立刻停止变道执行，由车辆主控制模块将采集到的信息进行处理分析，判断是否继续进行变道，能否绕过障碍物或突发情况，重新得出变道决策方案，由控制执行模块执行决策动作；

步骤609：如果没有遇到障碍物或其他突发情况，就继续变道，直至到达目标车道位置，完成变道；

所述的变道决策计算方法步骤为：

(1)设定车辆间的安全变道距离，根据信息采集模块测得的车辆相对距离、车道线和障碍物，判断是否满足变道的初始条件，若满足则进行模拟计算；

(2)设定变道时间和目标车道前后车辆的行驶状态，计算得到前后车辆变道完成后的行驶距离和相对距离；

(3)设定变道完成后本车的位置，根据三辆车的位置关系，若满足变道终止条件，则模拟本车的行车轨迹，计算得出本车变道过程中的转向角角度和加速度；

其中，步骤(1)所设定的车辆间的安全变道距离为L，仪器测得道路宽度为D，前后车辆与本车的相对距离为L₁₃、L₂₃，若L₁₃≥L且L₂₃≥L，道路中无障碍物、车道线为虚线，则满足变道的初始条件，还可得前后车辆的相对距离L₁₂：

步骤(2)所设定的变道时间为T，前后车辆在变道过程中保持速度不变，分别为V₁、V₂，计算得变道完成后行驶距离为S₁、S₂，相对距离为

S₁＝V₁T，S₂＝V₂T

步骤(3)所设定的本车位置为相距前方车辆则与后方车辆相距若表示满足变道终止条件，可计算得出本车的行驶距离S₃、转向角角度θ、结束时速度和加速度

2.如权利要求1所述的一种无人驾驶汽车的自主变道决策方法，其特征在于，所述的车辆主控制模块是一台工控机组成的，用于对采集到的信息进行分析处理，得出决策信息，输出到控制执行模块。

3.如权利要求1所述的一种无人驾驶汽车的自主变道决策方法，其特征在于，所述的控制执行模块包括：制动控制器、转向控制器、转向灯控制器和油门控制器，用于接收决策信息，根据决策信息改变本车的速度、转向角和转向灯，完成变道动作。