CN106218638A - 一种智能网联汽车协同换道控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于无线通信技术的智能网联汽车协同换道控制方法，用于智能交通/汽车主动安全控制技术领域，可解决车辆换道过程中由于人为判断失误造成的碰撞事故，保障车辆行驶安全性。本发明基于智能网联汽车技术实现，首先通过无线通信单元获取周围车辆行驶状态与行驶意图，根据车辆换道运动特性及不同车道车辆相对位置建立纵向安全距离模型，提出基于模糊控制理论的换道控制策略，计算得出车辆在匀速和匀加速行驶时不同交通场景下的期望加速度值，完成对目标车辆在换道过程中的车速控制，同时计算出周围车辆的期望加速度值，通过实现换道车辆与周围车辆始协同控制，达到避免车辆换道过程中发生碰撞事故的目的。

Description

一种智能网联汽车协同换道控制方法

技术领域

本发明属于智能交通/汽车主动安全控制技术领域，具体涉及一种基于无线通信技术的智能网联汽车协同换道控制方法，用于解决车辆换道行驶过程中由于信息获取不及时而造成的碰撞安全事故。

背景技术

从国内外换道控制系统的发展现状可知，针对车辆换道过程中的安全问题，现有的换道驾驶辅助系统大多只能在车辆换道前对换道进行危险预警，并不能在整个换道过程中为驾驶员提供动态的驾驶建议。当驾驶员产生换道意图后，现有换道辅助系统无法针对当前交通环境对换道控制方法进行可行性评估。其主要原因是现有换道驾驶辅助系统采用的换道模型都是基于车辆运动学规律建立的，其中没有考虑时变交通环境因素和驾驶员个体行为，不能够准确反映人－车－路闭环系统下，驾驶员在换道过程中的感知－决策－执行过程。

据数据统计，所有交通事故中由换道引起的约占4％～10％。换道事故中驾驶员负主要责任的约占75％，虽然由其引起的交通事故死亡人数仅占总死亡人数的0.5％左右，但是由其引起的交通延误却占交通事故总延误时间的10％，给社会造成了巨大的经济损失。

随着智能交通和车联网技术的发展，先进的信息采集、信息交互技术和计算机技术的发展使实时数据融合成为了可能，这些都促进了智能网联汽车技术和换道驾驶辅助系统的发展。在无线通信环境下，智能网联汽车可以更容易地感知和获取周围的环境和车辆信息，并进行实时分析与辅助预警，进而提高换道驾驶辅助系统的效果。

因此，本发明利用智能网联汽车的技术优势，提出一种用于避免换道过程中发生碰撞事故的车车协同换道控制方法，以无线通信环境下的先进信息获取与交互技术为基础，提出模糊换道车车协同控制规则，来解决车辆换道中的安全问题。

相关技术：

1、换道驾驶辅助系统

换道驾驶辅助系统是一种典型的车辆安全驾驶辅助系统。通过利用后视雷达、侧视雷达和两个CCD摄像机的信息，先进行相邻车道识别，然后利用信息融合技术进行车辆识别，其中各传感器的信息权重根据实际路况而设定，再来跟踪目标车辆，最后使用相对运动的分析来制定预警策略。该系统在邻车道车辆相对静止或低速运动的状况下性能较好，但很大程度上取决于车道检测的结果。

2、智能网联汽车

智能网联汽车是具有先进的短程无线通信与互联网接入功能的智能化车辆，智能网联汽车可以实时采集自车状态信息及绝对位置，并对邻车的行驶信息及周边环境信息进行获取。通过算法分析将驾驶指令传达给驾驶员并运用无线通信技术将驾驶意图发送给周边车辆，同时能够接收邻车发来的驾驶意图信息，具有网联化和智能化的特点。

现有技术不足

1、对于换道辅助系统，大多是基于单车做的决策控制，以换道开始时刻的车辆运动学特性为依据进行换道的建模，进而在换道行为发生之前对驾驶员进行换道碰撞危险性预警；然而这种预警方法建立在周围车辆静态的行驶信息基础上实现，同时缺乏车车通信功能，换道过程中无法实时获取的动态交通环境信息，导致换道控制存在一定滞后性。

2、对于换道过程的安全距离预测方法，传统换道控制主要通过驾驶员对周围环境信息、及路况进行判断,大多是基于本车车速、车间距等基本变量进行研究，获取数据信息单一，不能够获得其他车辆的加速度、制动踏板压力等信息，同时基于传统传感器获取的数据易发生偏差和滞后，造成安全距离预测不准确等问题，难以为换道控制系统提供精确的判断依据。

发明内容

针对以上相关技术的不足，本发明充分利用车车通信的技术优势，基于模糊控制理论设计出考虑周围车辆动态特性的最小安全距离和协同换道控制方法。具体采用如下技术方案，该方法包括：

步骤1：M车驾驶员产生换道意图后与F车进行无线通信，若F车驾驶员无换道意图，M车继续换道，进入步骤2；反之，M车驾驶员放弃换道，匀速行驶；

步骤2：若M车当前的速度V_M减去F车当前的速度V_F的差值大于设定的阈值，则M车进行匀速换道；若V_M减去V_F的差值小于等于设定的阈值，则M车进行匀加速换道；

步骤3：当M车进行匀速或匀加速换道时，M车与周围车辆进行无线通信，得到F车、b车、f车各自的速度，及F车、b车、f车各自与M车的实际纵向距离，同时分别计算M车与F车、b车、f车的最小换道安全距离，根据最小换道安全距离与实际纵向距离的比较，来确定M车换道过程中F车、b车、f车采取的速度控制策略；

其中，M车为待换道车辆，F车为M车同车道相邻前车，b车为M车待换车道的相邻后车，f车为M车待换车道的相邻前车。

优选地，

当M车进行匀速换道时，M车与F车、b车、f车的最小换道安全距离计算方式如下，

M车与b车的最小换道安全距离S_MSD-b为：

$S_{MSD-b}=\frac{d}{sin\mathrm{\θ}}(\frac{v_b}{v_M}-cos\mathrm{\θ})+L\·cos\mathrm{\θ};$

M车与f车的最小换道安全距离S_MSD-f为：

$S_{MSD-f}=\frac{d}{sin\mathrm{\θ}}(cos\mathrm{\θ}-\frac{v_f}{v_M})+L;$

M车与F车的最小换道安全距离S_MSD-F为：

$S_{MSD-F}=\frac{d}{2\sin \mathrm{\θ}}(cos\mathrm{\θ}-\frac{v_F}{v_M})+L;$

其中，V_M、V_b、V_f、V_F分别为M车、b车、f车、F车当前的速度，θ为M车换道过程中与车道线的夹角；L为M车长；d为单条车道宽度。

优选地，当M车进行匀速换道时，

M车与b车的实际纵向距离L_Mb大于最小换道安全距离S_MSD-b时，b车继续匀速行驶；

M车与b车的实际纵向距离L_Mb小于等于最小换道安全距离S_MSD-b时，b车采用如下加速度a_b行驶：

$a_b=-\frac{2sin\mathrm{\θ}\·v_M}{d}(\frac{v_b}{v_M}-cos\mathrm{\θ})+\frac{2{\sin }^2\mathrm{\θ}\·{v_M}^2}{d^2}(L_{Mb}-Lcos\mathrm{\θ}):$

M车与f车的实际纵向距离L_Mf大于最小换道安全距离S_MSD-f时，f车继续匀速行驶；

M车与f车的实际纵向距离L_Mf小于等于最小换道安全距离S_MSD-f时，f车采用如下加速度a_f行驶：

$a_f=\frac{2sin\mathrm{\θ}\·v_M}{d}(cos\mathrm{\θ}-\frac{v_f}{v_M})+\frac{2{\sin }^2\mathrm{\θ}\·{v_M}^2}{d^2}(L-L_{Mf});$

M车与F车的实际纵向距离L_MF大于最小换道安全距离S_MSD-F时，F车继续匀速行驶；

M车与F车的实际纵向距离L_Mf小于等于最小换道安全距离S_MSD-F时，F车采用如下加速度a_F行驶：

$a_F=\frac{4sin\mathrm{\θ}\·v_M}{d}(cos\mathrm{\θ}-\frac{v_F}{v_M})+\frac{8{\sin }^2\mathrm{\θ}\·{v_M}^2}{d^2}(L-L_{MF}).$

优选地，

当M车进行匀加速换道时，M车与F车、b车、f车的最小换道安全距离计算方式如下，

M车与b车的最小换道安全距离S_MSD-b为：

$S_{MSD-b}=\frac{{(v_b-v_M)}^2}{2a_M}+L;$

M车与f车的最小换道安全距离S_MSD-f为：

$S_{MSD-f}=-\frac{{(v_f-v_M)}^2}{2a_M}+L;$

M车与F车的最小换道安全距离S_MSD-F为：

$S_{MSD-F}=\frac{1}{8a_M}(v_L-v_M)(v_L+3v_M-4v_F)+L;$

其中，V_M、V_b、V_f、V_F分别为M车、b车、f车、F车当前的初始速度，a_M为M车换道时采用的加速度，V_L为M车换道完成后的目标车速，θ为M车换道过程中与车道线的夹角；L为M车长。

优选地，当M车进行匀加速换道时，

M车与b车的实际纵向距离L_Mb大于最小换道安全距离S_MSD-b时，b车继续匀速行驶；

M车与b车的实际纵向距离L_Mb小于等于最小换道安全距离S_MSD-b时，b车采用如下加速度a_b行驶：

$a_b=a_M+\frac{2a_M^2(L_{Mb}-L)}{{(v_b-v_M)}^2};$

M车与f车的实际纵向距离L_Mf大于最小换道安全距离S_MSD-f时，f车继续匀速行驶；

M车与f车的实际纵向距离L_Mf小于等于最小换道安全距离S_MSD-f时，f车采用如下加速度a_f行驶：

$a_f=\frac{2a_M^2(L-L_{Mf})}{{(v_f-v_M)}^2}-a_M;$

M车与F车的实际纵向距离L_MF大于最小换道安全距离S_MSD-F时，F车继续匀速行驶；

M车与F车的实际纵向距离L_Mf小于等于最小换道安全距离S_MSD-F时，F车采用如下加速度a_F行驶：

$a_F=\frac{8a_M^2(L-L_{MF})}{{(v_L-v_M)}^2}+\frac{a_M(v_L+3v_M-4v_F)}{(v_L-v_M)}.$

本发明具有如下有益效果：

1、本发明充分利用智能网联汽车技术优势，基于动态获取交通环境信息以及周围车辆的行驶状态信息，实时计算不同环境下的安全距离，实现不同车道的车辆协同换道控制，弥补了现有换道控制技术获取信息单一，驾驶员判断滞后和缺乏车车协作的缺陷。

2、考虑了待换道车辆的匀速换道和匀加速换道时的两种控制模式，同时根据当前交通环境动态评估换道控制方法的可行性，建立相邻车辆需要实现协同换道的车速控制策略，避免换道过程中发生车辆碰撞事故，使换道过程更加安全可靠。

附图说明

图1为智能网联汽车换道基本情况图。

图2为智能网联汽车换道控制流程图。

图3为M车与b车换道位置关系图。

图4为M车与f车换道位置关系图。

图5为M车与F车换道位置关系图。

具体实施方式

一、智能网联汽车换道控制流程

如图1所示，车辆自西向东匀速行驶；实线为道路沿线，虚线为可变道的车道线，其中左侧车道为换道目标车道；左侧车道行驶车辆分别以小写字母b表示为后车,f表示为前车，右侧车道行驶车辆分别以大写字母B表示后车,F表示前车，M车为换道车辆；

车辆换道基本情况如图1所示，其中V_M，V_F指M车与F车的速度，L_Mb、L_Mf、L_MF指M车与b车、f车、F车的实际纵向距离，S_Mb、S_Mf、S_MF指M车与b车、f车、F车的理论最小安全距离。

车辆换道控制过程主要分为以下几个步骤：

步骤1：M车驾驶员产生换道意图后与同车道前车F车进行无线通信，若F车驾驶员无换道意图，M车继续换道，进入第二步；反之，M车驾驶员放弃换道，匀速行驶。

步骤2：M车与F车进行无线通信，得到F车的速度V_F，若V_M-V_F>20Km/h，M车进行匀速换道；反之，M车进行匀加速换道。

步骤3：M车与F车进行无线通信，得到F车、b车、f车的速度位置信息，利用换道安全距离模型计算理论换道安全距离，若理论换道安全距离大于实际车辆安全距离，则F车、b车或f车进行加速或减速，加速度的计算见下文；反之，相关车辆匀速行驶。

车辆换道控制流程图如图2所示，

二、智能网联汽车匀速换道时安全距离模型

M车驾驶员产生换道意图后与同车道前车F车进行无线通信并得到F车速度，若F车无换道意图且V_M-V_F>20Km/h，则M车进行匀速换道。

步骤1：M车与b车之间的最小纵向安全距离

如图3所示，M车换道时，与目标车道上后车b之间的运动轨迹图，此时两车之间可能发生的碰撞形式有斜向碰撞和追尾碰撞。

以车辆左上角为参考点，为保证本车M换道时，不与b车发生碰撞，则应满足如下条件:

S(0)+S_M≥S_b+L·cosθ，

即S(0)≥S_b-S_M+L·c o sθ (2.1)

S(0)为M车与b车在初始时刻的纵向距离，

设t₁为本车M到达可能碰撞点的时间；设S_b为t₁时段内b车所行驶的纵向距离；设S_M为t₁时段内M车所行驶的纵向距离；θ为车辆M换道过程中与车道线的夹角；L为车长,通常取5m；M车换道所行驶的横向距离为一条车道的宽度，为d＝3.75m。由于V_M，V_b已知,故：

为保证M车在整个换到过程中安全行驶，t₁取最大值，为完成换道所需的总时间。

本车M到达可能碰撞点的时间t₁：

$t_1=\frac{d}{sin\mathrm{\θ}\·v_M}---\left(2.2\right)$

t₁时段内M车所行驶的纵向距离：

$S_M=v_M\·cos\mathrm{\θ}\·t_1=\frac{v_M\·d\·cos\mathrm{\θ}}{sin\mathrm{\θ}\·v_M}=d\·\cot \mathrm{\θ}---\left(2.3\right)$

t₁时段内b车所行驶的纵向距离：

$S_b=v_b\·t_1=\frac{v_b\·d}{\sin \mathrm{\θ}\·v_M}---\left(2.4\right)$

由公式(2.1)、(2.2)、(2.3)、(2.4)得：

$S\left(0\right)\≥\frac{d}{sin\mathrm{\θ}}(\frac{v_b}{v_M}-cos\mathrm{\θ})+L\·cos\mathrm{\θ}---\left(2.5\right)$

M车与b车之间的最小纵向安全距离S_MSD-b为：

S_MSD-b＝min{S(0)}

即:

步骤2：M车与f车之的最小纵向安全距离

如图4所示，M车换道时，与目标车道上前车f之间的运动轨迹图，此时两车之间可能发生的碰撞形式有斜向碰撞和追尾碰撞。

设S(0)为M车与f车在初始时刻的纵向距离，以车辆右上角为参考点，为保证本车M不与f发生碰撞，则应满足如下条件:

S(0)+S_f≥S_M+L

即S(0)≥S_M-S_f+L (2.7)

设t₂为本车M到达可能碰撞点的时间；为S_f为t₂时段内f车所行驶的纵向距离；为S_M为t₂时段内M车所行驶的纵向距离；L为车长，通常取5m；M车换道所行驶的横向距离为一条车道的宽度，为d＝3.75m。由于V_M，V_f，θ已知，故：

为保证M车在整个换到过程中安全行驶，t₂取最大值，为完成换道所需的总时间。

本车M到达可能碰撞点的时间t₂：

$t_2=\frac{d}{sin\mathrm{\θ}\·v_M}---\left(2.8\right)$

t₂时段内M车所行驶的纵向距离：

$S_M=v_M\·cos\mathrm{\θ}\·t_2=\frac{v_M\·d\·cos\mathrm{\θ}}{sin\mathrm{\θ}}=d\·\cot \mathrm{\θ}---\left(2.9\right)$

t₂时段内f车所行驶的纵向距离：

$S_f=v_f\·t_2=\frac{v_f\·d}{\sin \mathrm{\θ}\·v_M}---\left(2.10\right)$

由(2.7)、(2.8)、(2.9)、(2.10)得：

$S\left(0\right)\≥\frac{d}{\sin \mathrm{\θ}}(cos\mathrm{\θ}-\frac{v_f}{v_M})+L---\left(2.11\right)$

M车与f车之间的最小纵向安全距离S_MSD-f为：

S_MSD-f＝min{S(0)}

即:

步骤3：M车与F车之间的最小纵向安全距离

如图5所示，M车换道时，与目标车道上前车F之间的运动轨迹图，此时两车之间可能发生的碰撞形式为斜向碰撞。

设S(0)为M车与F车在初始时刻的纵向距离，以车辆右上角为参考点，为保证本车M与F车不发生碰撞，则应满足如下条件:

S(0)+S_F≥S_M+L

即S(0)≥S_M-S_F+L (2.13)

式中:设t₃为本车M到达可能碰撞点的时间，S_F为t₃时段内F车所行驶的纵向距离；S_M此时为t₃时段内本车M所行驶的纵向距离，L为车长，通常取5m；M车换道所行驶的横向距离为一条车道的宽度，为d＝3.75m。由于V_M，V_F，θ已知，设本车M在t₃时刻到达可能碰撞点，t₄时刻完成换道，则取故：

完成换道所需的总时间t₄：

$t_4=\frac{d}{sin\mathrm{\θ}\·v_M}---\left(2.14\right)$

因此 $t_3=\frac{1}{2}{t}_4=\frac{d}{2sin\mathrm{\θ}\·v_M}---\left(2.15\right)$

t₃时段内M车所行驶的纵向距离：

$S_M=v_M\·t_3\·cos\mathrm{\θ}=\frac{d}{2\tan \mathrm{\θ}}---\left(2.16\right)$

t₃时段内F车所行驶的纵向距离：

$S_F=v_F\·t_3=\frac{d\·v_F}{2\sin \mathrm{\θ}\·v_M}---\left(2.17\right)$

由(2.13)、(2.14)、(2.15)、(2.16)、(2.17)得：

$S\left(0\right)\≥\frac{d}{2\sin \mathrm{\θ}}(cos\mathrm{\θ}-\frac{v_F}{v_M})+L---\left(2.18\right)$

M车与F车之间的最小纵向安全距离S_MSD-F为：

S_MSD-F＝min{S(0)}

即：

三、智能网联汽车匀加速换道时安全距离模型

M车驾驶员产生换道意图后与同车道前车F车进行无线通信并得到F车速度，若F车无换道意图且V_M-V_F≦20Km/h，则M车进行匀加速换道。

步骤1：M车与b车之间的最小纵向安全距离

如图3所示，M车换道时，与目标车道上后车b之间的运动轨迹图，此时两车之间可能发生的碰撞形式有斜向碰撞和追尾碰撞。

以车辆左上角为参考点，为保证本车M换道时，不与b车发生碰撞，则应满足如下条件:

S(0)+S_M≥S_b+L·cosθ，

即S(0)≥S_b-S_M+L·cosθ

因为θ的值一般为3度到5度，所以cosθ≈1，

即S(0)≥S_b-S_M+L (3.1)

S(0)为M车与b车在初始时刻的纵向距离。

设t₁为本车M完成加速的时间；设S_b为t₁时段内b车所行驶的纵向距离；设S_M为t₁时段内M车所行驶的纵向距离；θ为车辆M换道过程中与车道线的夹角,L为车长，通常取5m；由于V_M，V_b，a_M已知，换道完成后M车速为V_b，故：本车M完成加速的时间：

$t_1=\frac{v_b-v_M}{a_M}---\left(3.2\right)$

t₁时段内M车所行驶的纵向距离：

$S_M=\frac{v_b^2-v_M^2}{2a_M}=\frac{v_b-v_M}{a_M}\·\frac{v_b+v_M}{2}---\left(3.3\right)$

t₁时段内b车所行驶的纵向距离：

$S_b=v_b\·t_1=\frac{v_b(v_b-v_M)}{a_M}---\left(3.4\right)$

由公式(3.1)、(3.2)、(3.3)、(3.4)得：

$S\left(0\right)\≥\frac{{(v_b-v_M)}^2}{2a_M}+L---\left(3.5\right)$

M车与b车之间的最小纵向安全距离S_MSD-b为：

S_MSD-b＝min{S(0)}

即:

步骤2：M车与f车之的最小纵向安全距离

如图4所示，M车换道时，与目标车道上前车f之间的运动轨迹图，此时两车之间可能发生的碰撞形式有斜向碰撞和追尾碰撞。

设S(0)为M车与f车在初始时刻的纵向距离，以车辆右上角为参考点，为保证本车M不与f发生碰撞，则应满足如下条件:

S(0)+S_f≥S_M+L,

即S(0)≥S_M-S_f+L (3.7)

设t₂为本车M完成加速的时间；S_f为t₂时段内f车所行驶的纵向距离；为S_M为t₂时段内M车所行驶的纵向距离；L为车长,通常取5m；由于V_M，V_f，a_M已知，换道完成后M车速为V_f，故：

本车M完成加速的时间：

$t_2=\frac{v_f-v_M}{a_M}---\left(3.8\right)$

t₂时段内M车所行驶的纵向距离：

$S_M=\frac{v_f^2-v_M^2}{2a_M}=\frac{v_f-v_M}{a_M}\·\frac{v_f+v_M}{2}---\left(3.9\right)$

t₂时段内f车所行驶的纵向距离：

$S_f=\frac{v_f(v_f-v_M)}{a_M}---\left(3.10\right)$

由(3.7)、(3.8)、(3.9)、(3.10)得：

$S\left(0\right)\≥-\frac{{(v_f-v_M)}^2}{2a_M}+L---\left(3.11\right)$

M车与f车之间的最小纵向安全距离S_MSD-f为：

S_MSD-f＝min{S(0)}

即:

步骤3：M车与F车之间的最小纵向安全距离

如图5所示，M车换道时，与目标车道上前车F之间的运动轨迹图，此时两车之间可能发生的碰撞形式为斜向碰撞。

设S(0)为M车与F车在初始时刻的纵向距离，以车辆右上角为参考点，为保证本车M与F车不发生碰撞，则应满足如下条件:

S(0)+S_F≥S_M+L

即S(0)≥S_M-S_F+L (3.13)

式中:设t₃为本车M到达可能碰撞点的时间，S_F为t₃时段内F车所行驶的纵向距离；S_M此时为t₃时段内本车M所行驶的纵向距离,L为车长,通常取5m；由于V_M，V_F，a_M已知，换道完成后M车速为V_L，V_L为目标车道车辆速度，设本车M在t₃时刻到达可能碰撞点，t₄时刻完成换道，则取故：

本车M完成加速的时间：

$t_4=\frac{v_L-v_M}{a_M}---\left(3.14\right)$

因此

t₃时段内M车所行驶的纵向距离：

$S_M=v_M{t}_3+\frac{1}{2}{a}_M{t}_3^2---\left(3.16\right)$

t₃时段内F车所行驶的纵向距离

S_F＝v_Ft₃ (3.17)

由(3.13)、(3.14)、(3.15)、(3.16)、(3.17)得：

$S\left(0\right)\≥\frac{1}{8a_M}(v_L-v_M)(v_L+3v_M-4v_F)+L---\left(3.18\right)$

M车与F车之间的最小纵向安全距离S_MSD-F为：

S_MSD-F＝min{S(0)}

即：

四、基于模糊控制的智能网联汽车协同换道控制方法

模糊控制过程

步骤1：模糊控制规则的一个输入量为通过无线通信得到的M车的速度V_M，b车的速度V_b，f车的速度V_f，F车的速度V_F，M车的加速度a_M，M车与b车的实际纵向距离L_Mb，M车与f车的实际纵向距离L_Mf，M车与F车的实际纵向距离L_MF计算车辆间理论最小安全距离与车辆间实际距离的差值。

步骤2：模糊控制规则的输出量为b车的加速度a_b，f车的加速度a_f，F车的加速度a_F。

步骤3：模糊控制具体过程：

根据输入量M车的速度V_M，F车的速度V_F，计算v_MF＝v_M-v_F，若V_M－V_F>20Km/h，则M车匀速换道，否则匀加速换道。

1)根据输入量M车的速度V_M，b车的速度V_b，f车的速度V_f，F车的速度V_F，M车的加速度a_M计算M车与F车之间的最小纵向安全距离。

(1)匀速换道：

M车与b车之间的最小纵向安全距离S_Mb为：

$S_{MSD-b}=\frac{d}{sin\mathrm{\θ}}(\frac{v_b}{v_M}-cos\mathrm{\θ})+L\·cos\mathrm{\θ}---\left(4.1\right)$

M车与f车之间的最小纵向安全距离S_Mf为：

$S_{MSD-f}=\frac{d}{\sin \mathrm{\θ}}(cos\mathrm{\θ}-\frac{v_f}{v_M})+L---\left(4.2\right)$

M车与F车之间的最小纵向安全距离S_MF为：

$S_{MSD-F}=\frac{d}{2\sin \mathrm{\θ}}(cos\mathrm{\θ}-\frac{v_F}{v_M})+L---\left(4.3\right)$

(2)匀加速换道

M车与b车之间的最小纵向安全距离S_Mb为：

$S_{Mb}=S_{MSD-b}=\frac{{(v_b-v_M)}^2}{2a_M}+L---\left(4.4\right)$

M车与f车之间的最小纵向安全距离S_Mf为：

$S_{Mf}=S_{MSD-f}=-\frac{{(v_f-v_M)}^2}{2a_M}+L---\left(4.5\right)$

M车与F车之间的最小纵向安全距离S_MF为：

3)比较理论最小纵向安全距离与实际纵向距离的大小，根据比较结果分为8种情况，如表4.1；

表4.1 理论与实际纵向距离比较表

4)根据上述8种情况作出b车，f车，F车各车的反应情况，如表4.2:

表4.2 各情况相关车辆反应表

注：0:匀速1：加速

(1)匀速模型中各车的加速度：

b车的加速度:

由M车与b车的最小纵向安全距离S_Mb与实际最小纵向安全距离L_Mb得：

$S_{Mb}-L_{Mb}=-\frac{1}{2}{a}_b{t}_1^2---\left(4.7\right)$

$t_1=\frac{d}{sin\mathrm{\θ}\·v_M}---\left(4.8\right)$

由(4.1)、(4.7)、(4.8)得：

b车的加速度：

即：

f车的加速度:

由M车与f车的最小纵向安全距离S_Mf与实际最小纵向安全距离L_Mf得：

$S_{Mf}-L_{Mf}=\frac{1}{2}{a}_f{t}_2^2---\left(4.10\right)$

$t_2=\frac{d}{sin\mathrm{\θ}\·v_M}---\left(4.11\right)$

由(4.2)、(4.10)、(4.11)得：

f车的加速度：

即：

F车的加速度:

由M车与F车的最小纵向安全距离S_MF与实际最小纵向安全距离L_Mf得：

$S_{MF}-L_{MF}=\frac{1}{2}{a}_F{t}_3^2---\left(4.13\right)$

$t_3=\frac{d}{2sin\mathrm{\θ}\·v_M}---\left(4.14\right)$

由(4.3)、(4.13)、(4.14)得：

F车的加速度:

即：(2)匀加速模型中各车加速度：

b车的加速度:

由M车与b车的最小纵向安全距离S_Mb与实际最小纵向安全距离L_Mb得：

$S_{Mb}-L_{Mb}=-\frac{1}{2}{a}_b{t}_1^2---\left(4.16\right)$

$t_1=\frac{v_b-v_M}{a_M}---\left(4.17\right)$

由(4.4)、(4.16)、(4.17)得：

b车的加速度：

$a_b=-\frac{2(S_{Mb}-L_{Mb})}{t_1^2}=-\frac{2a_M^2(S_{Mb}-L_{Mb})}{{(v_b-v_M)}^2}=a_M+\frac{2a_M^2(L_{Mb}-L)}{{(v_b-v_M)}^2}---\left(4.18\right)$

f车的加速度:

由M车与f车的最小纵向安全距离S_Mf与实际最小纵向安全距离L_Mf得：

$S_{Mf}-L_{Mf}=\frac{1}{2}{a}_f{t}_2^2---\left(4.19\right)$

$t_2=\frac{v_f-v_M}{a_M}---\left(4.20\right)$

由(4.5)、(4.19)、(4.20)得：

f车的加速度:

$a_f=\frac{2(S_{Mf}-L_{Mf})}{t_2^2}=\frac{2a_M^2(S_{Mf}-L_{Mf})}{{(v_f-v_M)}^2}=\frac{2a_M^2(L-L_{Mf})}{{(v_f-v_M)}^2}-a_M---\left(4.21\right)$

F车的加速度:

由M车与F车的最小纵向安全距离S_MF与实际最小纵向安全距离L_Mf得：

$S_{MF}-L_{MF}=\frac{1}{2}{a}_F{t}_3^2---\left(4.22\right)$

$t_3=\frac{v_L-v_M}{2a_M}---\left(4.23\right)$

由(4.6)、(4.22)、(4.23)得：

F车的加速度:

$a_F=\frac{2(S_{MF}-L_{MF})}{t_3^2}=\frac{8a_M^2(S_{MF}-L_{MF})}{{(v_L-v_M)}^2}$

即：

$a_F=\frac{8a_M^2(L-L_{MF})}{{(v_L-v_M)}^2}+\frac{a_M(v_L+3v_M-4v_F)}{(v_L-v_M)}---\left(4.24\right)$

模糊控制规则表

模糊控制过程有以下两种情况：

步骤1：车辆间实际距离大于等于理论最小安全距离时，F车、f车或b车匀速行驶，加速度为0.

步骤2：车辆间实际距离小于理论最小安全距离时，F车、f车或b车匀加速行驶，加速度由换道模型算出。

由模糊控制过程可以归纳总结基于模糊控制理论的模糊控制规则表。该模糊控制过程经归纳有一个输入量，三个输出量。

输入量是车辆间理论最小安全距离与车辆间实际距离的车间距偏差，论域为{‘B’,‘M’,‘S’,‘Z’}，模糊词集为{‘大’,‘中’,‘小’,‘零’}，理想最小安全距离由车辆换道模型算出；

三个输出量则分别为F车、f车或b车的加速度，论域为{‘PB’,‘PM’,‘PS’,‘ZE’,‘NS’,‘NM’,‘NB’}，模糊词集为{‘正大’,‘正中’,‘正小’,‘零’,‘负小’,‘负中’,‘负大’}。

输入变量与输出变量及其论域见表4.3:

表4.3 变量及论域

综上所述，车辆加速度输出量的模糊控制规则表如表4.4：

表4.4 模糊控制规则表

Claims (5)

1.一种汽车换道控制方法，尤其涉及一种智能网联汽车协同换道控制方法，其特征在于：

步骤1：M车驾驶员产生换道意图后与F车进行无线通信，若F车驾驶员无换道意图，M车继续换道，进入步骤2；反之，M车驾驶员放弃换道，匀速行驶；

步骤2：若M车当前的速度V_M减去F车当前的速度V_F的差值大于设定的阈值，则M车进行匀速换道；若V_M减去V_F的差值小于等于设定的阈值，则M车进行匀加速换道；

步骤3：当M车进行匀速或匀加速换道时，M车与周围车辆进行无线通信，得到F车、b车、f车各自的速度，及F车、b车、f车各自与M车的实际纵向距离，同时分别计算M车与F车、b车、f车的最小换道安全距离，根据最小换道安全距离与实际纵向距离的比较，来确定M车换道过程中F车、b车、f车采取的速度控制策略；

其中，M车为待换道车辆，F车为M车同车道相邻前车，b车为M车待换车道的相邻后车，f车为M车待换车道的相邻前车。

2.一种如权利要求1所述的智能网联汽车协同换道控制方法，其特征在于，

当M车进行匀速换道时，M车与F车、b车、f车的最小换道安全距离计算方式如下，

M车与b车的最小换道安全距离S_MSD-b为：

$S_{MSD-b}=\frac{d}{sin\mathrm{\θ}}(\frac{v_b}{v_M}-cos\mathrm{\θ})+L\·cos\mathrm{\θ};$

M车与f车的最小换道安全距离S_MSD-f为：

$S_{MSD-f}=\frac{d}{\sin \mathrm{\θ}}(cos\mathrm{\θ}-\frac{v_f}{v_M})+L;$

M车与F车的最小换道安全距离S_MSD-F为：

$S_{MSD-F}=\frac{d}{2\sin \mathrm{\θ}}(cos\mathrm{\θ}-\frac{v_F}{v_M})+L;$

其中，V_M、V_b、V_f、V_F分别为M车、b车、f车、F车当前的速度，θ为M车换道过程中与车道线的夹角；L为M车长；d为单条车道宽度。

3.一种如权利要求2所述的智能网联汽车协同换道控制方法，其特征在于，

M车与b车的实际纵向距离L_Mb大于最小换道安全距离S_MSD-b时，b车继续匀速行驶；

M车与b车的实际纵向距离L_Mb小于等于最小换道安全距离S_MSD-b时，b车采用如下加速度a_b行驶：

$a_b=-\frac{2sin\mathrm{\θ}\·v_M}{d}(\frac{v_b}{v_M}-cos\mathrm{\θ})+\frac{2{\sin }^2\mathrm{\θ}\·{v_M}^2}{d^2}(L_{Mb}-Lcos\mathrm{\θ});$

M车与f车的实际纵向距离L_Mf大于最小换道安全距离S_MSD-f时，f车继续匀速行驶；

M车与f车的实际纵向距离L_Mf小于等于最小换道安全距离S_MSD-f时，f车采用如下加速度a_f行驶：

$a_f=\frac{2sin\mathrm{\θ}\·v_M}{d}(cos\mathrm{\θ}-\frac{v_f}{v_M})+\frac{2{\sin }^2\mathrm{\θ}\·{v_M}^2}{d^2}(L-L_{Mf});$

M车与F车的实际纵向距离L_MF大于最小换道安全距离S_MSD-F时，F车继续匀速行驶；

M车与F车的实际纵向距离L_Mf小于等于最小换道安全距离S_MSD-F时，F车采用如下加速度a_F行驶：

$a_F=\frac{4sin\mathrm{\θ}\·v_M}{d}(cos\mathrm{\θ}-\frac{v_F}{v_M})+\frac{8{\sin }^2\mathrm{\θ}\·{v_M}^2}{d^2}(L-L_{MF});$

4.一种如权利要求1所述的智能网联汽车协同换道控制方法，其特征在于，

当M车进行匀加速换道时，M车与F车、b车、f车的最小换道安全距离计算方式如下，

M车与b车的最小换道安全距离S_MSD-b为：

$S_{MSD-b}=\frac{{(v_b-v_M)}^2}{2a_M}+L;$

M车与f车的最小换道安全距离S_MSD-f为：

$S_{MSD-f}=-\frac{{(v_f-v_M)}^2}{2a_M}+L;$

M车与F车的最小换道安全距离S_MSD-F为：

$S_{MSD-F}=\frac{1}{8a_M}(v_L-v_M)(v_L+3v_M-4v_F)+L;$

其中，V_M、V_b、V_f、V_F分别为M车、b车、f车、F车当前的初始速度，a_M为M车换道时采用的加速度，V_L为M车换道完成后的目标车速，θ为M车换道过程中与车道线的夹角；L为M车长。

5.一种如权利要求4所述的智能网联汽车协同换道控制方法，其特征在于，

M车与b车的实际纵向距离L_Mb大于最小换道安全距离S_MSD-b时，b车继续匀速行驶；

M车与b车的实际纵向距离L_Mb小于等于最小换道安全距离S_MSD-b时，b车采用如下加速度a_b行驶：

$a_b=a_M+\frac{2a_M^2(L_{Mb}-L)}{{(v_b-v_M)}^2};$

M车与f车的实际纵向距离L_Mf大于最小换道安全距离S_MSD-f时，f车继续匀速行驶；

M车与f车的实际纵向距离L_Mf小于等于最小换道安全距离S_MSD-f时，f车采用如下加速度a_f行驶：

$a_f=\frac{2a_M^2(L-L_{Mf})}{{(v_f-v_M)}^2}-a_M;$

M车与F车的实际纵向距离L_MF大于最小换道安全距离S_MSD-F时，F车继续匀速行驶；

M车与F车的实际纵向距离L_Mf小于等于最小换道安全距离S_MSD-F时，F车采用如下加速度a_f行驶：

$a_F=\frac{8a_M^2(L-L_{MF})}{{(v_L-v_M)}^2}+\frac{a_M(v_L+3v_M-4v_F)}{(v_L-v_M)}.$