CN106364486B

CN106364486B - 一种基于危害分析的智能车辆变道控制方法

Info

Publication number: CN106364486B
Application number: CN201610811163.7A
Authority: CN
Inventors: 蔡英凤; 王艺; 陈龙; 王海; 郑正扬; 刘泽; 何友国; 孙晓强; 唐斌
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2016-09-08
Filing date: 2016-09-08
Publication date: 2019-08-27
Anticipated expiration: 2036-09-08
Also published as: CN106364486A

Abstract

本发明公开了一种基于危害分析的智能车辆变道控制方法，通过感知单元感知行车环境、运行状态信息，决策单元根据采集到的信息判断车辆是否需要变道；当前路况满足变道要求时，决策单元对行车路径进行规划，并通过仿真计算对已规划路径进行危害分析，根据危害分析结果对行车路径进行调整修改，危害过大时，可放弃变道动作；行车路径确定好后，控制单元控制车辆实现变道动作；当前路况不满足变道要求时，由于前方道路出现紧急状况，车辆需进行紧急变道；车辆在进行紧急变道时仍需进行危害分析，控制单元根据分析结果控制车辆动作。在车辆变道过程中，通过危害分析，可以较安全高效的实现变道动作，提高智能车辆行车的安全性和稳定性。

Description

一种基于危害分析的智能车辆变道控制方法

技术领域

本发明属于车辆智能控制领域，具体涉及一种基于危害分析的智能车辆变道控制方法。

背景技术

虽然汽车给人们的生活出行带来了很大的方便，但是随着汽车数量的增加，也带来了更多的问题，比如环境污染、交通堵塞、交通事故等。提高行车安全性以及减少交通堵塞一直是业界追求的目标。智能车的研究逐渐被重视，如何实现高效、安全的变道也成为了研究的重点。随着计算机技术、通信技术、模式识别等技术的发展，辅以正确的决策、精确的操控，则可以高效安全的实现智能车辆的主动变道。

但在现有研究中，考虑到车辆复杂的运行状况、道路的复杂多变等因素，智能车辆的主动变道一直是一个研究难点。目前已有一些研究提出了智能车辆的自主变道控制策略，但较少有研究对车辆变道过程可能遇到的危害进行分析，也很少考虑变道是否会带来新的问题；而这些都是影响行车安全的重要因素，针对上述问题，本发明提出了一种基于危害分析的智能车辆变道控制方法。

发明内容

本发明提出了一种基于危害分析的智能车辆变道控制方法，目的是为了解决车辆在变道过程中如何安全高效地实现主动变道的问题，以提高智能驾驶车辆的安全性和可靠性。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于危害分析的智能车辆变道控制方法，包括以下步骤：

步骤1)，构建基于危害分析的智能车辆变道控制系统，控制系统包括感知单元、决策单元及控制单元；

步骤2)，感知单元感知车辆行驶环境信息和车辆运行状态信息，并将信息传送给决策单元；

步骤3)，决策单元对感知单元传输过来的车辆行驶环境信息和车辆行驶状态信息，决策本车是否可以变道，如果可以变道转步骤6)，否则转步骤4)；

步骤4)，控制单元的直行控制模块根据决策单元的命令控制本车继续直行；

步骤5)，决策单元根据感知单元感知到的信息判断前方存在紧急情况，本车需要进行紧急变道；

步骤6)，决策单元的路径规划模块根据车辆行驶环境信息和车辆运行状态信息进行变道路径规划；

步骤7)，决策单元的危害分析模块根据当前车辆行驶环境信息、车辆运行状态信息及规划好的路径，对已规划的变道路径进行危害分析，得出分析结果；

步骤8)，根据危害分析对变道路径的分析结果判断按照规划的路径变道是否存在碰撞危险，存在碰撞危险则停止变道并转步骤9)，不存在转步骤11)；

步骤9)，由于变道存在危害，为所存在的危害进行危害等级评估，判断是否需要停车，需要停车转步骤10)，不需要停车则转步骤2)；

步骤10)，控制单元的停车控制模块控制本车停车；

步骤11)，控制单元的转向控制模块根据决策单元已规划好的路径执行变道操作，实现变道；

步骤12)，变道完成，本车以稳定的速度行驶。

进一步，所述感知单元包括车辆行驶环境信息感知模块和车辆运行状态信息感知模块，所述车辆行驶环境信息感知模块包括定位系统、摄像头、激光雷达及毫米波雷达，所述车辆运行状态信息感知模块包括速度传感器、前轮偏向角传感器及车载诊断系统OBD接口设备。

进一步，所述路径规划模块和危害分析模块的处理平台为工控机。

进一步，所述步骤5)中紧急情况为：行车路线中没有变道计划，但由于前方道路出现障碍物本车需立即换道。

进一步，所述步骤5)中本车需要进行紧急变道时，本车转向角θ应满足其中d′为紧急情况下本车安全行车距离，X为障碍物与本车的距离。

进一步，所述步骤7)中对已规划的变道路径进行危害分析的具体过程为：危害分析对已规划的路径进行仿真计算，将本车当前位置与目标车道相邻车辆的间距和安全行车距离进行比对，本车当前位置与目标车道前车的距离S₁、本车当前位置与目标车道后车的距离S₂以及安全行车距离l，必须满足Min[S₁，S₂]≥l。

进一步，所述本车当前位置与目标车道前车的距离所述本车当前位置与目标车道后车的距离其中L₁(t)＝L₁-(V′cosθ-V₁)×t，L₂(t)＝L₂+(V′cosθ-V₂)×t，L₁为本车与目标车道前车的初始纵向距离，L₂为本车与目标车道后车的初始纵向距离，V₁为目标车道前车的初始速度，V₂为目标车道后车的初始速度，V′为本车当前时刻速度，θ为本车转向角，t为当前时刻，D₂(t)为当前时刻本车与目标车道后车的横向距离。

进一步，所述目标车道前车与后车的距离L₁₂与安全行车距离l，必须满足L₁₂≥2l，判断目标车道两车的距离L₁₂的公式为其中L₁为本车与目标车道前车的初始纵向距离，L₂为本车与目标车道后车的初始纵向距离，V₁(t)当前时刻目标车道前车的速度，V₂(t)当前时刻目标车道后车的速度。

进一步，对已规划的变道路径进行危害分析还包括：变道完成后的危害预测分析，预测变道完成后是否会有新的情况出现；所述新的情况包括：本车变道完成后，前方道路出现障碍物需要本车变道回原车道；原来对本车不具有危害的障碍物突然出现在碰撞范围内；本车偏离车道线以及车道线为实线。

进一步，所述步骤9)中危害等级包括轻度、中度及高危三种危害等级，轻度危害时本车可以继续实现变道，中度危害时本车需要放弃变道重新规划，高危危害时本车需要紧急停车。

本发明的有益效果为：

1、对已规划的路径进行危害分析，可以发现变道过程中存在的问题，通过识别解决这些问题可以安全高效地实现主动变道的问题，提高智能驾驶车辆的安全性和可靠性。

2、在对本车与相邻车道车辆的相对距离进行仿真计算时，将相邻车道的两车速度视为变化的，可减小分析误差。

3、危害分析还包括预测变道完成后是否会有新的情况出现，此处新的情况包括：本车变道完成后，出现障碍物需要本车变道回原车道；原来对本车不具危害的障碍物突然出现在碰撞范围内；本车偏离车道线以及车道线为实线。将换道完成后可能遇到的问题纳入考虑范围，可以避免无效的变道动作。

4、变道完成后存在的潜在问题危害分析的结果分为轻度、中度、高危三种等级，轻度危害时本车可以继续实现变道，中度危害时本车放弃变道重新规划，高危危害时本车需要紧急停车，将问题可能带来的后果的严重程度进行了划分，以便采取不同措施，更加安全高效。

附图说明

图1为基于危害分析的智能车辆变道控制系统的结构框图；

图2为感知单元的具体结构图，图2(a)为车辆行驶环境信息模块结构图，图2(b)为车辆运行状态信息模块结构图；

图3为智能车辆正常变道示意图；

图4为智能车辆紧急变道示意图；

图5为基于危害分析的智能车辆变道控制方法流程图。

图中：1-感知单元，2-决策单元，3-控制单元，11-车辆行驶环境信息感知模块，12-车辆运行状态信息感知模块，111-定位系统，112-摄像头，113-激光雷达，114-毫米波雷达，121-速度传感器，122-前轮偏向角传感器，123-车载诊断系统OBD接口设备，21-路径规划模块，22-危害分析模块，31-转向控制模块，32-直行控制模块，33-停车控制模块，3-1-本车所在位置，3-2-目标车道前车所在位置，3-3-目标车道后车所在位置，3-4-预测变道完成后本车所能到达的位置，4-1-本车所在位置，4-2-目标车道前车所在位置，4-3-目标车道后车所在位置，4-4-预测变道完成后车辆所能到达的位置，4-5-当前车道的紧急障碍物。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的解释。

如图5所示，一种基于危害分析的智能车辆变道控制方法流程图，包括步骤：

步骤1)，如图1所示，构建基于危害分析的智能车辆变道控制系统，控制系统包括感知单元1、决策单元2及控制单元3；

感知单元1包括车辆行驶环境信息感知模块11和车辆运行状态信息感知模块12，车辆行驶环境信息感知模块11包括定位系统111、摄像头112、64线激光雷达113及毫米波雷达114(图2(a))；在本车行驶过程中，定位系统111提供本车所处的地理位置信息以及本车在预设路线上所处的位置；摄像头112安装在本车的前挡风玻璃上，采集前方障碍物图像信息；64线激光雷达113安装于本车的顶部中央，用于探测车辆周围障碍物的分布情况；毫米波雷达114安装在本车的前保险杠中间，识别障碍物位置及障碍物与本车当前位置的相对距离；车辆运行状态信息感知模块12包括速度传感器121、前轮偏向角传感器122及车载诊断系统OBD接口设备123(图2(b))；速度传感器121、前轮偏向角传感器122及车载诊断系统OBD接口设备123分别用于感知本车的前轮偏向角、车速、来自车载诊断系统OBD总线接口的车辆异常状态码；

决策单元2包括路径规划模块21和危害分析模块22，路径规划模块21用于对变道路径进行规划，危害分析模块22用于对已规划的路径进行危害分析、变道完成后车辆的行驶环境是否存在危险进行分析；

控制单元3包括转向控制模块31、直行控制模块32以及停车控制模块33，当危害分析22确认变道路径无危害后，转向控制模块31按照已规划的路径控制车辆进行变道，直至变道完成；直行控制模块32按照决策单元2发出的命令控制车辆直行；停车控制模块33在车辆存在高危碰撞危害或者其他突发情况时，根据决策单元2发出的命令控制车辆紧急停车。

步骤2)，感知单元1感知车辆行驶环境信息和车辆运行状态信息，并将信息传送给决策单元2。

感知单元1通过摄像头112、64线激光雷达113、毫米波雷达114感知车辆行驶环境信息，通过速度传感器121、前轮偏向角传感器122、车载诊断系统OBD接口设备123感知车辆运行状态信息，并将这些信息传送给决策单元2。

步骤3)，决策单元2对感知单元1传输过来的车辆行驶环境信息和车辆行驶状态信息，决策本车是否可以变道，如果可以变道转步骤6)，否则转步骤4)。

可以变道的行车情况包括：当前车道上的本车与前后车辆的间距以及目标车道上的两车间距，满足变道基础条件，即安全换道距离；当前车道前方出现障碍物，随着本车的正常前进，即将对本车产生危害；前方需要转向，当前车道不属于转向车道。

步骤4)，控制单元3的直行控制模块32根据决策单元2的命令控制本车继续直行。

步骤5)，决策单元2根据感知单元1感知到的信息判断前方存在紧急情况：行车路线中没有变道计划，但由于前方道路出现障碍物本车需立即换道。

步骤6)，决策单元2的路径规划模块21根据车辆行驶环境信息和车辆运行状态信息进行变道路径规划，其中路径规划模块21的处理平台为工控机；

参照图3、图4，本车需要变道时，决策单元2根据摄像头112采集到的车道线信息、64线激光雷达113采集到的周围车辆分布情况以及毫米波雷达114检测到的前后车距对变道路径进行初步规划，得到变道路径。

步骤7)，决策单元2的危害分析模块22根据当前车辆行驶环境信息、车辆运行状态信息及规划好的路径，对已规划的变道路径进行危害分析，得出分析结果；其中危害分析模块22的处理平台为工控机。

如图3所示，正常情况下本车变道路径的危害分析的原理如下：

图中3-1为本车所在位置，3-2为目标车道前车所在位置，3-3为目标车道后车所在位置，3-4为预测变道完成后本车所能到达的位置。

摄像头112、64线激光雷达113、毫米波雷达114采集车辆行驶环境信息，速度传感器121、前轮偏向角传感器122采集本车的前轮转向角、车速信息，同时决策单元2随时监测来自车载诊断系统OBD接口设备123的车辆异常状态码。由速度传感器121测得本车当前速度为V，变道时车速为V′，并且本车在变道过程中保持匀速；由64线激光雷达113、毫米波雷达114测得目标车道前车的速度为V₁，与本车的纵向距离为L₁、横向距离D₁；由64线激光雷达113、毫米波雷达114测得目标车道后车的速度为V₂，与本车的纵向距离为L₂、横向距离D₂；变道过程中本车的转向角为θ；设行车横向安全距离为d，纵向安全距离为l。

整个变道过程中都必须满足基本条件：

Min[D₁，D₂]≥d (1)

Min[L₁，L₂]≥l (2)

假设本车转向的起始时间为零，则转向过程中任意时刻t，本车与目标车道的车辆都需满足条件：

Min[D₁(t)，D₂(t)]≥d (3)

Min[L₁(t)，L₂(t)]≥l (4)

这时可以把公式(3)、(4)简化成本车与目标车道前后两车之间的直线距离S₁、S₂，即：

其中，变道时本车的纵向速度V′_纵满足：

V′_纵＝V′×cosθ (7)

则本车与目标车道前后两车的纵向距离分别为：

L₁(t)＝L₁-(V′cosθ-V₁)×t (8)

L₂(t)＝L₂+(V′cosθ-V₂)×t (9)

本车和前车的直线距离S₁可写为：

本车与后车的直线距离S₂则仍使用公式(6)表示：

在变道过程中，本车必须时刻满足：

Min[S₁，S₂]≥l (12)

此外，当目标车道上前后两车车速不变时，目标车道前后两车的相对距离L₁₂为：

L₁₂＝L₁+L₂ (13)

考虑到，实际行车过程中，车辆速度时刻变化，目标车道前后两车的相对距离L₁₂公式修正为：

其中：V₁(t)当前时刻目标车道前车的速度，V₂(t)当前时刻目标车道后车的速度；

变道过程，目标车道的前后两车相对距离L₁₂应时刻满足：

L₁₂≥2l (15)

如果在变道过程中，公式(12)、(15)有一个不满足时，决策单元2则立即修该变道速度和转向角。

如图4所示，紧急情况下车辆变道路径的危害分析的原理如下：

图中4-1为本车所在位置，4-2为目标车道前车所在位置，4-3为目标车道后车所在位置，4-4为预测变道完成后车辆所能到达的位置，4-5为当前车道的紧急障碍物。

摄像头112、64线激光雷达113、毫米波雷达114采集车辆行驶环境信息，速度传感器121、前轮偏向角传感器122采集车辆的前轮转向角、车速信息，同时决策单元2随时监测来自车载诊断系统OBD接口设备123的车辆异常状态码。由速度传感器121测得本车当前速度为V；由64线激光雷达113、毫米波雷达114测得目标车道前车的速度为V₁，与本车的纵向距离为L₁、横向距离D₁；由64线激光雷达113、毫米波雷达114测得目标车道后车的速度为V₂，与本车的纵向距离为L₂、横向距离D₂；前方障碍物和车辆当前位置的距离为X；变道过程中本车的转向角为θ；设紧急情况下行车横向安全距离为d′，纵向安全距离为l′，紧急变道时车速为V″，并且本车变道过程中保持匀速。

因为变道过程中本车的转向角为θ，则本车变道时的纵、横向速度V″_纵、V″_横分别为：

V″_纵＝V″×cosθ (16)

V″_横＝V″×sinθ (17)

设本车从当前位置行驶到障碍物位置的时间为T，则：

T＝X÷(V″×cosθ) (18)

若本车可以避开障碍物，即T时刻内本车横向移动距离d′应满足：

V″×sinθ×T≥d′ (19)

所以，紧急情况下变道时，本车的变道速度V″与转向角θ应满足：

V″×sinθ×[X÷(V″×cosθ)]≥d′ (20)

公式(20)化简，得：

整个变道过程中都必须满足基本条件：

Min[D₁，D₂]≥d′ (22)

Min[L₁，L₂]≥l′ (23)

Min[D₁(t)，D₂(t)]≥d′ (24)

Min[L₁(t)，L₂(t)]≥l′ (25)

这时可以把公式(24)、(25)简化成本车与目标车道前后两车之间的直线距离S₁、S₂，即：

其中，本车与目标车道前后两车的纵向距离分别为：

L₁(t)＝L₁-(V′cosθ-V₁)×t (28)

L₂(t)＝L₂+(V′cosθ-V₂)×t (29)

本车和前车的直线距离S₁可写为：

本车与后车的直线距离S₂则仍使用公式(27)表示：

因此变道过程中，本车必须时刻满足：

Min[S₁，S₂]≥l′ (32)

L₁₂＝L₁+L₂ (33)

考虑到，实际行车过程中，车辆速度时刻变化，目标车道前后两车的相对距离公式修正为：

变道过程，目标车道的前后两车距离应时刻满足：

L₁₂≥2l′ (35)

如果在变道过程中，公式(32)、(35)有一个不满足时，决策单元2则立即修改本车的变道速度和转向角。

危害分析还包括：变道完成后的危害预测分析，预测变道完成后是否会有新的情况出现；所述新的情况包括：本车变道完成后，前方道路出现障碍物需要本车变道回原车道；原来对本车不具有危害的障碍物突然出现在碰撞范围内；本车偏离车道线以及车道线为实线。

决策单元根据上述分析结果，判断规划的路径变道是否存在碰撞危险。

其中危害等级包括轻度、中度及高危三种危害等级，轻度危害时本车可以继续实现变道，中度危害时本车需要放弃变道重新规划，高危危害时本车需要紧急停车。

步骤10)，控制单元3的停车控制模块33控制本车停车；

步骤11)，控制单元3的转向控制模块31根据决策单元2已规划好的路径执行变道操作，实现变道；

步骤12)，变道完成，本车以稳定的速度行驶。

当车辆安全变道至目标车道后，与障碍物之间已无碰撞危险，且行车速度稳定，与前后车辆无碰撞危险，则变道成功。

以上对本发明所提供的一种基于危害分析的智能车辆变道控制方法进行了详细介绍，本发明应用了具体个例对本发明的原理和实施方式进行了阐述，所要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于危害分析的智能车辆变道控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)，构建基于危害分析的智能车辆变道控制系统，控制系统包括感知单元(1)、决策单元(2)及控制单元(3)；

步骤2)，感知单元(1)感知车辆行驶环境信息和车辆运行状态信息，并将信息传送给决策单元(2)；

步骤3)，决策单元(2)对感知单元(1)传输过来的车辆行驶环境信息和车辆行驶状态信息，决策本车是否可以变道，如果可以变道转步骤6)，否则转步骤4)；

步骤4)，控制单元(3)的直行控制模块(32)根据决策单元(2)的命令控制本车继续直行；

步骤5)，决策单元(2)根据感知单元(1)感知到的信息判断前方存在紧急情况，本车需要进行紧急变道；

步骤6)，决策单元(2)的路径规划模块(21)根据车辆行驶环境信息和车辆运行状态信息进行变道路径规划；

步骤7)，决策单元(2)的危害分析模块(22)根据当前车辆行驶环境信息、车辆运行状态信息及规划好的路径，对已规划的变道路径进行危害分析，得出分析结果；

步骤10)，控制单元(3)的停车控制模块(33)控制本车停车；

步骤11)，控制单元(3)的转向控制模块(31)根据决策单元(2)已规划好的路径执行变道操作，实现变道；

步骤12)，变道完成，本车以稳定的速度行驶。

2.根据权利要求1所述的一种基于危害分析的智能车辆变道控制方法，其特征在于，所述感知单元(1)包括车辆行驶环境信息感知模块(11)和车辆运行状态信息感知模块(12)，所述车辆行驶环境信息感知模块(11)包括定位系统(111)、摄像头(112)、激光雷达(113)及毫米波雷达(114)，所述车辆运行状态信息感知模块(12)包括速度传感器(121)、前轮偏向角传感器(122)及车载诊断系统OBD接口设备(123)。

3.根据权利要求1所述的一种基于危害分析的智能车辆变道控制方法，其特征在于，所述路径规划模块(21)和危害分析模块(22)的处理平台为工控机。

4.根据权利要求1所述的一种基于危害分析的智能车辆变道控制方法，其特征在于，所述步骤5)中紧急情况为：行车路线中没有变道计划，但由于前方道路出现障碍物本车需立即换道。

5.根据权利要求1所述的一种基于危害分析的智能车辆变道控制方法，其特征在于，所述步骤5)中本车需要进行紧急变道时，本车转向角θ应满足其中d′为紧急情况下本车安全行车距离，X为障碍物与本车的距离。

6.根据权利要求1所述的一种基于危害分析的智能车辆变道控制方法，其特征在于，所述步骤7)中对已规划的变道路径进行危害分析的具体过程为：危害分析对已规划的路径进行仿真计算，将本车当前位置与目标车道相邻车辆的间距和安全行车距离进行比对，本车当前位置与目标车道前车的直线距离S₁、本车当前位置与目标车道后车的直线距离S₂以及安全行车距离l，必须满足Min[S₁,S₂]≥l。

7.根据权利要求6所述的一种基于危害分析的智能车辆变道控制方法，其特征在于，所述本车当前位置与目标车道前车的直线距离所述本车当前位置与目标车道后车的直线距离其中L₁(t)＝L₁-(V′cosθ-V₁)×t，L₂(t)＝L₂+(V′cosθ-V₂)×t，L₁为本车与目标车道前车的初始纵向距离，L₂为本车与目标车道后车的初始纵向距离，V₁为目标车道前车的初始速度，V₂为目标车道后车的初始速度，V′为本车当前时刻速度，θ为本车转向角，t为当前时刻，D₂(t)为当前时刻本车与目标车道后车的横向距离。

8.根据权利要求6所述的一种基于危害分析的智能车辆变道控制方法，其特征在于，所述目标车道前车与后车的相对距离L₁₂与安全行车距离l，必须满足L₁₂≥2l，判断目标车道两车的相对距离L₁₂的公式为其中L₁为本车与目标车道前车的初始纵向距离，L₂为本车与目标车道后车的初始纵向距离，V₁(t)当前时刻目标车道前车的速度，V₂(t)当前时刻目标车道后车的速度。

9.根据权利要求6所述的一种基于危害分析的智能车辆变道控制方法，其特征在于，对已规划的变道路径进行危害分析还包括：变道完成后的危害预测分析，预测变道完成后是否会有新的情况出现；所述新的情况包括：本车变道完成后，前方道路出现障碍物需要本车变道回原车道；原来对本车不具有危害的障碍物突然出现在碰撞范围内；本车偏离车道线以及车道线为实线。

10.根据权利要求1所述的一种基于危害分析的智能车辆变道控制方法，其特征在于，所述步骤9)中危害等级包括轻度、中度及高危三种危害等级，轻度危害时本车可以继续实现变道，中度危害时本车需要放弃变道重新规划，高危危害时本车需要紧急停车。