CN109050533B - 一种车辆自动换道控制方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种车辆自动换道控制方法，其包括：判断本车是否处于可换道工况；在本车处于可换道工况的情况下提示驾驶者激活自动换道模式；响应于自动换道模式的激活执行以下步骤：(a)根据道路状况和估计的换道时间从预先确定的换道轨迹集合中选择目标换道轨迹；(b)基于所述目标换道轨迹的曲率变化来确定方向盘转角请求；以及(c)根据所述方向盘转角请求来控制本车沿所述目标换道轨迹进行换道。此外，本发明还提供了相应的车辆自动换道控制装置。

Description

一种车辆自动换道控制方法和装置
技术领域
本发明一般地涉及自动驾驶技术领域，并且具体地，涉及一种用于车辆自适应控制的方案。
背景技术
现阶段，汽车控制技术正朝着“智能汽车”的方向发展。在普通车辆的基础上增加了越来越多先进的传感器、控制器、执行器等装置，使得车辆具备智能的环境感知能力，能够自动分析车辆行驶的安全及危险状态，并且使车辆按照人的意愿到达目的地，最终实现替代人来操作的目的。
换道是汽车驾驶过程中常见的操作。目前最常见的换道辅助系统，大部分只在车辆前方两侧安装毫米波雷达，监测前方潜在碰撞危险，驾驶员需要实时监测车辆侧后方车辆，并自主决策是否可以安全换道。也有一些盲点检测系统能够通过车辆尾部超声波系统或环视摄像头，检测车辆后方的情况，从而提示驾驶员可能存在的碰撞危险。这些换道辅助系统均没有实现真正意义上的自动换道，实际上依然是由驾驶者对换道时机、换道轨迹进行人为选择。这既无法减轻驾驶者的负担，也无法大幅度地降低事故的发生概率。另一方面，市场上能够提供自动换道辅助的产品通常基于高成本的硬件配置以及大规模的数据采集，这使得大部分消费者依然无法享受到车辆辅助驾驶系统的便利性和安全性。
因此，所期望的是设计一种能够以较低成本实现的适用于城市交通场景的车辆自动换道方案。
发明内容
因此，所期望的是设计一种能够在保障行车安全的同时适应各种道路场景，特别是适应交通路口的自动驾驶方案。
有鉴于此，本发明提供一种车辆自动换道控制方法，其包括：判断本车是否处于可换道工况；在本车处于可换道工况的情况下提示驾驶者激活自动换道模式；响应于自动换道模式的激活执行以下步骤：(a)根据道路状况和估计的换道时间从预先确定的换道轨迹集合中选择目标换道轨迹；(b)基于所述目标换道轨迹的曲率变化来确定方向盘转角请求；以及(c)根据所述方向盘转角请求来控制本车沿所述目标换道轨迹进行换道。
如上所述的方法，其中，所述换道轨迹集合中的每个换道轨迹都被拟合为直角坐标系下车辆的纵向运动距离x与横向运动距离y之间的对应关系曲线y＝f(x)，其中x轴为本车前进方向，y轴为垂直车身方向，坐标原点表示换道起始时刻本车质心所在的位置，并且所述对应关系曲线以所述坐标原点为换道起始点。
如上所述的方法，其中，所述对应关系曲线为双曲线或回旋线。
如上所述的方法，其中，每个换道轨迹的曲率变化被表示为根据所述对应关系曲线确定的以横向运动距离y为唯一变量的曲率变化函数。
如上所述的方法，其中，所述曲率变化函数根据公式
Figure GDA0002520323420000021
从所述对应关系曲线确定，其中y＝f(x)，C表示曲率，
Figure GDA0002520323420000022
表示对y函数的二次求导，
Figure GDA0002520323420000023
表示对y函数的一次求导。
如上所述的方法，其中，基于所述目标换道轨迹的曲率变化来确定方向盘转角请求包括：检测本车实时横向运动距离；根据所述曲率变化函数计算目标轨迹曲线实时曲率C；以及基于所述实时曲率C调整方向盘转角请求。
如上所述的方法，其中，检测本车实时横向运动距离包括按照预先确定的时间间隔实时地检测本车与参考车道线的垂直距离变化。
如上所述的方法，其中，所述换道时间根据道路状况、驾驶者的舒适程度以及驾驶者的驾驶习惯中的一个或多个来估计。
如上所述的方法，其中，判断本车是否处于可换道工况包括：检测是否存在指示可换道的车道线；估计本车分别与本车道前方车辆、目标车道前方车辆和目标车道后方车辆之间的碰撞时间；以及在检测到指示可换道的车道线并且估计的换道时间小于所述碰撞时间的情况下判断本车处于可换道工况。
如上所述的方法，其中，估计所述碰撞时间包括：检测本车、本车道前方车辆、目标车道前方车辆和目标车道后方车辆各自的车速；检测本车与本车道前方车辆、目标车道前方车辆和目标车道后方车辆的相对距离；以及基于所述车速和所述相对距离来估计所述碰撞时间。
如上所述的方法，其中，判断本车是否处于可换道工况还包括：根据道路状况判断目标换道车速；以及在所述目标换道车速在道路限速标识指示的范围的情况下判断本车处于可换道工况。
如上所述的方法，其还包括，使驾驶者能够通过打转向灯来激活所述自动换道模式。
如上所述的方法，其还包括，在曲线道路的情况下，检测车道线曲率变化并且根据车道线曲率变化对所述方向盘转角请求进行补偿。
如上所述的方法，其还包括，响应于自动换道模式的激活检测前方车辆的车速、根据前方车辆的车速判断与前方车辆是否有碰撞危险并且在有碰撞危险的情况下执行步骤a)至c)。
另一方面，本发明还提供了一种车辆自动换道控制装置，所述车辆自动换道控制装置包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上的计算机程序，其中，当在所述处理器上执行所述计算机程序时使所述车辆自动换道控制装置执行如上所述的方法。
附图说明
本发明的前述和其他目标、特征和优点根据下面对本发明的实施例的更具体的说明将是显而易见的，这些实施例在附图中被示意。
图1是根据本发明一个示例的车辆自动换道控制方法的流程图。
图2a是根据本发明一个示例的车辆换道轨迹的示意图。
图2b示出根据本发明的一个实施例的车辆前进距离与换道轨迹的曲率变化之间的对应关系。
图3是根据本发明一个示例的车辆自动换道控制装置的框图。
具体实施方式
现在参照附图描述本发明的示意性示例，相同的附图标号表示相同的元件。下文描述的各示例有助于本领域技术人员透彻理解本发明，且各示例意在示例而非限制。图中各元件、部件、模块、装置及设备本体的图示仅示意性表明存在这些元件、部件、模块、装置及设备本体同时亦表明它们之间的相对关系，但并不用以限定它们的具体形状；流程图中各步骤的关系也不以所给出的顺序为限，可根据实际应用进行调整但不脱离本申请的保护范围。
如在背景技术中所提及的那样，目前尚没有成本低且效率高的车辆自动换道控制方案。本发明提供了一种车辆换道辅助方案，能够在不需要诸如高精地图和GPS等高端辅助导航配置以及大规模数据处理的情况下实现车辆在城市交通场景下的自动换道控制。
本发明所提供的车辆辅助驾驶方案能够在一段时间内代替驾驶员承担操控车辆的职责，尤其是在需要换道的情况下。依据本发明的方法，车辆可以同时具有纵向和横向的自动控制，但驾驶员仍需对驾驶活动进行监控，即观察周围情况，并且驾驶员可以与车辆分享控制权，还必须随时待命，在车辆退出自动控制的时候随时接上。
图1是根据本发明一个示例的车辆自动换道控制方法的流程图。如图1所示，该方法首先包括在步骤11中判断本车是否处于可换道工况。在本发明的背景下，可转弯工况指的是本车能够从一条车道转移到另一条车道的道路状况。
在一些实施例中，判断本车是否处于可换道工况包括检测是否存在指示可换道的车道线。在实现中，可以通过车身上布置的一个或多个前置摄像头来识别本车道的车道线是否指示了根据交通法规规定的可换道位置，由此判断车辆是否在被允许换道的区域。此外，判断本车是否处于可转换工况还可以包括判断本车与其所在车道以及目标车道上的车辆之间是否可能产生碰撞。
在一些实施例中，判断是否可能发生碰撞一方面包括估计本车进行换道所需要的时间，另一方面包括估计本车分别与本车道前方车辆、目标车道前方车辆和目标车道后方车辆之间可能的碰撞时间。一般地，可以在所估计的换道时间小于可能的碰撞时间的情况下判断换道没有碰撞风险，并且在同时检测到指示可换道的车道线的情况下认为目前本车处于可转弯工况。
就估计换道时间而言，可以基于道路状况、驾驶者的舒适程度以及驾驶者的驾驶习惯中的一项或多项。例如，可以首先根据不同的道路宽窄程度、曲直程度来估计换道所需要的时间，这可以是一个时间范围。还可以进一步地在该时间范围区间内考虑驾驶者的习惯以及舒适性。举例来说，可以通过长期对驾驶者的驾驶习惯进行观察得出该驾驶者偏好较快速的驾驶，并且其自身在换道时的操作风格也偏向于激进，则可以在合理范围内选择相对较短的换道时间。另外，考虑到驾驶者以及车内乘客的舒适性，也可以对估计的换道时间进行调整，例如使得换道时间不会太短以至于车内的乘客感受到猛烈的晃动而产生不适或造成伤害。
就估计碰撞风险而言，在一些实施例中，可以通过融合来自诸如前置摄像头系统、前置毫米波雷达、侧向毫米波雷达等多种传感器的信息来检测本车、本车道前方车辆、目标车道前方车辆和目标车道后方车辆各自的车速，以及检测本车分别与本车道前方车辆、目标车道前方车辆和目标车道后方车辆之间的相对距离。基于所检测到的车速和相对距离可以分别求出本车与本车道前方车辆、目标车道前方车辆、目标车道后方车辆之间的碰撞时间。
进一步地，为准确判断本车是否处于可换道工况，还可以根据道路状况判断目标换道车速，例如根据目标车道上前后方车辆的速度以及与本车的相对距离等参数来确定可实现的目标换道车速。例如通过前置摄像头来识别道路的限速标识，并且在所确定的目标换道车速在道路限速标识指示的范围的情况下判断本车处于可换道工况。所确定的目标换道车速也可以是一定的车速范围，只要该车速范围与道路限速有交集，则也可以判断本车处于可换道工况。
本领域技术人员将理解，对本发明背景下的可换道工况的判断并不限于上述示例的情形。举例来说，在一定范围内没有检测到车辆的情况下，可能不需要判断碰撞的风险，而可以仅通过确定车辆是否处于可换道区域来判断本车是否处于可换道工况。相应地，可以更多地从驾驶者的驾驶习惯以及舒适性地角度来估计换道时间。
进一步地，如果环境条件满足，即本车处在能够进行换道的道路状况下，则可以在步骤12中提示驾驶者激活自动换道模式，并且在步骤13中判断自动换道模式是否被激活。在一些示例中，可以使驾驶者能够通过打转向灯来激活自动换道模式，并且响应于转向灯的启动来确定可以进入自动换道模式。在另外的一些示例中，还可以通过设置专门的模式启动/切换按钮使驾驶者激活自动换道模式。
可以在自动换道模式启动的情况下执行步骤14至步骤16。这也可能包含若干种情况，例如在驾驶者激活自动换道模式之后马上开始执行换道或者通过对道路状况观察特定时间之后进行自主决策，判断是否执行步骤14至步骤16。例如，在自动换道模式被激活之后，可以检测前方车辆的车速、根据前方车辆的车速判断与前方车辆是否有碰撞危险并且在有碰撞危险的情况下或者仅仅是在前方车辆的车速低于一定限值但并不一定有碰撞危险的情况下才执行步骤14至步骤16。
如图1所示，在步骤14中根据道路状况和估计换道时间从预先确定的换道轨迹集合中选择目标换道轨迹。在实现中，可以通过预先对城市中的道路形态进行分类以确定相应的几种换道轨迹。进一步地，还可以根据不同的换道时间对同一道路形态下的换道轨迹进行细化。例如，有的驾驶者可能在换道过程中偏爱比较迅速的换道体验，而另一些驾驶者可能偏爱比较平缓的换道过程，这都可以对应于不同幅度的换道轨迹。总的来说，预先确定的驾驶轨迹应当在一方面符合实际的道路状况，另一方面符合实际的驾驶行为。
通过对这些换道轨迹的前期分析、统计和采集可以得到一个换道轨迹集合。为了能够方便地从该集合中选择目标换道轨迹，在本发明中将每个换道轨迹对应道路状况和换道时间两者对应地存储，以供在实际换道过程中进行提取。由此，本发明所提供的自动换道方案可以广泛地适应城市中不同的交通状况，并且还能同时使驾驶者获得最佳的行驶体验。相比之下，目前量产的换道辅助系统，大部分仅采用固定换道轨迹模式，而不考虑不同道路状况下的轨迹规划。
在一些实施例中，可以将每个换道轨迹都拟合为直角坐标系下车辆的纵向运动距离x与横向运动距离y之间的对应关系曲线y＝f(x)，其中x轴为本车前进方向，y轴为垂直车身方向，坐标原点表示换道起始时刻本车质心所在的位置，并且该对应关系曲线可以所述坐标原点为换道起始点，从而便于计算。图2a是这样的换道轨迹的示意图。
表示换道轨迹的对应关系曲线可以是双曲线或回旋线。本领域技术人员能够理解，在实际驾驶过程中，相对于圆弧换道轨迹，回旋线和双曲线更符合驾驶员的驾驶行为习惯。
相应地，为了准确地选择换道轨迹，除了检测道路状况之外，在本发明的自动换道方案中需要估计所需要的换道时间。如在上文中已描述的那样，可以基于道路状况、驾驶者的舒适程度以及驾驶者的驾驶习惯中的一项或多项来估计所需要的换道时间。例如，可以首先根据不同的道路宽窄程度、曲直程度来估计换道所需要的时间，这可以是一个时间范围。还可以进一步地在该时间范围区间内考虑驾驶者的习惯以及舒适性。举例来说，可以通过长期对驾驶者的驾驶习惯进行观察得出该驾驶者偏好较快速的驾驶，并且其自身在换道时的操作风格也偏向于激进，则可以在合理范围内选择相对较短的换道时间。另外，考虑到驾驶者以及车内乘客的舒适性，也可以对估计的换道时间进行调整，例如使得换道时间不会太短以至于车内的乘客感受到猛烈的晃动而产生不适或造成伤害。
在步骤15中，将基于所选择的目标换道轨迹的曲率变化来确定方向盘转角请求。
在一些实施例中，每个换道轨迹的曲率变化可以被表示成以车辆的横向运动距离y为唯一变量的曲率变化函数。这个曲率变化函数可以例如根据车辆的横向运动距离y与纵向运动距离x之间的对应关系曲线y＝f(x)来确定。由此，根据这种一一对应关系，可以通过在换道过程中仅检测车辆的横向运动距离来确定换道轨迹的曲率变化，从而进一步提供方向盘转角请求。图2b示出根据本发明的一个实施例的车辆前进距离与换道轨迹的曲率变化之间的对应关系。如果车辆是匀速换道的话，图2b也可认为是示意了换道轨迹的曲率变化随时间的变化。
在一些实施例中，可以按照预先确定的时间间隔实时地检测本车与参考车道线的垂直距离变化来确定y值。根据上述对应关系曲线，虽然通过获得车辆前进距离也可能得到曲率变化，但是车辆前进距离的检测需要实时定位。通过仅检测横向运动距离来确定曲率变化的方案相比于通过实时定位来获得车辆前进距离的方案而言对传感器配置的要求将大大降低。
在一些实施例中，以横向运动距离y为唯一变量的曲率变化函数可以根据公式
Figure GDA0002520323420000061
从表示换道轨迹的对应关系曲线来确定。如前所述，y＝f(x)，C则表示曲率，
Figure GDA0002520323420000062
表示对y函数的二次求导，
Figure GDA0002520323420000063
表示对y函数的一次求导。
在曲线道路的情况下，还可以通过前置摄像头来检测车道线曲率变化并且根据车道线曲率变化对方向盘转角请求进行补偿。
最后，在步骤16中，根据方向盘转角请求来控制本车沿目标换道轨迹进行换道。由此，在整个换道过程中，驾驶者可以完全不介入车辆的控制。
本发明所提供的车辆自动换道控制方法能够适用丰富的城市交通场景，使得驾驶员在换道时可实现全自动驾驶，并且不受限于车辆是否具有高端的导航配置。同时，采用本发明的方法可以使得车辆仅配备常用的一些传感器设备，不需要海量数据的复杂数据处理系统，也不需要通过始终实时监测车辆实际运动轨迹来使其沿目标轨迹行驶，这能够大大减小数据处理成本，在硬件及软件两方面都降低了门槛，有助于自动换道方案在市场上的广泛推行，从而提升驾驶的便利性、舒适性和安全性。
图3是根据本发明一个示例的车辆自动换道控制装置的框图。如图3所示，车辆自动换道控制装置300包括存储器31和处理器33，其中在存储器31上存储有计算机程序，并且这些计算机程序在由处理器33执行时可以使该车辆自动换道控制装置执行如上所述的根据本发明的车辆自动换道控制方法。
车辆自动换道控制装置300可以单独地被实现，或者被集成在车辆的电子控制单元ECU中。在后一种情况下，装置300可以通过共享ECU中的处理器和存储器来实现。
应当说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制。尽管参照上述具体实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或对部分技术特征进行等同替换而不脱离本发明的实质，其均涵盖在本发明请求保护的范围中。

Claims (15)

1.一种车辆自动换道控制方法，其包括：
判断本车是否处于可换道工况；
在本车处于可换道工况的情况下提示驾驶者激活自动换道模式；
响应于自动换道模式的激活执行以下步骤：
(a)根据道路状况和估计的换道时间从预先确定的换道轨迹集合中选择目标换道轨迹；
(b)基于所述目标换道轨迹的曲率变化来确定方向盘转角请求；以及
(c)根据所述方向盘转角请求来控制本车沿所述目标换道轨迹进行换道。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述换道轨迹集合中的每个换道轨迹都被拟合为直角坐标系下车辆的纵向运动距离x与横向运动距离y之间的对应关系曲线y＝f(x)，其中x轴为本车前进方向，y轴为垂直车身方向，坐标原点表示换道起始时刻本车质心所在的位置，并且所述对应关系曲线以所述坐标原点为换道起始点。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述对应关系曲线为双曲线或回旋线。
4.如权利要求2所述的方法，其中，每个换道轨迹的曲率变化被表示为根据所述对应关系曲线确定的以横向运动距离y为唯一变量的曲率变化函数。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述曲率变化函数根据公式
Figure FDA0002520323410000011
从所述对应关系曲线确定，其中y＝f(x)，C表示曲率，
Figure FDA0002520323410000012
表示对y函数的二次求导，
Figure FDA0002520323410000013
表示对y函数的一次求导。
6.如权利要求4所述的方法，其中，基于所述目标换道轨迹的曲率变化来确定方向盘转角请求包括：
检测本车实时横向运动距离；
根据所述曲率变化函数计算目标轨迹曲线实时曲率C；以及
基于所述实时曲率C调整方向盘转角请求。
7.如权利要求6所述的方法，其中，检测本车实时横向运动距离包括按照预先确定的时间间隔实时地检测本车与参考车道线的垂直距离变化。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述换道时间根据道路状况、驾驶者的舒适程度以及驾驶者的驾驶习惯中的一个或多个来估计。
9.如权利要求1所述的方法，其中，判断本车是否处于可换道工况包括：
检测是否存在指示可换道的车道线；
估计本车分别与本车道前方车辆、目标车道前方车辆和目标车道后方车辆之间的碰撞时间；以及
在检测到指示可换道的车道线并且估计的换道时间小于所述碰撞时间的情况下判断本车处于可换道工况。
10.如权利要求9所述的方法，其中，估计所述碰撞时间包括：
检测本车、本车道前方车辆、目标车道前方车辆和目标车道后方车辆各自的车速；
检测本车与本车道前方车辆、目标车道前方车辆和目标车道后方车辆的相对距离；以及
基于所述车速和所述相对距离来估计所述碰撞时间。
11.如权利要求9所述的方法，其中，判断本车是否处于可换道工况还包括：
根据道路状况判断目标换道车速；以及
在所述目标换道车速在道路限速标识指示的范围的情况下判断本车处于可换道工况。
12.如权利要求1所述的方法，其还包括，使驾驶者能够通过打转向灯来激活所述自动换道模式。
13.如权利要求1所述的方法，其还包括，在曲线道路的情况下，检测车道线曲率变化并且根据车道线曲率变化对所述方向盘转角请求进行补偿。
14.如权利要求1所述的方法，其还包括，响应于自动换道模式的激活检测前方车辆的车速、根据前方车辆的车速判断与前方车辆是否有碰撞危险并且在有碰撞危险的情况下执行步骤a)至c)。
15.一种车辆自动换道控制装置，所述车辆自动换道控制装置包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上的计算机程序，其中，当在所述处理器上执行所述计算机程序时使所述车辆自动换道控制装置执行如权利要求1-14中任一项所述的方法。
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