CN110667581A - 一种车辆的自动变道控制系统以及自动变道控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动变道控制系统以及自动变动控制方法。该自动变道控制系统具备：环境感知单元，用于获取障碍物信息、车道信息和自身车辆的运动信息中的至少一种；决策单元，用于判断自动变道的可行性，并规设计出变道路径；以及车辆控制单元，用于控制车辆以按照所述变道路径进行行驶。根据本发明能够实现安全稳定的自动变道动作。

Description

一种车辆的自动变道控制系统以及自动变道控制方法

技术领域

本发明涉及车辆控制技术，具体地涉及一种用于智能汽车的自动变道控制方法及其实现系统。

背景技术

汽车越来越往智能化的方向发展，自动驾驶技术正逐渐兴起。自动驾驶技术能够控制车辆的速度和转向，不仅能够把驾驶员从开车的劳累中解脱出来，还能够减少或消除由于人的因素导致的交通事故，使汽车更加安全。

自动变道系统能够控制车辆从一个车道变换到另外一个车道，是自动驾驶技术的一个重要组成部分。

现有的和自动变道相关的专利大多停留在驾驶辅助的层面，即当变道出现危险情况时向驾驶员发出预警，它们并不能控制车辆。个别专利提出了能够控制车辆完成变道动作的系统，但是它们大多基于车联网或者高精度GPS。目前很少有专利披露利用毫米波雷达或摄像头实现自动变道的具体方法。

公开于本发明背景部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

鉴于上述问题，本发明旨在提供一种安全可靠的自动变道控制方法及自动变道控制系统。

本发明的自动变道控制系统，其特征在于，具备：

环境感知单元，用于获取障碍物信息、车道信息和自身车辆的运动信息中的至少一种；

决策单元，用于判断自动变道的可行性，并规设计出变道路径；以及

车辆控制单元，用于控制车辆以按照所述变道路径进行行驶；以及

优选地，进一步具备：

人机接口单元，用于实现人机交互。

优选地，所述环境感知单元具备：

障碍物检测模块，用于检测车辆前后若干距离内的障碍物；

车道线检测模块，用于检测车辆前方或后方的车道线；以及

车道线滤波模块，用于实现对车道线的滤波以消除所述车道线检测模块的漏识别和误识别。

优选地，所述车道线滤波模块用于将传感器检测到的车道线参数和根据车辆速度及横摆角速度推算出的预测的车道线参数进行置信度判断并得到传感器检测到的车道线参数的置信度，然后对上述二种方法得到的车道线参数进行加权平均。

优选地，所述决策单元具备：

变道可行性判断模块，用于根据障碍物信息、车道线信息和自身运动信息判断自动变动的可行性；

状态机模块，用于在变道可行的情况下根据设定的变道模式计算得到变道所需的时间和目标路径，并触发下述的路径规划模块；以及

路径规划模块，用于采用基本曲线生成自动变道路径。

优选地，所述路径规划模块采用的基本曲线包括多项式、直线、圆弧、回旋线、正弦曲线中的一种或多种。

优选地，所述人机接口单元用于进行变道模式设置、变道路径类型设置、驾驶员指令设置中的一种或多种。

优选地，所述车辆控制单元还用于计算出车辆和规划出的变道路径的横向位置偏差和航向角偏差，并通过非线性反馈控制或线性反馈控制使横向位置偏差和航向角偏差收敛。

优选地，在所述车辆控制单元中，计算横向位置偏差的方法如下：

首先，求出在坐标系XAY中当x＝x_t时目标车道中心线距离X轴的距离d₁和变道路径距离X轴的距离d₂；然后，求出当前车辆距离目标车道中心线的横向位置d_r；最后，求出横向位置偏差e_d＝d₁-d₂-d_r，

其中，计算航向角偏差的方法如下：

首先，求出在坐标系XAY中当x＝x_t时目标车道中心线的切线和X轴的夹角θ₁和变道路径的切线与X轴的夹角θ₂；然后，求出当前车辆的航向角和目标车道中心线切线的夹角θ_r；最后求出航向角偏差e_θ＝θ₁-θ₂-θ_r。

本发明的自动变道控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

环境感知步骤，获取障碍物信息、车道信息和自身车辆的运动信息中的至少一种；

决策步骤，判断自动变道的可行性，并规设计出变道路径；以及

控制步骤，控制车辆以按照所述变道路径进行驶。

本发明的自动变道控制方法，其特征在于，

所述环境感知步骤包括：

障碍物检测子步骤，检测车辆前后若干距离内的障碍物；

车道线检测子步骤，检测车辆前方或后方的车道线；以及

车道线滤波子步骤，实现对车道线的滤波以消除所述车道线检测模块的漏识别和误识别。

优选地，在所述车道线滤波子步骤中，将传感器检测到的车道线参数和根据车辆速度及横摆角速度推算出的预测的车道线参数进行置信度判断并得到传感器检测到的车道线参数的置信度，然后对上述二种方法得到的车道线参数进行加权平均。

优选地，所述决策步骤包括：

变道可行性子步骤，根据障碍物信息、车道线信息和自身运动信息判断自动变道的可行性；

状态机子步骤，在变道可行的情况下根据设定的变道模式计算得到变道所需的时间和目标路径，并触发下述的路径规划模块；以及

路径规划子步骤，用于采用基本曲线生成自动变道路径。

可选地，在所述路径规划子步骤中，采用的基本曲线包括多项式、直线、圆弧、回旋线、正弦曲线中的一种或多种。

可选地，所述控制步骤中，进一步计算出车辆和规划出的变道路径的横向位置偏差和航向角偏差，并通过非线性反馈控制或线性反馈控制使横向位置偏差和航向角偏差收敛。

可选地，所述控制步骤中，

计算横向位置偏差的方法如下：

首先，求出在坐标系XAY中当x＝x_t时目标车道中心线距离X轴的距离d₁和变道路径距离X轴的距离d₂；然后，求出当前车辆距离目标车道中心线的横向位置d_r；最后，求出横向位置偏差e_d＝d₁-d₂-d_r，

其中，计算航向角偏差的方法如下：

首先，求出在坐标系XAY中当x＝x_t时目标车道中心线的切线和X轴的夹角θ₁和变道路径的切线与X轴的夹角θ₂；然后，求出当前车辆的航向角和目标车道中心线切线的夹角θ_r；最后求出航向角偏差e_θ＝θ₁-θ₂-θ_r。

本发明的计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现上述的自动变道控制方法。

本发明的计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的自动变道控制方法。

如上所述，根据本发明利用车道线滤波模块能够提高车道信息的稳定性。利用人机接口单元可以对变道模式、变道路径类型等进行设置，能够提高系统的灵活性。而且通过人机接口单元可以显示出规划的变道路径、变道动作完成的进度、变道控制指令等，使系统更加友好。而且，决策单元包括变道可行性判断模块、状态机模块、路径规划模块，其中路径规划模块采用多种基本曲线完成路径规划，所采用的基本曲线包括多项式、直线、圆弧、回旋线、正弦曲线等。再者，车辆控制单元能够根据传感器检测到的车道线直接实现车辆的路径跟随控制，不需要GPS信息、惯导信息、车联网信息等，降低了系统的成本。

通过纳入本文的附图以及随后与附图一起用于说明本发明的某些原理的具体实施方式，本发明的方法和装置所具有的其它特征和优点将更为具体地变得清楚或得以阐明。

附图说明

图1是本发明一实施方式的自动变道控制系统的构造框图。

图2是车道线滤波模块的动作示意图。

图3是表示横向位置偏差的计算方法的示意图。

图4是表示航向角偏差的计算方法的示意图。

图5是表示本发明的自动变道控制方法的流程图。

具体实施方式

下面介绍的是本发明的多个实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解。并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。

图1是本发明一实施方式的自动变道控制系统的构造框图。

如图1所示，本发明的一实施方式的自动变道控制系统，具备：

环境感知单元100，用于获取障碍物信息、车道信息和自身车辆的运动信息；

决策单元200，用于判断自动变道的可行性，完成系统内部的状态切换，规划出合适的变道路径；

车辆控制单元300，用于控制车辆沿给定路径行驶；

人机接口单元400，用于人机交互，包含驾驶员信息输入和系统信息输出。

其中，环境感知单元100包括：

障碍物检测模块110，该模块由毫米波雷达、摄像头或超声波传感器构成，能够检测到车辆前后若干距离内的障碍物，检测到的障碍物信息包括大小、类别、距离、速度、加速度、运动方向等；

车道线检测模块120，该模块由毫米波雷达、摄像头或超声波传感器构成，能够检测到车辆前方或后方的车道线；

车道线滤波模块130，该模块能够实现对车道线的滤波，消除车道线检测模块的漏识别和误识别的情况。

这里对于车道线滤波模块130的动作进行简单说明。图2是车道线滤波模块130的动作示意图。

例如，在高速公路上，车道线的曲率较小，此时车道线可以由三次多项式表示。当已知车辆的运动状态，如纵向车速和横摆角速度时，根据当前时刻的车道线参数和车辆运动状态，可以推算出下一时刻的车道线参数。在自动变道过程中，车辆需要从当前车道行驶到左侧或右侧车道，为了同时跟踪当前车道和两侧车道，建立一个包含四条车道线的车道线模型，并采用以下步骤对传感器检测到的车道线进行滤波。

如图2所示，车道线滤波模块130把传感器检测到的车道线参数和根据车辆速度及横摆角速度推算出的预测的车道线参数进行比对即置信度判断，得到传感器检测到的车道线参数的置信度，然后对上述二种方法得到的车道线参数进行加权平均。通过这样的计算和比对，车道线滤波模块130能够提高车道信息的稳定性。

其中，决策单元200包括：

变道可行性判断模块210，该模块根据障碍物信息、车道线信息和自身运动信息判断自动变动的可行性；

状态机模块220，当变道可行的时候，该模块根据设定的变道模式计算得到变道所需的时间、目标路径等，并触发路径规划模块；以及

路径规划模块230，该模块可以采用基本曲线生成自动变道路径，所采用的基本曲线包括多项式、直线、圆弧、回旋线、正弦曲线等。

其中，人机接口单元300可以显示系统的当前状态，驾驶员也可以通过该人机接口单元300对系统进行设置。

例如，人机接口单元300显示的系统状态可以包括但不限于：

障碍物和车道线信息；

规划的变道路径；

自动变道完成的进度；

变道路径的类型。

而且，通过人机接口单元300可以对自动变道系统进行的设置包括但不限于：

(1)变道的模式：自动变道包括从保守到激进共若干个档次，自动变道的模式越保守，自动变道可行性判断的条件越苛刻，自动变道所需要的时间越长；自动变道的模式越激进，自动变道可行性判断的条件越宽松，自动变道所需要的时间越短。驾驶员可以通过该人机接口单元选择自己偏爱的自动变道模式；

(2)变道路径的类型：变道路径共包含三种类型：1.由多项式构成的路径；2.由圆弧、直线和回旋线构成的路径；3.由正弦曲线构成的类型。驾驶员可以通过该人机接口单元选择自己偏爱的变道路径类型；

(3)驾驶员指令：驾驶员可以通过该人机接口模块关闭该系统，也可以设置使能该系统的条件，如最低车速、最大道路曲率等。

车辆控制单元300计算出车辆和规划出的变道路径的横向位置偏差和航向角偏差，并通过非线性反馈控制或线性反馈控制使横向位置偏差和航向角偏差收敛。由于变道路径只是一条虚拟的路径，并不能通过摄像头等传感器检测到，所以车辆和变道路径的横向位置偏差和航向角偏差只能通过间接方式求出。

图3是表示横向位置偏差的计算方法的示意图。

如图3所示，横向位置偏差的计算方法如下：

(1)在自动变道路径的起点建立坐标系XAY，其中X轴指向车辆在A点处的航向角，记当前车辆在坐标系XAY中的位置是T(x_t,y(x_t))，求出在坐标系XAY中，当x＝x_t时目标车道中心线距离X轴的距离d₁；

(2)求出在坐标系XAY中，当x＝x_t时变道路径距离X轴的距离d₂；

(3)根据车道线滤波模块输出的车道线信息，求出当前车辆距离目标车道中心线的横向位置d_r；

(4)求出横向位置偏差e_d＝d₁-d₂-d_r。

图4是表示航向角偏差的计算方法的示意图。

如图4所示，航向角偏差的计算方法如下：

(1)求出在坐标系XAY中，当x＝x_t时目标车道中心线的切线和X轴的夹角θ₁；

(2)求出在坐标系XAY中，当x＝x_t时变道路径的切线和X轴的夹角θ₂；

(3)根据车道线滤波模块输出的车道信息，求出当前车辆的航向角和目标车道中心线切线的夹角θ_r；

(4)航向角偏差e_θ＝θ₁-θ₂-θ_r。

一种可能的使横向位置偏差和航向角偏差收敛的方法是采用PID控制：δ＝PID(e_d)+PID(e_θ)，其中δ表示车辆前轮转角，PID(e_d)和PID(e_θ)分别表示对e_d和e_θ进行PID控制。

如上所述，在本发明中，通过车道线滤波模块130把传感器检测到的车道线参数和根据车辆速度和横摆角速度推算出的车道线参数进行对比，得到传感器检测到的车道线参数的置信度，然后对上述二种方法得到的车道线参数进行加权平均，能够提高车道信息的稳定性。

再者，通过人机接口单元400可以对变道模式、变道路径类型等进行设置，能够提高系统的灵活性。而且通过人机接口单元400可以显示出规划的变道路径、变道动作完成的进度、变道控制指令等，使系统更加友好。

再者，决策单元200包括变道可行性判断模块210、状态机模块220、路径规划模块230等，其中路径规划模块230可以采用多种基本曲线完成路径规划；所采用的基本曲线包括多项式、直线、圆弧、回旋线、正弦曲线等。

再者，车辆控制单元300能够根据传感器检测到的车道线直接实现车辆的路径跟随控制，不需要GPS信息、惯导信息、车联网信息等，降低了系统的成本。

以上对于本发明的自动变道控制系统进行了说明，接着，对于本发明的自动变道控制方法进行简单说明。

图5是表示本发明的自动变道控制方法的流程图。

如图5所示，本发明的自动变道控制方法，包括下述步骤：

环境感知步骤S100：获取障碍物信息、车道信息和自身车辆的运动信息中的至少一种；

决策步骤S200：判断自动变道的可行性，并规设计出变道路径；以及

控制步骤S300，控制车辆以按照所述变道路径进行驶。

其中，所述环境感知步骤S100包括：

障碍物检测子步骤，检测车辆前后若干距离内的障碍物；

车道线检测子步骤，检测车辆前方或后方的车道线；以及

车道线滤波子步骤，实现对车道线的滤波以消除所述车道线检测模块的漏识别和误识别。

进一步，在所述车道线滤波子步骤中，将传感器检测到的车道线参数和根据车辆速度及横摆角速度推算出的预测的车道线参数进行置信度判断并得到传感器检测到的车道线参数的置信度，然后对上述二种方法得到的车道线参数进行加权平均。

其中，所述决策步骤S200包括：

变道可行性子步骤，根据障碍物信息、车道线信息和自身运动信息判断自动变动的可行性；

状态机子步骤，在变道可行的情况下根据设定的变道模式计算得到变道所需的时间和目标路径，并触发下述的路径规划模块；以及

路径规划子步骤，用于采用基本曲线生成自动变道路径。

进一步，在所述路径规划子步骤中，采用的基本曲线包括多项式、直线、圆弧、回旋线、正弦曲线中的一种或多种。

在所述控制步骤S300中，还用于计算出车辆和规划出的变道路径的横向位置偏差和航向角偏差，并通过非线性反馈控制或线性反馈控制使横向位置偏差和航向角偏差收敛。

本发明还提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现上述自动变道控制方法。

本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的自动变道控制方法。

以上，例子主要说明了本发明自动变道控制方法及自动变道控制系统。尽管只对其中一些本发明的具体实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims (18)

1.一种自动变道控制系统，其特征在于，具备：

环境感知单元，用于获取障碍物信息、车道信息和自身车辆的运动信息中的至少一种；

决策单元，用于判断自动变道的可行性，并规划出变道路径；以及

车辆控制单元，用于控制车辆按照所述变道路径进行行驶。

2.如权利要求1所述的自动变道控制系统，其特征在于，进一步具备：

人机接口单元，用于实现人机交互。

3.如权利要求1所述的自动变道控制系统，其特征在于，

所述环境感知单元具备：

障碍物检测模块，用于检测车辆前后若干距离内的障碍物；

车道线检测模块，用于检测车辆前方或后方的车道线；以及

车道线滤波模块，用于实现对车道线的滤波以消除所述车道线检测模块的漏识别和误识别。

4.如权利要求2所述的自动变道控制系统，其特征在于，

所述车道线滤波模块用于将传感器检测到的车道线参数和根据车辆速度及横摆角速度推算出的预测的车道线参数进行置信度判断并得到传感器检测到的车道线参数的置信度，然后对上述二种方法得到的车道线参数进行加权平均。

5.如权利要求2所述的自动变道控制系统，其特征在于，所述决策单元具备：

变道可行性判断模块，用于根据障碍物信息、车道线信息和自身运动信息判断自动变道的可行性；

状态机模块，用于在变道可行的情况下根据设定的变道模式计算得到变道所需的时间和目标路径，并触发下述的路径规划模块；以及

路径规划模块，用于采用基本曲线生成自动变道路径。

6.如权利要求5所述的自动变道控制系统，其特征在于，

所述路径规划模块采用的基本曲线包括多项式、直线、圆弧、回旋线、正弦曲线中的一种或多种。

7.如权利要求2所述的自动变道控制系统，其特征在于，

所述人机接口单元用于进行变道模式设置、变道路径类型设置、驾驶员指令设置中的一种或多种。

8.如权利要求2所述的自动变道控制系统，其特征在于，

所述车辆控制单元还用于计算出车辆和规划出的变道路径的横向位置偏差和航向角偏差，并通过非线性反馈控制或线性反馈控制使横向位置偏差和航向角偏差收敛。

9.如权利要求8所述的自动变道控制系统，其特征在于，

在所述车辆控制单元中，计算横向位置偏差的方法如下：

首先，求出在坐标系XAY中当x＝x_t时目标车道中心线距离X轴的距离d₁和变道路径距离X轴的距离d₂；然后，求出当前车辆距离目标车道中心线的横向位置d_r；最后，求出横向位置偏差e_d＝d₁-d₂-d_r，

其中，计算航向角偏差的方法如下：

首先，求出在坐标系XAY中当x＝x_t时目标车道中心线的切线和X轴的夹角θ₁和变道路径的切线与X轴的夹角θ₂；然后，求出当前车辆的航向角和目标车道中心线切线的夹角θ_r；最后求出航向角偏差e_θ＝θ₁-θ₂-θ_r。

10.一种自动变道控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

环境感知步骤，获取障碍物信息、车道信息和自身车辆的运动信息中的至少一种；

决策步骤，判断自动变道的可行性，并规设计出变道路径；以及

控制步骤，控制车辆以按照所述变道路径进行驶。

11.如权利要求10所述的自动变道控制方法，其特征在于，

所述环境感知步骤包括：

障碍物检测子步骤，检测车辆前后若干距离内的障碍物；

车道线检测子步骤，检测车辆前方或后方的车道线；以及

车道线滤波子步骤，实现对车道线的滤波以消除所述车道线检测模块的漏识别和误识别。

12.如权利要求11所述的自动变道控制方法，其特征在于，

在所述车道线滤波子步骤中，将传感器检测到的车道线参数和根据车辆速度及横摆角速度推算出的预测的车道线参数进行置信度判断并得到传感器检测到的车道线参数的置信度，然后对上述二种方法得到的车道线参数进行加权平均。

13.如权利要求10所述的自动变道控制方法，其特征在于，所述决策步骤包括：

变道可行性子步骤，根据障碍物信息、车道线信息和自身运动信息判断自动变道的可行性；

状态机子步骤，在变道可行的情况下根据设定的变道模式计算得到变道所需的时间和目标路径，并触发下述的路径规划模块；以及

路径规划子步骤，用于采用基本曲线生成自动变道路径。

14.如权利要求13所述的自动变道控制方法，其特征在于，

在所述路径规划子步骤中，采用的基本曲线包括多项式、直线、圆弧、回旋线、正弦曲线中的一种或多种。

15.如权利要求10所述的自动变道控制方法，其特征在于，

所述控制步骤中，进一步计算出车辆和规划出的变道路径的横向位置偏差和航向角偏差，并通过非线性反馈控制或线性反馈控制使横向位置偏差和航向角偏差收敛。

16.如权利要求10所述的自动变道控制方法，其特征在于，

所述控制步骤中，

计算横向位置偏差的方法如下：

首先，求出在坐标系XAY中当x＝x_t时目标车道中心线距离X轴的距离d₁和变道路径距离X轴的距离d₂；然后，求出当前车辆距离目标车道中心线的横向位置d_r；最后，求出横向位置偏差e_d＝d₁-d₂-d_r，

计算航向角偏差的方法如下：

首先，求出在坐标系XAY中当x＝x_t时目标车道中心线的切线和X轴的夹角θ₁和变道路径的切线与X轴的夹角θ₂；然后，求出当前车辆的航向角和目标车道中心线切线的夹角θ_r；最后求出航向角偏差e_θ＝θ₁-θ₂-θ_r。

17.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求10～16中任意一项所述的自动变道控制方法。

18.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求10～16中任意一项所述的自动变道控制方法。

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