CN110884423B - 一种车辆自主换道下的转向灯自动控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆自主换道下的转向灯自动控制系统及方法，所述车辆自主换道下的转向灯自动控制方法包括如下步骤：步骤一、环境感知模块检测前方及左右两侧车道的道路环境信息，并实时发送给决策处理模块；步骤二、决策处理模块接收所述道路环境信息，并结合车辆自身行驶状态做出换道决策，并将换道信号发送给控制执行模块；步骤三、控制执行模块接收到所述换道信号后，控制相应方向的转向灯闪烁；步骤四、当决策处理模块判断换道结束后，向控制执行模块发送换道终止信号；步骤五、控制执行模块接收到所述换道终止信号后，控制转向灯关闭。本发明提供的车辆自主换道下的转向灯自动控制方法，能够实现车辆在执行换道前激活转向灯。

Description

一种车辆自主换道下的转向灯自动控制系统及方法

技术领域

本发明属于汽车转向灯自动控制技术领域，特别涉及一种车辆自主换道下的转向灯自动控制系统及方法。

背景技术

随着自动驾驶汽车的持续发展，越来越多的ADAS功能逐步落地，汽车的智能化程度正日益提高；为了推进自动驾驶技术更好更快地向前发展，早日实现真正意义上的无人驾驶，目前国内外科研机构、各大汽车厂商正全力研发L3乃至L4级的自动驾驶汽车，其中自主车道变换是一项较为艰巨的核心技术。在自主换道过程中，为了保证安全性，车辆应在执行换道动作前，预先发出换道信号，提醒周围车辆及行人。而以转向灯为代表的光信号，作为交通信号里的重要组成部分，在车辆换道过程中发挥着关键作用。

现有的转向灯控制方法，有利用方向盘转角传感器识别方向盘转动，进而判断车辆转向情况，以此激活转向灯；也有利用左、右轮速传感器检测两前轮转速差异，进而判断车辆左转或右转，并激活转向灯。虽然上述方法提供了转向灯的控制方案，但是存在两点缺陷之处。首先，上述方法均是在车辆已经开始执行转向动作后，才激活转向灯；而根据交通法规并充分考虑安全性条件，车辆在变更车道前应至少提前3-5秒激活转向灯，以提示周围车辆注意安全，并给后方车辆充足的反应时间。其次，上述方法仅通过方向盘转角或轮速传感器来获取转向信息，可能会在不同车速下发出错误的灯光信号，也可能会由于传感器的误差、失效等原因漏发、误发转向信号。

因此，迫切需要一种仿驾驶员的、可提前激活转向灯的控制系统，能够在车辆转向前自动激活转向灯，提示周围车辆注意，并在换道结束后及时关闭转向灯，避免给周围车辆提供错误信号；与此同时，转向灯应由换道决策系统触发，在收到换道决策信息后，立刻激活转向灯，避免误发、漏发现象发生。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种车辆自主换道下的转向灯自动控制系统，其能够根据道路环境信息做出换道决策，并根据换道决策激活或关闭转向灯。

本发明的目的之二是提供一种车辆自主换道下的转向灯自动控制方法，其能够根据道路环境信息准确计算出换道决策，并且在做出换道决策时控制相应方向的转向灯闪烁，以及在换道结束时关闭转向灯。

本发明提供的技术方案为：

一种车辆自主换道下的转向灯自动控制系统，包括：

环境感知模块，其用于检测当前车道前方及两侧相邻车道的道路环境信息及获取本车行驶状态信息；

决策处理模块，其接收所述环境感知模块的信息，并进行换道决策；

控制执行模块，包括转向灯控制器，用于接收所述决策处理模块的信号指令，并激活和关闭转向灯；

电源模块，其用于为所述环境感知模块、所述决策处理模块与所述控制执行模块供电。

优选的是，所述境感知模块与所述决策处理模块通过CAN总线相连；以及所述决策处理模块与所述控制执行模块通过CAN总线相连。

一种车辆自主换道下的转向灯自动控制方法，使用所述的车辆自主换道下的转向灯自动控制系统，包括如下步骤：

步骤一、环境感知模块检测前方及左右两侧目标车道的道路环境信息，同时获取本车行驶状态信息并实时发送给决策处理模块；

步骤二、决策处理模块接收所述道路环境信息，并结合车辆自身行驶状态做出换道决策，并将换道信号发送给控制执行模块；

步骤三、控制执行模块接收到所述换道信号后，控制相应方向的转向灯闪烁；

步骤四、当决策处理模块判断换道结束后，向控制执行模块发送换道终止信号；

步骤五、控制执行模块接收到所述换道终止信号后，控制转向灯关闭。

优选的是，在所述步骤二中，做出换道决策包括：

获取本车对于当前车道不满意度CLD；

其中，当时，进行目标车道速度优势判断，包括：

当V_l-max＞V_p-max时，向左侧目标车道换道；

当V_l-max≤V_p-max，并且V_r-max＞V_p-max时，向右侧目标车道换道；其中：

式中，为本车对于当前车道的不满意度上限值，V_i-max表示本车在车道i的最大安全行驶车速，l表示左侧目标车道，p表示当前车道，r表示右侧目标车道；a_O为本车的最大制动减速度，τ为本车的制动反应时间，RD_f为本车距当前车道前车的距离，a_f为前车的最大制动减速度，v_O(t)为本车在t时刻的实际车速，v_f(t)为前车在t时刻的实际车速，t为时间变量；k_f＝0代表车道i前方道路无车及静态障碍物、k_f＝1代表车道i前方道路有事故车辆或静态障碍物、k_f＝2代表车道i前方道路有动态车辆。

优选的是，所述换道决策还包括：

当V_l-max≤V_p-max，并且V_r-max≤V_p-max时，车辆则在当前车道内减速跟驰行驶。

优选的是，获取当前车道不满意度CLD包括：

如果初始时刻本车所在车道前方无车，则

如果初始时刻本车所在车道前方有车，则

式中，为本车对于当前车道的不满意度上限值；MFD为最小跟驰安全距离；RD_f为本车距当前车道前车的距离；RD_f≤MFD&RD_f↓表示本车与当前车道前方车辆间的距离达到最小跟驰安全距离且仍有减小的趋势；v_d为本车的期望行驶速度；v_O为本车当前实际车速；a_x为本车当前纵向加速度；k_f＝1代表当前车道前方道路有事故车辆或静态障碍物、k_f＝2代表当前车道前方道路有动态车辆。

优选的是，所述最小跟驰安全距离为：

MFD＝0.0029(v_O×3.6)²+0.3049(v_O×3.6)；

其中，v_O(m/s)为本车当前实际车速。

优选的是，所述本车的制动反应时间τ为

优选的是，在所述步骤四中，当||D_r|-|D_l||≤0.1m时，判断换道结束；

其中，D_l为车辆质心距左侧车道线的距离，D_r为车辆质心距右侧车道线的距离。

本发明的有益效果是：

本发明提供的车辆自主换道下的转向灯自动控制系统，能够根据道路环境信息做出换道决策，并根据换道决策激活或关闭转向灯。

本发明提供的车辆自主换道下的转向灯自动控制方法，基于车辆的换道决策信息对转向灯进行控制，实现了仿驾驶员的驾驶操作，不依赖于方向盘转角传感器、轮速传感器等设备，同时也不受限于方向盘转角的大小、传感器误差、传感器失灵等情况对车辆状态的判断，能够实现车辆在执行换道前激活转向灯，给予周围车辆充分的警示和提醒，同时能在换道结束后立即关闭转向灯，避免向周围车辆传递错误信息。

附图说明

图1为本发明所述的车辆自主换道下的转向灯自动控制系统的示意图。

图2为本发明所述的车辆自主换道下的转向灯自动控制系统模块之间的连接示意图。

图3为本发明所述的环境感知模块中各传感器在车上的位置布局示意图。

图4为本发明所述的车辆自主换道下的转向灯自动控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供了一种车辆自主换道下的转向灯自动控制系统，主要包括：环境感知模块、决策处理模块、控制执行模块、通信模块及电源模块；其中，通信模块用于环境感知模块与决策处理模块、控制执行模块与决策处理模块之间的信号传输；电源模块用于为环境感知模块、决策处理模块与控制执行模块供电。环境感知模块，用于检测当前车道本车前方及当前车道两侧相邻车道的道路环境信息，同时获取本车行驶状态信息，并通过通信模块发送给决策处理模块；决策处理模块，其用于接收环境感知模块的信息，并通过内置的决策算法判断是否立即换道、如何换道以及换道是否结束，随后通过通信模块将换道信号和换道结束信号发给控制执行模块；控制执行模块，用于接收决策处理模块的信号指令，并激活和关闭转向灯。

如图2所示，在本实施例中，环境感知模块融合了一个Maxieye IFVS-400型单目摄像头、四个Delphi SRR3型角雷达、一个Delphi ESR型毫米波雷达、一套RT2000 GNSS/INS组合定位系统，用于检测本车道前方及两侧相邻车道的道路环境信息，同时获取本车行驶状态信息；决策处理模块融合了基于Ubuntu 18.04系统的上位机(PC)，该上位机安装了Melodic Morenia版本的ROS系统，用于接收环境感知模块的信息，并通过内置的决策算法判断是否立即换道、如何换道以及换道是否结束，随后将换道信号和换道结束信号发给控制执行模块；通信模块融合了KvaserUSBcan Light4xHS型CAN总线分析仪，用于环境感知模块与决策处理模块、控制执行模块与决策处理模块之间的信号传输；控制执行模块融合了转向灯控制器和转向灯，用于接收决策处理模块的信号指令，并激活和关闭转向灯；环境感知模块、决策处理模块和控制执行模块分别与电源模块通过电线相连；电源模块融合了12V直流稳压电源与DC12V-AC220V逆变器，用于环境感知模块、决策处理模块与控制执行模块的供电。

如图3所示，在本实施例中，本发明所述的环境感知模块中各传感器的安装布局方式为：单目摄像头110安装在车辆前窗内侧、中部偏上的位置，与车辆质心在一条直线上；毫米波雷达120安装在车辆前保险杠中部；四个角雷达130、140、150和160分别安装在车辆的左前、左后、右前和右后，安装高度距水平地面60cm，安装俯仰角与水平地面呈90°；GNSS/INS组合定位系统170固定在车辆后备箱中部。

如图4所示，本发明还提供了一种车辆自主换道下的转向灯自动控制方法，其方法如下步骤：

步骤一：获取本车道前方及相邻左右两侧车道的道路环境信息、本车行驶状态信息，并实时发送给决策处理模块；

步骤二：决策处理模块对接收到的道路环境信息分析处理，并结合车辆行驶状态信息(纵向速度、纵向加速度等)判断是否换道，以及如何换道，随后做出换道决策，并将换道信号发给控制执行模块；

步骤三：控制执行模块接收到换道信号后，立即控制相应方向的转向灯闪烁；

步骤四：当决策处理模块判断换道结束后，向控制执行模块发送换道终止信号；

步骤五：控制执行模块接收到换道终止信号后，立即控制转向灯关闭。

在所述步骤二中，决策处理模块需要结合摄像头、毫米波雷达、角雷达的感知信息，来获取前方及两侧车辆、车道线等信息；同时结合车辆自身的行驶状态信息(纵向速度、纵向加速度等)，来获取本车与前车的相对距离、相对速度信息，以及本车与两侧相邻车道侧前方、侧后方车辆的相对距离、相对速度信息。

结合上述环境信息，在决策处理模块中设计了计算“当前车道不满意度CLD(Current Lane Dissatisfaction)”的算法，以及判断目标车道速度优势的算法。在不满意度算法中，定义CLD为本车对当前车道驾驶环境的不满意度，令为本车能容忍的不满意度上限值。对于真实驾驶员来说，驾驶过程中的不满意主要来自本车距当前车道上前车的纵向距离过小，以及当前车道上前车的纵向速度过慢。智能车在高速公路上行驶时会接收到控制器给出的期望速度指令，并尽可能地按照期望速度行驶。针对本车对当前车道的不满意度，主要有以下两点影响因素：

(1)本车距当前车道上前车的纵向距离；

(2)最小跟驰安全距离。

其中，最小跟驰安全距离定义为：当前方车辆突然紧急制动时，能够使本车安全地停在距前车一定范围之内的最小距离。经试验得出的智能车最小跟驰安全距离的拟合公式如下：

MFD＝0.0029(v_O×3.6)²+0.3049(v_O×3.6)；

其中，MFD(Minimum Following Distance)为最小跟驰安全距离，v_O(m/s)为本车实际纵向速度。

车辆在行驶过程中，其当前车道的前方环境，存在以下两种情况：

(1)传感器的检测范围内没有车辆；

(2)在传感器的检测范围内有车辆。

对于情况一，初始状态本车当前车道的前方无车，车辆加速到期望速度后保持该速度行驶；再过一段时间后，本车当前车道的前方出现车辆。当本车与当前车道前方车辆的相对距离达到最小跟驰安全距离且仍有逐渐减小的趋势时，本车道不满意度会增大到阈值此时的本车道不满意度公式如下：

其中，RD_f(Relative Distance)表示本车距当前车道前车的距离。

对于情况二，由于初始时刻当前车道的前方即有车辆，因此本车的纵向速度受到相对距离的约束，具体判断逻辑如下：

当本车与当前车道前车的相对距离大于最小跟驰安全距离时，本车将会一直加速以尽可能地接近期望速度。若在本车与前车之间的距离RD_f未减小到最小跟驰安全距离MFD时，本车车速已达到期望速度，则本车道不满意程度按情况一计算；若在本车与前车之间的距离RD_f已减小到最小跟驰安全距离MFD时，本车车速仍没有达到期望速度，则出于安全考虑，本车只能以当前速度行驶；而当本车不能以期望速度行驶时，就会增加对当前车道的不满意度，此时的不满意度CLD由下式计算：

其中，v_d(m/s)为本车期望行驶速度；v_O(m/s)为本车当前实际车速；a_x(m/s²)为本车纵向加速度。k_f∈{0,1,2}为当前道本车前方的道路环境示意，其中，0代表无车及静态障碍物、1代表有事故车辆或静态障碍物、2代表有动态车辆。

对于上述两种情况，决策处理模块在每一个采样周期内都要计算一次不满意度CLD的值，当且仅当时，自主换道决策算法才做出将要换道的决策。

随后进行目标车道的选择，在“判断目标车道速度优势的算法”中，综合考虑交通法规、安全性及中国人的驾驶习惯，优先选择左侧车道为目标车道。对于目标车道，其必须在前方摄像头能检测到的车道范围之内，且只能与当前车道相邻。

接下来进行目标车道速度优势判断。目标车道首要满足的条件是：速度优势大于本车道，本发明根据每条车道对应的最大安全车速来判断目标车道是否具有速度优势。最大安全车速定义为：当前车紧急制动时，本车能安全停止在距离前车一定范围内的最大车速。

本发明定义V_i-max为本车在i车道上的最大安全行驶车速，定义下标O表示本车，下标f表示前车。其中，V_i-max主要受与本车道前方车辆的相对速度、相对距离的影响。其计算公式主要有以下两种情况：

(1)当前方车道无车时，即高速公路的最高限速。

(2)当前方有车时，V_i-max的计算过程如下：

当前车紧急制动时，其停止位置为：

其中，a_f为负值，表示前车的最大制动减速度，x_f(t)为前车在t时刻的纵向位置，v_f(t)为前车在t时刻的实际车速。前车纵向位置x_f可通过结合本车的GPS设备定位与本车毫米波雷达检测到的两车间距可得。

本车从接收到前车制动信号到停止时的位置为：

其中，a_O为负值，表示本车的最大制动减速度；x_O(t)为本车在t时刻的纵向位置，通过本车的GPS设备可定位得知；τ为本车的制动反应时间，根据经验设置τ为v_O(t)为本车在t时刻的实际车速，v_O(t+τ)为本车在(t+τ)时刻的实际车速，为了提高安全性，需要保证本车停止时距离前车还有一定的距离，为此引入了冗余时间t^*，结合上述两式有：

式中，l_f为前车长度。

根据经验，当t^*＝τ/2时，计算出的最大安全车速是最合理的，故上式变为如下公式：

求解上式可得两个根，舍弃负根后得：

式中，x_f(t)-l_f-x_O(t)表示的就是本车距前车的距离RD_f，则上式可表示为下式：

综上所述，V_i-max的最终计算公式如下所示：

其中，以本车道相邻的左右两个车道作为目标车道，l表示左侧目标车道，p表示当前车道，r表示右侧目标车道；k_f＝0代表车道i前方道路无车及静态障碍物、k_f＝1代表车道i前方道路有事故车辆或静态障碍物、k_f＝2代表车道i前方道路有动态车辆；如果左侧目标车道满足V_l-max＞V_p-max，则说明左侧目标车道比本车道更具有速度优势，则此时决策处理模块向控制执行模块发送左侧的转向灯激活指令。若V_l-max≤V_p-max，则左侧目标车道不具备速度优势，则按照上述过程继续判断右侧目标车道的速度优势情况，若V_r-max＞V_p-max，则说明右侧目标车道具备速度优势条件，则决策处理模块向控制执行模块发送右侧的转向灯激活指令。若V_l-max≤V_p-max，并且V_r-max≤V_p-max，则说明两侧目标车道都不具备速度优势条件，则车辆在本车道内减速跟驰。

在所述步骤四中，摄像头的安装位置在车辆前窗中部，与车辆质心在一条直线上，这样摄像头可实时检测车辆质心距左右两车道线的距离。令车辆质心距左侧车道线的距离为D_l，距右侧车道线的距离为D_r，当则认为车辆已在车道中心线上行驶时，代表车道变换过程结束。此时决策处理模块立即向控制执行模块发送换道终止信号，关闭转向灯，以免给其他车辆传递错误信息，至此换道过程结束。

上述各步骤可通过前述的各模块来实现，在此不再赘述。

本发明基于车辆的换道决策信息对转向灯进行控制，实现了仿驾驶员的驾驶操作，不依赖于方向盘转角传感器、轮速传感器等设备，同时也不受限于方向盘转角的大小、传感器误差、传感器失灵等情况对车辆状态的判断；能够实现车辆在执行换道3秒前激活转向灯，给予周围车辆充分的警示和提醒，同时能在换道结束后立即关闭转向灯，避免向周围车辆传递错误信息。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种车辆自主换道下的转向灯自动控制方法，其特征在于，使用的车辆自主换道下的转向灯自动控制系统，包括：

环境感知模块，其用于检测当前车道前方及两侧相邻车道的道路环境信息及获取本车行驶状态信息；

决策处理模块，其接收所述环境感知模块的信息，并进行换道决策；

控制执行模块，包括转向灯控制器，用于接收所述决策处理模块的信号指令，并激活和关闭转向灯；

电源模块，其用于为所述环境感知模块、所述决策处理模块与所述控制执行模块供电；

所述控制方法包括如下步骤：

步骤一、环境感知模块检测前方及左右两侧目标车道的道路环境信息，同时获取本车行驶状态信息并实时发送给决策处理模块；

步骤二、决策处理模块接收所述道路环境信息，并结合车辆自身行驶状态做出换道决策，并将换道信号发送给控制执行模块；

步骤三、控制执行模块接收到所述换道信号后，控制相应方向的转向灯闪烁；

步骤四、当决策处理模块判断换道结束后，向控制执行模块发送换道终止信号；

步骤五、控制执行模块接收到所述换道终止信号后，控制转向灯关闭；

在所述步骤二中，做出换道决策包括：

获取本车对于当前车道不满意度CLD；

其中，当时，进行目标车道速度优势判断，包括：

当V_l-max＞V_p-max时，向左侧目标车道换道；

当V_l-max≤V_p-max，并且V_r-max＞V_p-max时，向右侧目标车道换道；其中：

式中，为本车对于当前车道的不满意度上限值，V_i-max表示本车在车道i的最大安全行驶车速，l表示左侧目标车道，p表示当前车道，r表示右侧目标车道；a_O为本车的最大制动减速度，τ为本车的制动反应时间，RD_f为本车距当前车道前车的距离，a_f为前车的最大制动减速度，v_O(t)为本车在t时刻的实际车速，v_f(t)为前车在t时刻的实际车速，t为时间变量；k_f＝0代表车道i前方道路无车及静态障碍物、k_f＝1代表车道i前方道路有事故车辆或静态障碍物、k_f＝2代表车道i前方道路有动态车辆。

2.根据权利要求1所述的车辆自主换道下的转向灯自动控制方法，其特征在于，所述境感知模块与所述决策处理模块通过CAN总线相连；以及所述决策处理模块与所述控制执行模块通过CAN总线相连。

3.根据权利要求2所述的车辆自主换道下的转向灯自动控制方法，其特征在于，所述换道决策还包括：

当V_l-max≤V_p-max，并且V_r-max≤V_p-max时，车辆则在当前车道内减速跟驰行驶。

4.根据权利要求2或3所述的车辆自主换道下的转向灯自动控制方法，其特征在于，获取当前车道不满意度CLD包括：

如果初始时刻本车所在车道前方无车，则

如果初始时刻本车所在车道前方有车，则

式中，为本车对于当前车道的不满意度上限值；MFD为最小跟驰安全距离；RD_f为本车距当前车道前车的距离；RD_f≤MFD&RD_f↓表示本车与当前车道前方车辆间的距离达到最小跟驰安全距离且仍有减小的趋势；v_d为本车的期望行驶速度；v_O为本车当前实际车速；a_x为本车当前纵向加速度；k_f＝1代表当前车道前方道路有事故车辆或静态障碍物、k_f＝2代表当前车道前方道路有动态车辆。

5.根据权利要求4所述的车辆自主换道下的转向灯自动控制方法，其特征在于，所述最小跟驰安全距离为：

MFD＝0.0029(v_O×3.6)²+0.3049(v_O×3.6)；

其中，v_O(m/s)为本车当前实际车速。

6.根据权利要求5所述的车辆自主换道下的转向灯自动控制方法，其特征在于，所述本车的制动反应时间τ为

7.根据权利要求6所述的车辆自主换道下的转向灯自动控制方法，其特征在于，在所述步骤四中，当D_r-D_l≤0.1m时，判断换道结束；

其中，D_l为车辆质心距左侧车道线的距离，D_r为车辆质心距右侧车道线的距离。