CN111413990A - 一种车道变更轨迹规划系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种车道变更轨迹规划系统，具体包括车道变更系统和车道变更轨迹规划方法，车道变更系统包括摄像头、雷达、通信系统、定位系统、IMU组件、里程计、HMI模块、电子控制系统及运动操作系统；车道变更轨迹规划方法包括：接收换道指令、获取周边环境信息、本车辆以及目标车道车辆的运动信息、数据处理、计算车道变更的轨迹函数等步骤，本发明基于已有的理想五次多项式型车道变更轨迹规划函数，综合分析道路曲率的影响，在直道和弯道等不同道路情况下设计一种考虑车辆初始运动状态及道路曲率的车道变更轨迹规划系统，为智能汽车在换道时设计合理的运动路径，进而获得更为平稳安全的车道变更过程。

Description

一种车道变更轨迹规划系统
技术领域
本发明涉及一种车道变更轨迹规划系统，特别涉及一种考虑车辆初始运动状态和道路曲率的车道变更系统及车道变更轨迹规划方法。
背景技术
智能汽车不仅代表着传统汽车技术的提升，而且还是提高车辆安全性与使用效率的一种重要的技术手段，其技术架构一般可分为“环境感知-规划决策-车辆控制”。其中，规划决策是自动驾驶领域亟需攻克的关键技术。
智能汽车在日常行驶时，大部分时间处在车道保持与车道变更的状态。在车道变更系统的设计中，轨迹规划常常是继车道变更决策之后最重要的子问题之一。轨迹规划是指为保证车辆安全可行地行驶至目标位置，根据车辆周围障碍物信息而规划出一条符合车辆动力学的光滑连续的轨迹。轨迹规划受制于周围环境信息的复杂性、道路信息的多变性和车辆自身运动状态信息的约束性，利用以上各种信息和规则规划出的车道变更轨迹既要满足安全可行性，又要达到快速平稳性的要求。
在现有的研究成果中，已存在几种比较理想的车道变更轨迹算法，然而，由于不同轨迹几何特性的不同，需找到更能满足驾驶员预期的轨迹线。同时，由于车辆初始状态具有很大不确定性，道路的曲率也会对轨迹跟踪时的精度产生一定的影响，因此有必要在轨迹规划时对车辆初始状态以及道路的曲率进行考虑，进而提供一种更全面、换道过程更为平稳安全的主动式车道变更轨迹规划算法及与其搭配使用的车道变更系统。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，基于已有的理想五次多项式型车道变更轨迹规划函数设计一种考虑车辆初始运动状态及道路曲率的车道变更轨迹规划系统，在保证车道变更安全性的基础上提高换道过程的平稳性及舒适性；并且提供一种配套使用的考虑车辆初始状态及道路曲率的车道变更系统。
本发明提供的一种车道变更轨迹规划系统，其特征在于：包括摄像头、雷达、通信系统、定位系统、IMU组件、里程计、HMI模块、电子控制系统及运动操作系统，所述的摄像头、雷达、通信系统、定位系统、IMU组件、里程计、HMI模块均分别设置于自车车体上，并通过有线通讯的方式实现与电子控制系统之间的数据传输；所述的摄像头至少包括五个摄像头，分别设在自车前后左右四个方位的中部以及前挡风玻璃靠上的位置；所述的雷达至少包括四个激光雷达和两个长距离毫米波雷达，所述的激光雷达分别设在自车左前角、左后角、右前角、右后角；所述的长距离毫米波雷达分别设在自车左右两侧的中部。通过摄像头及不同种类的雷达，实现对车辆周围环境的充分感知，进而实现车道变更环境模型的创建；所述的通信系统通过无线通讯的方式实现自车运动信息的实时传输，完成车-车交互与车-基础设施之间的信息交互；所述的定位系统使用RTK GPS定位系统，可提供精度为厘米级的绝对定位；所述IMU组件包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计、驾驶行为分析器，设置于靠近车辆质心的位置，分别用于测量自车的加速度、角速度及偏航角，驾驶行为分析器分析自车当前的运动状态是否满足期望值，判断是否需要改变自车当前的运动状态；所述里程计通过获取的轮速信号，完成对当前自车车速及总行驶里程的计算；所述HMI模块包括用户输入模块与信息展示模块，设置在车体内部，其中用户输入模块包括触摸屏输入模块、语音输入模块与物理按钮输入模块，将用户的行驶需求、娱乐需求等信息传递给电子控制系统；信息展示模块包括视觉显示模块与语音提示模块，其中视觉展示模块以字符的形式向乘员展示车辆当前的速度、剩余油量等状态信息，以视频的形式展示车辆当前的运行状态，语音提示模块将可能影响乘坐体验的信息反馈给乘员，如燃油箱剩余油量不足、车辆即将进行换道等；电子控制模块通过CAN总线与自车运动操作系统相连，分别输出对应的控制信号控制驱动执行模块、制动执行模块及转向执行模块完成相应的指令。
所述的电子控制系统包括位姿信息模块、路径规划模块、电子地图模块和存储器，摄像头、雷达、通信系统分别与电子地图模块相连，摄像头、定位系统、IMU组件、里程计分别与位姿信息模块相连，电子地图模块与路径规划模块相连，路径规划模块和电子地图模块分别与存储器相连，路径规划模块分别与HMI模块和驱动执行模块、制动执行模块及转向执行模块相连；所述的电子地图模块中，包括总地图模块与子地图绘制模块，可获得更高精度的地图信息，为车辆的总路径规划与车道变更/保持时的轨迹规划提供依据；所述的路径规划模块包括全局路径规划模块和局部路径规划模块，对每一时段的运动路径进行详细规划；所述的存储器用于存储数据。
所述的子地图绘制模块包括建筑物绘制模块、道路信息绘制模块、高精度地图模块、环境物体绘制模块、交通指示信号绘制模块。所述的建筑物绘制模块完成对道路两旁建筑物的绘制；所述的道路信息绘制模块完成对当前道路状况的绘制，包括道路宽度、曲率、坡度、车道线数目等信息；所述的环境物体绘制模块完成对物体的建模，包括道路上的其他车辆、行人、障碍物等；所述的交通指示信号绘制模块完成对信号灯、标识牌、路标等交通指示物的绘制；所述的高精度地图模块获取上述四个模块传递的信息，建立当前路段的高精度地图。
所述的部分路径规划模块包括自车运动分析模块、环境状况分析模块、未来运动决策模块、车道保持轨迹规划模块、车道变更轨迹规划模块、车辆运动规划模块，所述的自车运动分析模块根据全局路径规划模块传递的信息，判断自车是否由于行驶路线的需要而必须进行换道操作；所述环境状况分析模块根据子地图绘制模块传递的高精度地图信息及自车的运动信息，将拥有更高的运行车速及加速度的邻近车道暂定为目标车道；所述未来运动决策模块以最小安全距离为标准，判断自车是否满足车道变更的条件；所述的车道保持轨迹规划模块与车道变更轨迹规划模块根据不同的运动决策完成能够满足相应运动要求的轨迹规划；所述车辆运动规划模块根据获取的运动轨迹函数，获取每一时刻对应的纵向与横向的速度及加速度信息，通过线路分别传递给驱动执行模块、制动执行模块与转向执行模块。
基于上述的系统，本发明提供的一种车道变更轨迹规划系统，包括以下步骤：
步骤1：获取运动决策模块传递的车道变更需求指令。
步骤2：通过摄像头、雷达、里程计、IMU组件、定位系统、通信系统，建立道路环境信息、自车及目标车道车辆的运动状态信息，所述的自车及目标车道车辆运动状态信息包括自车及目标车辆当前的位置、速度、加速度信息，以及自车当前的横摆角、质心距离车道中心线的偏离距离信息；所述道路环境信息包括道路曲率、道路宽度等信息。
步骤3：根据步骤2中获得的信息进行数据处理，具体包括：
建立大地坐标系OXY，其中若当前道路为直道，则X轴所指方向为当前道路方向，指向车辆的前方，若当前道路为弯道，则X轴所指方向为当前道路切线方向，指向车辆的前方，Y轴所指方向为垂直X轴且指向道路内侧方向。
在大地坐标系下确定自车相应的运动信息，具体包括：
当前车道为直道时，车辆行驶过程中的初始状态为
Figure BDA0002480066560000051
目标状态为
Figure BDA0002480066560000052
其中xin，
Figure BDA0002480066560000053
分别表示初始状态的纵向位置、速度和加速度，xfin，
Figure BDA0002480066560000054
分别表示最终状态的纵向位置、速度和加速度，yin，
Figure BDA0002480066560000055
分别表示初始状态的横向位置、速度和加速度，yfin，
Figure BDA0002480066560000056
分别表示最终状态的横向位置、速度和加速度。
步骤4：基于步骤1获取的道路信息，分别在道路为直道或弯道的条件下，基于车辆实际信息与理想车道变更轨迹信息完成车道变更的轨迹规划；所述的车辆实际信息包括步骤2获取的自车当前的横摆角、质心距离车道中心线的偏离距离信息及步骤3获取的初始状态与目标状态信息；所述理想车道变更轨迹函数形式为五次多项式，在X和Y方向的轨迹函数为：
Figure BDA0002480066560000057
步骤3中的初始与最终状态信息获取方式如下：
当前车道为直道时，xin、yin可在大地坐标系中直接获得，
Figure BDA0002480066560000058
其中T为车道变更时间，aM为自车的纵向加速度。yfin为目标车道中心线的y轴坐标值。
Figure BDA0002480066560000059
通过里程计获取，
Figure BDA00024800665600000510
可由IMU组件直接获取，
Figure BDA00024800665600000511
即为目标车道车辆的纵向速度、加速度信息，、
Figure BDA00024800665600000512
均为0。
步骤4所述的车道变更轨迹为：
当前道路为直道时，车道变更轨迹为：
Figure BDA0002480066560000061
式中，车道变更过程的纵向位移
Figure BDA0002480066560000062
t∈[0,T]，车道变更过程总纵向位移
Figure BDA0002480066560000063
总横向位移ye＝yfin-yin。
当前道路为弯道时：
(1)当自车由外侧车道向内侧车道进行车道变更时，轨迹坐标为：
Figure BDA0002480066560000064
式中，ys(t)为车辆沿瞬时半径向瞬时转动中心移动的距离，ys(t)＝y(t)，其中y(t)为当前道路为直道时的车道变更轨迹，满足：
Figure BDA0002480066560000065
α(t)为车辆质心绕瞬时转动中心转过的角度，
Figure BDA0002480066560000066
式中r(t)为车辆质心所处位置的瞬时半径，r(t)＝R-ys(t)。
(2)当自车由内侧车道向外侧车道进行车道变更时，轨迹坐标为：
Figure BDA0002480066560000067
式中，ys(t)为车辆沿瞬时半径远离瞬时转动中心移动的距离，ys(t)＝y(t)。α(t)为车辆质心绕瞬时转动中心转过的角度，
Figure BDA0002480066560000068
r(t)为车辆质心所处位置的瞬时半径，r(t)＝R-H+ys(t)。
本发明的有益效果：
本发明提出了一种车道变更轨迹规划系统，基于已有理想的五次多项式形式的轨迹函数，考虑车道变更初始时刻车辆质心距离车道中心线的偏离距离及横摆角，分析不同的道路情况，分别在直道和弯道的情况下，综合考虑道路曲率对车道变更轨迹的影响，建立了车道变更轨迹规划模型，为智能汽车在换道过程提供合理的轨迹函数，该轨迹的过渡过程更为平滑、无突兀，保证了换道过程的安全性及舒适性，同时扩大了轨迹函数的应用范围。
附图说明
图1为本发明车道变更系统的整体结构示意图；
图2为本发明车道变更系统摄像头的分布示意图；
图3为本发明车道变更系统雷达的分布示意图；
图4为本发明车道变更系统中HMI模块的结构示意图；
图5为本发明车道变更系统中子地图绘制模块模块的结构示意图；
图6为本发明车道变更系统中子路径规划模块的结构示意图；
图7为本发明车道变更轨迹规划方法的逻辑示意图；
图8为本发明直道车道变更场景示意图
图9为本发明弯道车道变更场景示意图
图10为本发明直道车道变更情况下各参数的仿真结果图；
图11为本发明弯道车道变更情况下定速/匀加速过程各参数的仿真结果图；
1、摄像头 2、通信系统 3、定位系统 4、IMU组件 5、里程计 6、HMI模块 7、运动操作系统 8、雷达 9、激光雷达 10、长距离毫米波雷达 11、加速度计 12、陀螺仪 13、磁力计14、驾驶行为分析器 15、用户输入模块 16、信息展示模块 17、触摸屏输入模块 18、语音输入模块 19、物理按钮输入模块 20、视觉显示模块 21、语音提示模块 22、位姿信息模块23、路径规划模块 24、全局路径规划模块 25、局部路径规划模块 26、自车运动分析模块27、环境状况分析模块 28、未来运动决策模块 29、车道保持轨迹规划模块 30、车道变更轨迹规划模块 31、车辆运动规划模块 32、电子地图模块 33、总地图模块 34、子地图绘制模块 35、建筑物绘制模块 36、道路信息绘制模块 37、高精度地图模块 38、环境物体绘制模块 39、交通指示信号绘制模块 40、存储器 41、驱动执行模块 42、制动执行模块 43、转向执行模块 44、电子控制系统。
具体实施方式
结合图1-6所示：
本发明提供的一种车道变更轨迹规划系统，其特征在于：包括摄像头1、雷达8、通信系统2、定位系统3、IMU组件4、里程计5、HMI模块6、电子控制系统44及运动操作系统7，所述的摄像头1、雷达8、通信系统2、定位系统3、IMU组件4、里程计5、HMI模块6均分别设置于自车车体上，并通过有线通讯的方式实现与电子控制系统7之间的数据传输；
所述的摄像头1至少包括五个单目摄像头，分别设在自车前后左右四个方位的中部以及前挡风玻璃靠上的位置，所述的单目摄像头采用Continental生产的MFC430TA，其图像传感器为互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)，可实现道路物体感知、建筑物感知、车道感知、光源识别、道路指示信息辨别等功能；
所述的雷达8至少包括四个激光雷达9和两个长距离毫米波雷达10，所述的激光雷达9分别设在自车左前角、左后角、右前角、右后角；所述的长距离毫米波雷达10分别设在自车左右两侧的中部；所述的激光雷达采用Continental生产的SRL1，为固态短距激光雷达；所述的长距离毫米波雷达为Continental生产的ARS 308-2T；
所述的通信系统2通过无线通讯的方式实现自车运动信息的实时传输，完成车-车交互与车-基础设施之间的信息交互；
所述的定位系统3使用RTK GPS定位系统，是一种基于载波相位观测值的实时动态定位技术，可提供精度为厘米级的绝对定位；
所述IMU组件4包括三轴加速度计11、三轴陀螺仪12、三轴磁力计13、驾驶行为分析器14，设置于靠近车辆质心的位置，分别用于测量自车的加速度、角速度及偏航角，驾驶行为分析器分析自车当前的运动状态是否满足期望值，判断是否需要改变自车当前的运动状态；所述的三轴加速度计11、三轴陀螺仪12、三轴磁力计13采用Xsens生产的高度集成的传感器MTI-1；
所述里程计为轮速传感器，通过获取的轮速信号，基于车轮的滚动半径完成对当前自车车速及总行驶里程的计算；
所述HMI模块6包括用户输入模块15与信息展示模块16，设置在车体内部，其中用户输入模块15包括触摸屏输入模块17、语音输入模块18与物理按钮输入模块19，将用户的行驶需求、娱乐需求等信息传递给电子控制系统；信息展示模块17包括视觉显示模块20与语音提示模块21，其中视觉展示模块21以字符的形式向乘员展示车辆当前的速度、剩余油量等状态信息，以视频的形式展示车辆当前的运行状态，语音提示模块22将可能影响乘坐体验的信息反馈给乘员，如燃油箱剩余油量不足、车辆即将进行换道等；
所述的电子控制模块44通过CAN总线与自车运动操作系统7相连，分别输出对应的控制信号控制驱动执行模块41、制动执行模块42及转向执行模块43完成相应的指令。所述的控制驱动执行模块41包括驱动ECU与车辆的驱动装置，包括发动机、电动机传动系等，所述的制动执行模块42包括制动ECU与ABS系统，转向执行模块43包括转向ECU与EPS系统；
所述的电子控制系统44包括位姿信息模块22、路径规划模块23、电子地图模块32和存储器40，摄像头1、雷达8、通信系统2分别与电子地图模块32相连，摄像头1、定位系统3、IMU组件4、里程计5分别与位姿信息模块相连，电子地图模块32与路径规划模块23相连，路径规划模块23和电子地图模块32分别与存储器40相连，路径规划模块23分别与HMI模块6和驱动执行模块41、制动执行模块42及转向执行模块43相连；
所述的电子地图模块32中，包括总地图模块33与子地图绘制模块34，所述的总地图模块33中的地图信息可通过与云端服务器的通信而获取，所述的子地图绘制模块34通过车辆上的传感器感知外部环境信息，可获得更高精度的地图信息，为车辆的总路径规划与车道变更/保持时的轨迹规划提供依据；
所述的路径规划模块23包括全局路径规划模块24和局部路径规划模块25，对每一时段的运动路径进行详细规划；所述的存储器40可以实现地图信息与相应计算程序的存储，而且可以存储车辆当前与未来一段时间内运动信息；
所述的子地图绘制模块34包括建筑物绘制模块35、道路信息绘制模块36、高精度地图模块37、环境物体绘制模块38、交通指示信号绘制模块39。所述的建筑物绘制模块35完成对道路两旁建筑物的绘制，进而获取位置精度更高的目的地信息；所述的道路信息绘制模块36完成对当前道路状况的绘制，包括道路宽度、曲率、坡度、车道线数目等信息；所述的环境物体绘制模块38完成对物体的建模，包括道路上的其他车辆、行人、障碍物等；所述的交通指示信号绘制模块39完成对信号灯、标识牌、路标等交通指示物的绘制；所述的高精度地图模块37获取上述四个模块传递的信息，建立当前路段的高精度地图。
所述的局部路径规划模块25包括自车运动分析模块26、环境状况分析模块27、未来运动决策模块28、车道保持轨迹规划模块29、车道变更轨迹规划模块30、车辆运动规划模块31，所述的自车运动分析模块26根据全局路径规划模块24传递的信息，判断自车是否由于行驶路线的需要而必须进行换道操作；所述环境状况分析模块27根据子地图绘制模块34传递的高精度地图信息及自车的运动信息，将拥有更高的运行车速及加速度的邻近车道暂定为目标车道；所述未来运动决策模块28以最小安全距离为标准，判断自车是否满足车道变更的条件；所述的车道保持轨迹规划模块29与车道变更轨迹规划模块30根据不同的运动决策完成能够满足相应运动要求的轨迹规划；所述车辆运动规划模块31根据获取的运动轨迹函数，求一阶及二阶导数获取每一时刻对应的纵向与横向的速度及加速度信息，通过线路分别传递给驱动执行模块41、制动执行模块42与转向执行模块43。
结合图7-11所示：
本发明提供的一种车道变更轨迹规划系统，包括以下步骤：
步骤1：获取运动决策模块传递的车道变更需求指令。
步骤2：通过摄像头、雷达、里程计、IMU组件、定位系统、通信系统，建立道路环境信息、自车及目标车道车辆的运动状态信息，所述的自车及目标车道车辆运动状态信息包括自车及目标车辆当前的位置、速度、加速度信息，以及自车当前的横摆角、质心距离车道中心线的偏离距离信息；所述道路环境信息包括道路曲率、道路宽度等信息。
步骤3：根据步骤2中获得的信息进行数据处理，下面结合图8、图9对步骤3进行详细说明：
图8为本发明直道车道变更场景示意图，其中OXY为大地坐标系，X轴所指方向为当前道路方向，指向车辆的前方，Y轴所指方向为垂直X轴且指向道路内侧方向。因此，纵向加速度、纵向速度、纵向位置和横向位置分别表示为ai(t)，vi(t)，xi(t)和yi(t)，其中i∈{Ld,Fd,L0,M}，M代表自车，Ld代表目标车道前车，Fd代表目标车道后车，L0代表原车道前车。车辆初始横摆角为
Figure BDA0002480066560000121
车辆质心距离车道中心线偏移距离为d。
图9为本发明弯道车道变更场景示意图，其中A图为自车由外侧车道向内侧车道进行换道，B图为自车由内侧车道向外侧车道进行换道，图中OXY为大地坐标系，两条虚线为车道中心线，具有相同的瞬时中心，外侧车道中心线的半径为R，车道宽度为H，点C为车道变更轨迹上的任意一点，v(t)为车辆行驶速度，方向沿轨迹切线方向，vx(t)为沿车辆坐标系纵轴方向上的速度，vy(t)为车辆坐标系横轴方向上的速度，θd(t)为车辆在直道车道变更时的横摆角，α(t)为车辆坐标系纵轴与大地坐标系纵轴间的夹角，
Figure BDA0002480066560000122
为车辆车道变更过程中的横摆角，XC(t)和YC(t)为车辆质心在大地坐标系下的坐标，O1为质心瞬时转动中心，瞬时半径为r(t)。
在大地坐标系下确定自车相应的运动信息，具体包括：
当前车道为直道时，车辆行驶过程中的初始状态为
Figure BDA0002480066560000123
目标状态为
Figure BDA0002480066560000124
其中xin，
Figure BDA0002480066560000125
分别表示初始状态的纵向位置、速度和加速度，xfin，
Figure BDA0002480066560000126
分别表示最终状态的纵向位置、速度和加速度，yin，
Figure BDA0002480066560000127
分别表示初始状态的横向位置、速度和加速度，yfin，
Figure BDA0002480066560000128
分别表示最终状态的横向位置、速度和加速度。
步骤4：基于步骤1获取的道路信息，分别在道路为直道或弯道的条件下，基于车辆实际信息与理想车道变更轨迹信息完成车道变更的轨迹规划；所述的车辆实际信息包括步骤2获取的自车当前的横摆角、质心距离车道中心线的偏离距离信息及步骤3获取的初始状态与目标状态信息；所述理想车道变更轨迹函数形式为五次多项式，在X和Y方向的轨迹函数为：
Figure BDA0002480066560000131
步骤3中的初始与最终状态信息获取方式如下：
当前车道为直道时，xin、yin可在大地坐标系中直接获得，
Figure BDA0002480066560000132
其中T为车道变更时间，aM为自车的纵向加速度。yfin为目标车道中心线的y轴坐标值。
Figure BDA0002480066560000133
通过里程计获取，
Figure BDA0002480066560000134
可由IMU组件直接获取，
Figure BDA0002480066560000135
即为目标车道车辆的纵向速度、加速度信息，、
Figure BDA0002480066560000136
均为0。
步骤4所述轨迹函数求解方式如下：
定义时间参数矩阵
Figure BDA0002480066560000137
式中tin和tfin分别表示车道变更初始时刻和完成时刻。定义系数矩阵A＝[a5,a4,a3,a2,a1,a0]和B＝[b5,b4,b3,b2,b1,b0]，此时求解车道变更轨迹函数变为求解满足初始时刻和完成时刻状态的系数矩阵：
Figure BDA0002480066560000138
当前道路为直道，不考虑自车初态下的车道变更轨迹为：
Figure BDA0002480066560000139
式中，车道变更过程的纵向位移
Figure BDA00024800665600001310
t∈[0,T]，车道变更过程总纵向位移
Figure BDA00024800665600001311
总横向位移ye＝yfin-yin。
当考虑自车初态时：
当前道路为直道时，车道变更轨迹为：
Figure BDA0002480066560000141
当前道路为弯道时：
(1)当自车由外侧车道向内侧车道进行车道变更时，轨迹坐标为：
Figure BDA0002480066560000142
式中，ys(t)为车辆沿瞬时半径向瞬时转动中心移动的距离，ys(t)＝y(t)，其中y(t)为当前道路为直道时的车道变更轨迹，满足：
Figure BDA0002480066560000143
α(t)为车辆质心绕瞬时转动中心转过的角度，
Figure BDA0002480066560000144
式中r(t)为车辆质心所处位置的瞬时半径，r(t)＝R-ys(t)。
(2)当自车由内侧车道向外侧车道进行车道变更时，轨迹坐标为：
Figure BDA0002480066560000147
式中，ys(t)为车辆沿瞬时半径远离瞬时转动中心移动的距离，ys(t)＝y(t)。α(t)为车辆质心绕瞬时转动中心转过的角度，
Figure BDA0002480066560000145
r(t)为车辆质心所处位置的瞬时半径，r(t)＝R-H+ys(t)。
图10描绘出直道车道变更过程各参数的仿真结果。其中假设d＝0.4m，
Figure BDA0002480066560000146
初始车速在X轴上的分量为20m/s，车道宽度H＝3.75m，车道变更时间T＝3s。由图10可知，车辆在车道变更初始时刻，质心与车道中心线之间有一偏移距离，且其横向速度不为零，所以其横摆角也不为零。而在车道变更完成时刻，车辆到达目标位置且其横向速度为零，即其初始状态偏差已得到纠正,本发明提出的车道变更轨迹规划方法可以成功完成换道行为。
图11表示了弯道车道变更情况下定速/匀加速过程各参数的仿真结果。其中A-E为由外侧车道向内侧车道进行变更，F-J为由内侧车道向外侧车道进行变更。假设车道宽度为3.75m，外侧车道半径为1500m，内侧车道半径为(1500-3.75)m，车道变更时间为3s，初始车速在X轴上的分量为20m/s，加速度在X轴上的分量为2m/s2。可以得出，可以看出，弯道加速车道变更的轨迹在车道变更前半段基本和定速轨迹变化趋势较为一致，后半段由于纵向加速度的持续施加，导致纵向速度比前半段纵向速度较大，变化趋势较定速轨迹略为紧凑，但是舒适性和安全性都能得到相应地保证。因此本发明提出的方法能够较好地应用于不同曲率的道路，且在车辆定速或加速下都有着较好的适用性。

Claims (7)

1.一种车道变更轨迹规划系统，其特征在于：包括摄像头、雷达、通信系统、定位系统、IMU组件、里程计、HMI模块、电子控制系统及运动操作系统，所述的摄像头、雷达、通信系统、定位系统、IMU组件、里程计、HMI模块均分别设置于自车车体上，并通过有线通讯的方式实现与电子控制系统之间的数据传输；所述的摄像头至少包括五个摄像头，分别设在自车前后左右四个方位的中部以及前挡风玻璃靠上的位置；所述的雷达至少包括四个激光雷达和两个长距离毫米波雷达，所述的激光雷达分别设在自车左前角、左后角、右前角、右后角；所述的长距离毫米波雷达分别设在自车左右两侧的中部；通过摄像头及不同种类的雷达，实现对车辆周围环境的充分感知，进而实现车道变更环境模型的创建；所述的通信系统通过无线通讯的方式实现自车运动信息的实时传输，完成车-车交互与车-基础设施之间的信息交互；所述的定位系统使用RTK GPS定位系统，可提供精度为厘米级的绝对定位；所述IMU组件包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计、驾驶行为分析器，设置于靠近车辆质心的位置，分别用于测量自车的加速度、角速度及偏航角，驾驶行为分析器分析自车当前的运动状态是否满足期望值，判断是否需要改变自车当前的运动状态；所述里程计通过获取的轮速信号，完成对当前自车车速及总行驶里程的计算；所述HMI模块包括用户输入模块与信息展示模块，设置在车体内部，其中用户输入模块包括触摸屏输入模块、语音输入模块与物理按钮输入模块，将用户的行驶需求、娱乐需求等信息传递给电子控制系统；信息展示模块包括视觉显示模块与语音提示模块，其中视觉展示模块以字符的形式向乘员展示车辆当前的速度、剩余油量等状态信息，以视频的形式展示车辆当前的运行状态，语音提示模块将可能影响乘坐体验的信息反馈给乘员，如燃油箱剩余油量不足、车辆即将进行换道等；电子控制模块通过CAN总线与自车运动操作系统相连，分别输出对应的控制信号控制驱动执行模块、制动执行模块及转向执行模块完成相应的指令。
2.根据权利要求1所述的一种车道变更轨迹规划系统，其特征在于：所述的电子控制系统包括位姿信息模块、路径规划模块、电子地图模块和存储器，摄像头、雷达、通信系统分别与电子地图模块相连，摄像头、定位系统、IMU组件、里程计分别与位姿信息模块相连，电子地图模块与路径规划模块相连，路径规划模块和电子地图模块分别与存储器相连，路径规划模块分别与HMI模块和驱动执行模块、制动执行模块及转向执行模块相连；所述的电子地图模块中，包括总地图模块与子地图绘制模块，可获得更高精度的地图信息，为车辆的全局路径规划与车道变更/保持时的轨迹规划提供依据；所述的路径规划模块包括全局路径规划模块和局部路径规划模块，对每一时段的运动路径进行详细规划；所述的存储器用于存储数据。
3.根据权利要求2所述的一种车道变更轨迹规划系统，其特征在于：所述的子地图绘制模块包括建筑物绘制模块、道路信息绘制模块、高精度地图模块、环境物体绘制模块、交通指示信号绘制模块；所述的建筑物绘制模块完成对道路两旁建筑物的绘制；所述的道路信息绘制模块完成对当前道路状况的绘制，包括道路宽度、曲率、坡度、车道线数目等信息；所述的环境物体绘制模块完成对物体的建模，包括道路上的其他车辆、行人、障碍物等；所述的交通指示信号绘制模块完成对信号灯、标识牌、路标等交通指示物的绘制；所述的高精度地图模块获取上述四个模块传递的信息，建立当前路段的高精度地图。
4.根据权利要求2所述的一种车道变更轨迹规划系统，其特征在于：所述的局部路径规划模块包括自车运动分析模块、环境状况分析模块、未来运动决策模块、车道保持轨迹规划模块、车道变更轨迹规划模块、车辆运动规划模块，所述的自车运动分析模块根据全局路径规划模块传递的信息，判断自车是否由于行驶路线的需要而必须进行换道操作；所述环境状况分析模块根据子地图绘制模块传递的高精度地图信息及自车的运动信息，将拥有更高的运行车速及加速度的邻近车道暂定为目标车道；所述未来运动决策模块以最小安全距离为标准，判断自车是否满足车道变更的条件；所述的车道保持轨迹规划模块与车道变更轨迹规划模块根据不同的运动决策完成能够满足相应运动要求的轨迹规划；所述车辆运动规划模块根据获取的运动轨迹函数，获取每一时刻对应的纵向与横向的速度及加速度信息，通过CAN总线分别传递给驱动执行模块、制动执行模块与转向执行模块。
5.一种车道变更轨迹规划系统，包括以下步骤：
步骤1：获取运动决策模块传递的车道变更需求指令；
步骤2：通过摄像头、雷达、里程计、IMU组件、定位系统、通信系统，建立道路环境信息、自车及目标车道车辆的运动状态信息，所述的自车及目标车道车辆运动状态信息包括自车及目标车辆当前的位置、速度、加速度信息，以及自车当前的横摆角、质心距离车道中心线的偏离距离信息；所述道路环境信息包括道路曲率、道路宽度等信息；
步骤3：根据步骤2中获得的信息进行数据处理，具体包括：
建立大地坐标系OXY，其中若当前道路为直道，则X轴所指方向为当前道路方向，指向车辆的前方，若当前道路为弯道，则X轴所指方向为当前道路切线方向，指向车辆的前方，Y轴所指方向为垂直X轴且指向道路内侧方向；
在大地坐标系下确定自车相应的运动信息，具体包括：
当前车道为直道时，车辆行驶过程中的初始状态为
Figure FDA0002480066550000031
目标状态为
Figure FDA0002480066550000032
其中xin，
Figure FDA0002480066550000033
分别表示初始状态的纵向位置、速度和加速度，xfin，
Figure FDA0002480066550000041
分别表示最终状态的纵向位置、速度和加速度，yin，
Figure FDA0002480066550000042
分别表示初始状态的横向位置、速度和加速度，yfin，
Figure FDA0002480066550000043
分别表示最终状态的横向位置、速度和加速度；
步骤4：基于步骤1获取的道路信息，分别在道路为直道或弯道的条件下，基于车辆实际信息与理想车道变更轨迹信息完成车道变更的轨迹规划；所述的车辆实际信息包括步骤2获取的自车当前的横摆角、质心距离车道中心线的偏离距离信息及步骤3获取的初始状态与目标状态信息；所述理想车道变更轨迹函数形式为五次多项式，在X和Y方向的轨迹函数为：
Figure FDA0002480066550000044
6.根据权利要求5所述的一种车道变更轨迹规划系统，其特征在于：步骤3中的初始与最终状态信息获取方式如下：
当前车道为直道时，xin、yin可在大地坐标系中直接获得，
Figure FDA0002480066550000045
其中T为车道变更时间，aM为自车的纵向加速度；yfin为目标车道中心线的y轴坐标值；
Figure FDA0002480066550000046
通过里程计获取，
Figure FDA0002480066550000047
可由IMU组件直接获取，
Figure FDA0002480066550000048
即为目标车道车辆的纵向速度、加速度信息，
Figure FDA0002480066550000049
均为0。
7.根据权利要求5所述的一种车道变更轨迹规划系统，其特征在于：步骤4所述的车道变更轨迹为：
当前道路为直道时，车道变更轨迹为：
Figure FDA00024800665500000410
式中，车道变更过程的纵向位移
Figure FDA0002480066550000051
t∈[0,T]，车道变更过程总纵向位移
Figure FDA0002480066550000052
总横向位移ye＝yfin-yin；
当前道路为弯道时：
(1)当自车由外侧车道向内侧车道进行车道变更时，轨迹坐标为：
Figure FDA0002480066550000053
式中，ys(t)为车辆沿瞬时半径向瞬时转动中心移动的距离，ys(t)＝y(t)，其中y(t)为当前道路为直道时的车道变更轨迹，满足：
Figure FDA0002480066550000054
α(t)为车辆质心绕瞬时转动中心转过的角度，
Figure FDA0002480066550000055
式中r(t)为车辆质心所处位置的瞬时半径，r(t)＝R-ys(t)；
(2)当自车由内侧车道向外侧车道进行车道变更时，轨迹坐标为：
Figure FDA0002480066550000056
式中，ys(t)为车辆沿瞬时半径远离瞬时转动中心移动的距离，ys(t)＝y(t)；α(t)为车辆质心绕瞬时转动中心转过的角度，
Figure FDA0002480066550000057
r(t)为车辆质心所处位置的瞬时半径，r(t)＝R-H+ys(t)。
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