CN111422197A - 一种考虑智能车群流量的智能驾驶车辆主动换道系统 - Google Patents

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CN111422197A CN202010420366.XA CN202010420366A CN111422197A CN 111422197 A CN111422197 A CN 111422197A CN 202010420366 A CN202010420366 A CN 202010420366A CN 111422197 A CN111422197 A CN 111422197A
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Abstract

本发明涉及一种考虑智能车群流量的智能驾驶车辆主动换道系统，换道系统包括摄像头、雷达、轮速传感器、IMU组件、通信模块、GNSS模块、ECU模块、HMI模块及运动执行模块；换道综合决策方法包括：获取本车辆以及环境车辆的运动信息、道路基本信息、判断换道的运动增益、计算对应的纵向最小安全距离、判断换道行为是否对车流量造成较大影响等步骤，本发明在传统的最小安全距离模型的基础上，分别在直道和弯道等不同道路情况下，考虑道路曲率对最小安全距离模型的影响，综合考虑换道行为对目标车道车流量的影响，建立了换道系统和综合决策模型，为智能网联汽车在换道时提供切实可行的决策依据，最终得到更全面、更经济以及更高效的综合换道控制方法。

Description

一种考虑智能车群流量的智能驾驶车辆主动换道系统
技术领域
本发明涉及一种考虑智能车群流量的智能驾驶车辆主动换道系统，特别涉及一种用于智能车群的主动换道决策系统及换道综合决策方法。
背景技术
随着云计算、大数据、物联网等信息通信技术的飞速发展，如今我们已经步入了万物互联的互联网时代，以5G为代表的新兴通信技术正在与各行各业进行融合，不断推动着社会的发展变革。汽车产业作为传统制造业之一，也在不断朝着“智能制造”与“互联网+”的方向转型升级。
智能网联汽车ICV(Intelligent Connected Vehicle)是汽车智能化技术与网联技术的结合产物，其中网联技术使得智能汽车在环境感知、行为决策等多个方面突破了自车搭载的传感器传感能力的限制，达到了人、车、路、云等在车辆行驶过程中信息交互共享的目的，从而为车辆在节能、安全、高效等方面带来了较大的提升。
换道是交通中经常出现的驾驶行为，当车流量较小时，合理的换道行为有助于车辆获得更高的行驶速度；而当车流量较大时，换道行为可能严重影响车流的行驶速度，降低道路通行能力，不合理的换道行为甚至可能造成严重的交通事故。因此，有必要在车辆做出换道决策时将换道行为对车流量的影响考虑在内。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，在最小安全距离模型的基础上设计一种用于智能车群的换道行为对于车流量影响的主动换道综合决策模型，保证了换道的合理性与可行性，避免了不合理的换道行为对于道路通行效率的影响；并且提供一种配套使用的用于智能车群的主动换道决策系统。
本发明提供的一种考虑智能车群流量的智能驾驶车辆主动换道系统，其特征在于，包括摄像头、雷达、轮速传感器、IMU组件、通信模块、GNSS模块、ECU模块、HMI模块及运动执行模块。所述的摄像头、雷达、轮速传感器、IMU组件、通信模块、GNSS模块、HMI模块及运动执行模块均安置于车体上，通过车上的CAN总线与ECU模块连接，实现相互之间的数据传递；所述的摄像头至少包括5个单目摄像头，分别设在自车车身前侧、后侧、左侧和右侧中部及车顶中部的位置；所述的雷达至少包括4个激光雷达和6个短距离毫米波雷达，分别位于车辆的左前、左后、右前、右后角的位置；所述的毫米波雷达分别位于车身左右两侧的前、中、后部；所述的IMU组件用来测量车辆的角速度、加速度、偏航角及海拔高度；所述的GNSS模块使用RTK-GNSS(real time kinematic GNSS)技术对车辆的绝对位置进行确定，基于载波相位差分技术可以达到厘米级的定位精度，所述的绝对位置包括车辆当前的经纬度及海拔高度；ECU模块将求得的运动信息转化为控制信号，控制运动执行模块中的驱动执行模块、制动执行模块与转向执行模块执行对应操作。
所述的智能车群为一组具有相同或相近目的地的智能网联汽车；所述的智能网联汽车的通信模块使用LTE-V2X技术实现车与车、车与基础设施的信息交互，其工作频段在5905-5925MHz，所述的车与车的信息交互使用LTE-V-direct技术，不需经过基站的中转；所述的车与基础设施的信息交互使用LTE-V-cell技术，实现大带宽、大覆盖通信；所述的交互信息包括认证类信息、上传类信息与下发类信息；所述的认证类信息为车辆终端在完成设备注册后，向云端服务器发送的车牌号等认证信息，所述的上传类信息包括车辆以一定频率上报包含自车当前车速、位置、行驶方向、行驶意图等信息，所述的下发类信息包含云端服务器发送的交通事件、路侧安全信息及环境车辆的运动信息。
所述的HMI模块包括用户需求输入模块与车辆信息反馈模块，所述的用户需求输入模块包括主动输入模块与智能感知模块，所述的主动输入模块为驾驶员通过触觉、语音、体感等方式将自己需求输入给车辆；所述的智能感知模块包括车辆通过嗅觉感知、生物感知等方式感知车内的空气状况、用户的心理、情绪变化等信息，智能感知用户的需求；所述的车辆信息反馈模块为车辆通过视觉、语音、触觉等方式将车辆当前及未来一段时间的运行状态告知用户。
所述的ECU模块包括自车基本信息模块、高精度电子地图模块、导航模块、存储器与运动决策模块，自车基本信息模块、高精度电子地图模块、导航模块与运动决策模块分别与存储器相连；自车基本信息模块与高精度电子地图模块分别与导航模块相连；导航模块与运动决策模块相连；所述的自车基本信息模块包括静态信息模块与动态信息模块，包括车辆的绝对位置、相对位置、航向、速度与加速度等信息；所述的高精度电子地图模块包括基本地图模块、区域地图模块与实时动态地图模块，提供包括基本的路网与建筑物等在内的地图信息及包括自车周围交通信号、环境车辆等在内的动态地图信息；所述的导航模块包括全局路线绘制模块与局部路线绘制模块，完成从车辆当前位置到目的地的用时最短的路径绘制及在当前路段所需遵循的路线绘制；所述的运动决策模块包括运动分解模块与反馈调节模块；所述的存储器用于存储数据。
所述的局部路线绘制模块包括行为决策模块与轨迹绘制模块，所述的行为决策模块包括运动增益判定模块、安全性判定模块与环境影响判定模块，分别判定换道行为能否为自车带来更好的运动效果、自车与原车道前车、目标车道前车、目标车道后车的距离是否满足最小安全距离要求、换道行为是否对目标车道的车流量造成过大的影响，进而做出换道或车道保持的行为决策，所述的轨迹绘制模块根据行为决策模块做出的决策，绘制出一条满足行为要求的运动轨迹。
所述的运动分解模块根据轨迹绘制模块绘制的运动轨迹，分解为每一时刻车辆沿纵向与侧向的速度与加速度，并将其传递给运动执行模块，完成相应的运动操作，所述的反馈调节模块根据当前运动状态与预期运动状态的差值，完成下一时刻运动状态的自适应调整。
基于上述的系统，本发明提供的一种考虑智能车群流量的智能驾驶车辆主动换道系统，包括以下步骤：
步骤1：通过IMU组件与轮速传感器获取自车的运动信息，并通过车车通信、雷达等获取相邻车道车辆的运动信息及相对位置信息，所述的车车通信通过Periodic traffic(周期型传输)的模式实现车车之间的信息交互，所述的运动信息包括自车及相邻车道车辆当前的车速及加速度信息，所述的相对位置信息包括邻道车辆与自车在纵向和横向上的相对位置关系；
步骤2：判断换道行为能否为自车带来更好的运行效益，具体包括；
(1)根据步骤1获取的运动信息，将自车与相邻车道车辆的运动信息进行比较，若相邻车道车辆的平均车速及加速度显著高于自车，则产生换道意图，否则由行为决策模块29产生车道保持的指令，重复步骤1；
(2)将相邻车道中具有更高的行驶速度、加速度及更大跟车距离的相邻车道暂定为目标车道，所述的跟车距离计算公式为：
drel＝vH·τ+L
式中τ为跟车时距，L为车长，vH为车道平均车速。
步骤3：若步骤2中产生换道意图且确定目标车道后，通过自车与路侧单元(RoadSide Unit,RSU)的通信，确定当前道路的基本信息，完成纵向最小安全距离的计算，并以此作为换道行为的安全条件；所述的纵向最小安全距离包括自车与目标车道前车的纵向最小安全距离、自车与目标车道后车的纵向最小安全距离、自车与原车道前车的纵向最小安全距离；
若自车与目标车道前车、目标车道后车或原车道前车中任意目标的纵向距离小于对应的纵向最小安全距离，则车辆不能换道，由行为决策模块29产生车道保持的指令，重复步骤1。
步骤4：若自车与目标车道前车、目标车道后车及原车道前车的纵向距离均满足步骤3中的最小安全距离条件，则完成有无换道行为目标车道车流量的计算，进一步判断是否满足车流量的最小波动，若换道引发的车流量波动小于设定的阈值条件值，则认为换道的决策条件得到满足，行为决策模块29产生换道的指令；否则产生车道保持的指令，重复步骤1。
步骤5：若步骤4中计算的车流量波动满足相应的条件，则判断本次换道决策可行，行为决策模块29发出执行换道的指令，轨迹绘制模块30绘制出合理的换道轨迹，同时自车将换道意图以Eventtriggered traffic(事件触发型传输)的模式传递给智能车群中的其他车辆。
步骤3中当前道路情况相应的纵向最小安全距离如下，其中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：
当前道路为直道时，纵向最小安全距离包括：
(1)自车M与目标车道前车Ld的纵向最小安全距离为：
Figure BDA0002496647630000051
其中，aM(τ)、
Figure BDA0002496647630000052
分别为自车、目标车道前车的加速度，vM(0)、
Figure BDA0002496647630000053
分别为自车、目标车道前车的初速度，L为车长，tc表示换道自车完成纵向距离及纵向速度的调整后，向目标车道切入过程中发生碰撞的时间,tadj表示自车为了执行换道成功在开始执行换道操作之前所需的纵向距离和纵向速度调整的时间,tc+tadj为发生碰撞的时间，T为换道总时间；
(2)自车M与目标车道后车Fd的纵向最小安全距离为：
Figure BDA0002496647630000061
其中，aM(τ)、
Figure BDA0002496647630000062
分别为自车、目标车道后车的加速度，vM(0)、
Figure BDA0002496647630000063
分别为自车、目标车道后车的初速度；
(3)自车M与原车道前车L0的纵向最小安全距离为：
Figure BDA0002496647630000064
其中，aM(τ)、
Figure BDA0002496647630000065
分别为自车、原车道前车的加速度，vM(0)、
Figure BDA0002496647630000066
分别为自车、原车道前车的初速度；
当前道路为弯道时，纵向最小安全距离包括：
(1)自车M与目标车道前车Ld的纵向最小安全距离为：
Figure BDA0002496647630000067
其中，R为外侧车道的曲率半径，H为车道宽度，l2(0)为初始时刻目标车道前车Ld沿内车道到自车M的弧长距离，
Figure BDA0002496647630000068
为l2(0)所对应的圆心角；
(2)自车M与目标车道后车Fd的纵向最小安全距离为：
Figure BDA0002496647630000069
(3)自车M与原车道前车L0的纵向最小安全距离为：
Figure BDA00024966476300000610
其中l1(0)为初始时刻自车M与原车道前车L0沿外侧车道的距离。
步骤4所述的有无换道目标车道的车流量分别为：
(1)无换道行为时，目标车道的车流量为：
Figure BDA0002496647630000071
式中，vH为目标车道的平均车速，T为统计时段的总时长，t2为相邻两车的间隔时距，
Figure BDA0002496647630000072
(2)存在换道行为时，目标车道车流量为：
Figure BDA0002496647630000073
式中，vL为自车当前的车速，a为自车的加速度，t1、t2分别为换道前半段和后半段的持续时长，
Figure BDA0002496647630000074
T1为完成换道所需的总时间,T1＝tacc+tlat，其中自车加速至目标车速所需时间
Figure BDA0002496647630000075
tlat为自车进行换道所需的时间。
步骤4所述的车流量最小波动为：
Jc＝β(δ-1)·(n-nc)
式中，β为车流量波动影响系数，为一个小于1的正数，δ为步骤2中产生换道意图但未执行换道操作的次数。当多次产生换道意图而未顺利执行换道行为时，换道动机更为强烈，车流量波动的影响效果逐渐降低。
本发明的有益效果：
本发明提出了一种考虑智能车群流量的智能驾驶车辆主动换道系统，通过智能车群中车车通信的方式获取环境车辆的运动信息，分析换道行为对目标车道车流量的影响，提出了车流量影响模型，同时考虑不同的道路情况，分别在直道和弯道的情况下，综合考虑道路曲率对最小安全距离模型的影响，将上述两种模型进行结合，建立了换道综合决策模型，为智能网联汽车在产生换道意图时提供切实可行的决策依据，最终得到更全面、更合理的换道控制方法，同时避免了车辆频繁、不合理的换道行为的发生，保证了车辆行驶的安全，极大的提高道路通行的效率。
附图说明
图1为本发明换道系统的整体结构示意图；
图2为本发明换道系统摄像头的分布示意图；
图3为本发明换道系统雷达的分布示意图；
图4为本发明换道系统中HMI模块的结构示意图；
图5为本发明换道系统中高精度电子地图模块的结构示意图；
图6为本发明换道系统中行为决策模块的结构示意图；
图7本发明换道综合决策方法的逻辑示意图；
图8为本发明直道换道场景示意图；
图9为本发明弯道换道场景示意图；
图10为本发明直道换道情况下自车与邻车发生碰撞时的示意图；
图11为本发明弯道换道情况下自车与邻车发生碰撞时的示意图；
图12为本发明直道换道情况下自车与邻车最小安全距离与换道时间的关系图；
图13为本发明弯道换道情况下自车与邻车最小安全距离与弯道半径的关系图；
图14为本发明有/无换道时车流量与换道车辆加速度的关系图；
图15为本发明有/无换道时车流量与换道车辆当前车速和期望车速差值的关系图；
1、摄像头 2、雷达 3、轮速传感器 4、IMU组件
5、通信模块 6、GNSS模块 7、ECU模块 8、HMI模块
9、运动执行模块 10、激光雷达 11、毫米波雷达
12、自车基本信息模块 13、高精度电子地图模块 14、导航模块
15、存储器 16、运动决策模块 17、驱动执行模块
18、制动执行模块 19、转向执行模块 20、静态信息模块
21、动态信息模块 22、基本地图模块 23、区域地图模块
24、实时动态地图模块 25、全局路线绘制模块
26、局部路线绘制模块 27、用户需求输入模块
28、车辆信息反馈模块 29、行为决策模块 30、轨迹绘制模块
31、运动分解模块 32、反馈调节模块 33、交通标示模块
34、移动障碍物模块 35、固定障碍物模块
36、运动增益判定模块 37、安全性判定模块
38、环境影响判定模块 39、主动输入模块 40、智能感知模块。
具体实施方式
结合图1-6所示：
本发明提供的一种考虑智能车群流量的智能驾驶车辆主动换道系统，其特征在于，包括摄像头1、雷达2、轮速传感器3、IMU组件4、通信模块5、GNSS模块6、ECU模块7、HMI模块8及运动执行模块9。所述的摄像头1、雷达2、轮速传感器3、IMU组件4、通信模块5、GNSS模块6、HMI模块8及运动执行模块9均安置于车体上，通过车上的CAN总线与ECU模块7连接；
所述的摄像头1至少包括5个单目摄像头，分别设在自车车身前侧、后侧、左侧和右侧中部及车顶中部的位置，所述的单目摄像头使用ZF公司生产的S-Cam 4系列摄像头，用于实现物体种类识别、道路指示信息识别、光源种类识别等功能；
所述的雷达2至少包括4个激光雷达10和6个短距离毫米波雷达11，所述的激光雷达10使用Luminar公司生产的Iris激光雷达，分别位于车辆的左前、左后、右前、右后角的位置；所述的毫米波雷达11使用Continental公司生产的77GHz短距离毫米波雷达SRR520，分别位于车身左右两侧的前、中、后部；
所述的轮速传感器3使用Infineon公司生产的差分双线霍尔式传感器TLE4941-1C，完成对当前车速的估算；
所述的IMU组件4使用ADI公司生产的ADIS16448十自由度惯性传感器，包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计和气压计，用来测量车辆的角速度、加速度、偏航角及海拔高度；所述的陀螺仪用来测量车辆绕车辆坐标系XYZ三轴的角速度，所述的加速度计用来测量车辆沿XYZ三轴的加速度，所述的磁力计用来测量车辆相对于XYZ三轴的偏航角，所述的气压计用来测量车辆的海拔高度；
所述的通信模块5使用基于蜂窝移动通信系统的LTE-V2X技术，其工作频段在5905-5925MHz，搭载Qualcomm公司生产的9150C-V2X芯片组，在车与车之间通信时使用LTE-V-direct技术实现车与车之间直接的信息交互，在其他情况下通信时使用LTE-V-cell技术，以实现大带宽、大覆盖通信；
所述的通信模块5交互的信息包括认证类信息、上传类信息与分发类信息，所述的认证类信息为车辆终端在完成设备注册后，向云端服务器发送的车牌号等认证信息，所述的上传类信息包括车辆以一定频率上报包含自车当前车速、位置、行驶方向、行驶意图等信息，所述的分发类信息包含云端服务器发送的交通事件、路侧安全信息及环境车辆的运动信息；
所述的GNSS模块6使用RTK-GNSS(real time kinematic GNSS)技术对车辆的绝对位置进行确定，基于载波相位差分技术可以达到厘米级的定位精度，所述的绝对位置包括车辆当前的经纬度及海拔高度；
所述的HMI模块8包括用户需求输入模块27与车辆信息反馈模块28，所述的用户需求输入模块27包括主动输入模块39与智能感知模块40，所述的主动输入模块39为驾驶员通过触觉、语音、体感等方式将自己需求输入给车辆，所述的触觉方式包括按动按键、调节旋钮、触摸屏幕等方式，所述的体感方式包括手势输入等方式；所述的智能感知模块40包括车辆通过嗅觉感知、生物感知等方式感知车内的空气状况、用户的心理、情绪变化等信息，智能感知用户的需求；所述的车辆信息反馈模块为车辆通过视觉、语音、触觉等方式将车辆当前及未来一段时间的运行状态告知用户；
所述的ECU模块7将求得的运动信息转化为控制信号，控制运动执行模块9中的驱动执行模块17、制动执行模块18与转向执行模块19执行对应操作，所述的驱动执行模块17包括驱动ECU及驱动装置，包括发动机、电机、变速器等；所述的制动执行模块包括制动ECU与ABS系统；所述的转向执行模块包括转向ECU与EPS系统；
所述的ECU模块7包括自车基本信息模块12、高精度电子地图模块13、导航模块14、存储器15与运动决策模块16，自车基本信息模块12、高精度电子地图模块13、导航模块14与运动决策模块16分别与存储器15相连；自车基本信息模块12与高精度电子地图模块13分别与导航模块14相连；导航模块与运动决策模块16相连，所述的存储器15用于存储自车及环境车辆的相应数据，也可以存储各模块的运算程序以及相应的运算结果；
所述的自车基本信息模块12包括静态信息模块20与动态信息模块21,所述的静态信息模块20包括绝对位置信息、相对位置信息与航向信息，所述的绝对位置信息包括车辆的经纬度及海拔高度信息，所述的相对位置信息包括车辆相对周边环境的位置信息，所述的航向信息包括车辆当前行驶方向信息，所述的动态信息模块21包括车辆的速度与加速度信息；
所述的高精度电子地图模块13包括基本地图模块22、区域地图模块23与实时动态地图模块24，所述的基本地图模块22提供包括基本的路网信息、建筑物信息等在内的地图信息，所述的区域地图模块23在基本地图模块22基础上提供车辆当前所处区域的道路限速信息、道路车道线、坡度及曲率信息等；所述的实时动态地图模块24包括交通标示模块33、移动障碍物模块34与固定障碍物模块35，提供车辆当前所处路段的详细交通信号灯信息、其他车辆与行人的位置、速度信息等；
所述的导航模块14包括全局路线绘制模块25与局部路线绘制模块26，所述的全局路线绘制模块25根据车辆当前的位置、速度信息与目的地信息，综合考虑通信模块获取的实时交通信息，描绘出一条用时最短的路线，所述的局部路线绘制模块26包括行为决策模块29与轨迹绘制模块30，所述的行为决策模块29包括运动增益判定模块36、安全性判定模块37与环境影响判定模块38，根据当前道路的实际交通状况，判断换道行为的安全性及合理性，做出换道或车道保持的行为决策，所述的轨迹绘制模块30根据行为决策模块做出的决策，绘制出一条满足行为要求的运动轨迹；
所述的运动决策模块16包括运动分解模块31与反馈调节模块32，所述的运动分解模块31根据轨迹绘制模块绘制的运动轨迹，分解为每一时刻车辆沿纵向与侧向的速度与加速度，并将其传递给运动执行模块9，完成相应的运动操作，所述的反馈调节模块32根据当前运动状态与预期运动状态的差值，完成下一时刻运动状态的调整。
结合图7-15所示：
本发明提供的一种考虑智能车群流量的智能驾驶车辆主动换道系统，包括以下步骤：
步骤1：通过轮速传感器3与IMU组件4获取自车的运动信息，并通过车车通信、雷达2等获取相邻车道车辆的运动信息及相对位置信息，所述的车车通信通过Periodictraffic(周期型传输)的模式实现车车之间的信息交互，所述的运动信息包括自车及相邻车道车辆当前的车速及加速度信息，所述的相对位置信息包括邻道车辆与自车在纵向和横向上的相对位置关系；
步骤2：判断换道行为能否为自车带来更好的运行效益，具体包括；
(1)根据步骤1获取的运动信息，将自车与相邻车道车辆的运动信息进行比较，若相邻车道车辆的平均车速及加速度显著高于自车，则产生换道意图，否则由行为决策模块29产生车道保持的指令，重复步骤1；
(2)将相邻车道中具有更高的行驶速度、加速度及更大跟车距离的相邻车道暂定为目标车道，所述的跟车距离如图8所示，计算公式为：
drel＝vH·τ+L
式中τ为跟车时距，L为车长,vH为车道平均车速。
步骤3：若步骤2中产生换道意图且确定目标车道后，通过自车与路侧单元(RoadSide Unit,RSU)的通信，确定当前道路的基本信息，完成纵向最小安全距离的计算，并以此作为换道行为的安全条件；所述的纵向最小安全距离包括自车与目标车道前车的纵向最小安全距离、自车与目标车道后车的纵向最小安全距离、自车与原车道前车的纵向最小安全距离；
若自车与目标车道前车、目标车道后车或原车道前车中任意目标的纵向距离小于对应的纵向最小安全距离，则车辆不能换道，由行为决策模块29产生车道保持的指令，重复步骤1。
步骤4：若自车与目标车道前车、目标车道后车及原车道前车的纵向距离均满足步骤3中的最小安全距离条件，则完成有无换道行为目标车道车流量的计算，进一步判断是否满足车流量的最小波动，若换道引发的车流量波动小于设定的阈值条件值，则认为换道的决策条件得到满足，行为决策模块29产生换道的指令；否则产生车道保持的指令，重复步骤1。
步骤5：若步骤4中计算的车流量波动满足相应的条件，则判断本次换道决策可行，行为决策模块29发出执行换道的指令，轨迹绘制模块30绘制出合理的换道轨迹，同时自车将换道意图以Eventtriggered traffic(事件触发型传输)的模式传递给智能车群中的其他车辆。
图8和图9分别表示了直道和弯道换道情况下，各车的位置情况。为了方便表示所涉及的车辆之间的纵向和横向距离关系，在图中表示出了大地坐标系，O为原点，X轴指向车辆行驶方向，Y轴垂直于X轴指向目标车道。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}。
下面结合图10、图11对步骤3中根据当前道路情况计算相应的纵向最小安全距离进行详细说明，其中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：
当前道路为直道时，图10是直道换道情况下自车与邻车发生碰撞时的示意图；
(1)当自车M与目标车道前车Ld发生碰撞时，自车的横向位移为：
Figure BDA0002496647630000141
式中，S为自车的上边沿与目标车道前车的下边沿的初始横向距离，W为车宽(假设实施例中所涉车辆车长和车宽相同)，考虑所有的碰撞形式，自车与目标车道前车的避碰条件为下式：
Figure BDA0002496647630000151
式中，xM(t)为本车纵向位移，
Figure BDA0002496647630000152
为目标车道前车纵向位移，L为车长，θ(t)为换道车辆横摆角，且满足下式：
Figure BDA0002496647630000153
vlat(t)为本车的侧向车速，vM(t)为本车的纵向车速，最大的θ(t)，即最大的sin(θ(t))在t＝tc+tadj时刻取得。定义为本车与目标车道前车Ld在[tc+tadj，tlat+tadj]时段区间为避免碰撞所应保持的距离lLd＝L+W×sin(θ(tc+tadj))，tlat为自车由原车道向目标车道切入过程的时间，上式简化为：
Figure BDA0002496647630000154
用Sr(t)表示自车M与目标车道前车Ld换道过程中的纵向距离，得到：
Figure BDA0002496647630000155
为了达到换道过程中自车M与目标车道前车Ld不发生任何形式的碰撞需要满足下式：
Figure BDA0002496647630000156
式中
Figure BDA0002496647630000157
Sr(0)为初始时刻自车车头至目标车道前车车尾的纵向距离，
Figure BDA0002496647630000158
为初始时刻目标车道前车左上角到坐标原点的纵向位置，xM(0)为初始时刻自车左上角到坐标原点的纵向位置；
自车M换道过程中不与目标车道前车Ld发生任何形式碰撞的最小安全距离(Minimal Safe Distance)MSD(M,Ld)：
Figure BDA0002496647630000161
其中，aM(τ)、
Figure BDA0002496647630000162
分别为自车、目标车道前车的加速度，vM(0)、
Figure BDA0002496647630000163
分别为自车、目标车道前车的初速度，L为车长，tc表示换道自车完成纵向距离及纵向速度的调整后，向目标车道切入过程中发生碰撞的时间，一般取整个切入过程时间的一半，在1.5s至2.5s之间，tadj表示自车为了执行换道成功在开始执行换道操作之前所需的纵向距离和纵向速度调整的时间，该时间一般很小，可以忽略不计，tc+tadj为发生碰撞的时间，T为换道总时间；
(2)为了避免自车M与目标车道后车Fd发生任何形式的碰撞，保守起见，需满足下式：
Figure BDA0002496647630000164
用Sr(t)表示自车M与目标车道后车Fd换道过程中的纵向距离，得到：
Figure BDA0002496647630000165
为了达到换道过程中自车M与目标车道后车Fd不发生任何形式的碰撞需要满足下式：
Figure BDA0002496647630000166
式中
Figure BDA0002496647630000167
Sr(0)为初始时刻目标车道后车车头至自车车尾的纵向距离，
Figure BDA0002496647630000168
为初始时刻目标车道后车左上角到坐标原点的纵向位置，xM(0)为初始时刻自车左上角到坐标原点的纵向位置；
自车M换道过程中不与目标车道后车Fd发生任何形式碰撞的最小值MSD(M,Fd)：
Figure BDA0002496647630000171
其中，aM(τ)、
Figure BDA0002496647630000172
分别为自车、目标车道后车的加速度，vM(0)、
Figure BDA0002496647630000173
分别为自车、目标车道后车的初速度；
(3)为了避免自车M与原车道前车L0发生任何形式的碰撞，需满足下式：
Figure BDA0002496647630000174
定义本车与原车道前车L0在[0,tc+tadj]时段区间为避免碰撞所应保持的距离lL0＝L+W×sin(θ(tc+tadj))，用Sr(t)表示自车M与原车道前车L0换道过程中的纵向距离，得到：
Figure BDA0002496647630000175
为了达到换道过程中自车M与原车道前车L0不发生任何形式的碰撞需要满足下式：
Figure BDA0002496647630000176
式中
Figure BDA0002496647630000177
Sr(0)为初始时刻自车车头至原车道前车车尾的纵向距离，
Figure BDA0002496647630000178
为初始时刻原车道前车左上角到坐标原点的纵向位置，xM(0)为初始时刻自车左上角到坐标原点的纵向位置；
自车M换道过程中不与原车道前车L0发生任何形式碰撞的最小值MSD(M,L0)：
Figure BDA0002496647630000179
其中，aM(τ)、
Figure BDA00024966476300001710
分别为自车、原车道前车的加速度，vM(0)、
Figure BDA00024966476300001711
分别为自车、原车道前车的初速度；
当前道路为弯道时，图11是弯道换道情况下自车与邻车发生碰撞时的示意图。
(1)为了达到换道过程中自车M不与目标车道前车Ld发生任何形式的碰撞需满足：
Figure BDA0002496647630000181
式中Sr(t)表示自车M与目标车道前车Ld换道过程中的纵向距离，
Figure BDA0002496647630000182
其中R为外侧车道的曲率半径，H为车道宽度。
根据余弦定理，弯道换道初始时刻自车M与目标车道前车Ld的最小安全距离MSD(M,Ld)为：
Figure BDA0002496647630000183
其中，l2(0)为初始时刻目标车道前车Ld沿内车道到自车M的弧长距离，为保证换道过程自车与目标车道前车不发生任何形式的碰撞，
Figure BDA0002496647630000184
φ为l2(0)所对应的圆心角，
Figure BDA0002496647630000185
(2)为了达到换道过程中自车M与目标车道后车Fd不发生任何形式的碰撞，需要满足下式：
Figure BDA0002496647630000186
Sr(t)表示自车M与目标车道后车Fd换道过程中的纵向距离，根据余弦定理公式，弯道换道初始时刻自车M与目标车道后车Fd的最小安全距离MSD(M,Fd)为：
Figure BDA0002496647630000191
其中，R为外侧车道的曲率半径，H为车道宽度，l2(0)为初始时刻目标车道后车Fd沿内车道到自车M的弧长距离，为保证换道过程自车与目标车道后车不发生任何形式的碰撞，
Figure BDA0002496647630000192
φ为l2(0)所对应的圆心角；
(3)为了达到换道过程中自车M与原车道前车L0不发生任何形式的碰撞，需要满足下式：
Figure BDA0002496647630000193
Sr(t)表示自车M与原车道前车L0换道过程中的纵向距离，根据几何关系，弯道换道初始时刻自车M与原车道前车L0的最小安全距离MSD(M,L0)为：
Figure BDA0002496647630000194
其中l1(0)为初始时刻自车M与原车道前车L0沿外侧车道的距离，为保证换道过程自车与原车道前车不发生任何形式的碰撞，
Figure BDA0002496647630000195
步骤4所述的有无换道目标车道的车流量分别为：
(1)无换道行为时，目标车道的车流量为：
Figure BDA0002496647630000196
式中，vH为目标车道的平均车速，T为统计时段的总时长，t2为相邻两车的间隔时距，
Figure BDA0002496647630000201
(2)存在换道行为时，将整个统计时段划分为换道前半段、换道后半段和无换道时段，目标车道车流量为：
Figure BDA0002496647630000202
式中的第一部分为换道前半段时间内的车流量，第二部分为换道后半段时间内的车流量，第三部分为无换道时间段内的车流量，vL为自车当前的车速，a为自车的加速度，t1、t2分别为换道前半段和后半段的持续时长，
Figure BDA0002496647630000203
T1为完成换道所需的总时间,T1＝tacc+tlat，其中自车加速至目标车速所需时间
Figure BDA0002496647630000204
tlat为自车进行换道所需的时间。
步骤4所述的车流量最小波动为：
Jc＝β(δ-1)·(n-nc)
式中，β为车流量波动影响系数，为一个小于1的正数，在本实施例中取值为0.95，当希望减少换道频率时，可适当增加该值，δ为步骤2中产生换道意图但未执行换道操作的次数。当多次产生换道意图而未顺利执行换道行为时，换道动机更为强烈，车流量波动的影响效果逐渐降低。
图12表示了在直道换道条件下自车与邻车最小安全距离与换道时间的关系，在本实施例中，车长L＝5m。可以得出，对于自车与目标车道前车、自车与目标车道后车的最小安全距离，当加速度差值为正时，该值随着换道时间的增加而增加，且纵向加速度差值越大，最小安全距离增加得越显著。而当纵向加速度差为负值时，最小安全距离随着换道时间的增加而减小，且纵向加速度差值越大，最小安全距离减小得越显著，甚至在某一区域出现负值。而对于自车与原车道前车的最小安全距离来说，该值始终为正值，且随着换道时间的增加而增加，纵向加速度差值越大，最小安全距离增加得越显著，在一定程度上，正的纵向速度差值会导致更大的最小安全距离。
图13表示了在弯道和直道换道条件下自车与邻车最小安全距离差值与弯道半径的关系，在本实施例中，车道宽度H＝3.75m，换道总时间取为3s。可以得出，当弯道半径越小时，最小安全距离差值越显著，随着半径的逐渐增大，差值越来越小，说明当弯道半径较小时，不能简单地套用直道换道最小安全距离模型，否则将有可能出现直道能够换道成功而弯道换道失败的情况。
图14表示了有/无换道时车流量与换道车辆加速度的关系，其中T＝120s，τ＝1.5s，L＝5m，vH＝25m/s，vL＝19m/s。由图可知，随着换道加速度的增加，换道行为对车流量的影响逐渐降低，当加速度过大时，加速度的增加对车流量的影响不明显，因此为保证乘员的乘坐舒适性，不宜采用过大的加速度。
图15表示了有/无换道时车流量与换道车辆当前车速和期望车速差值的关系，其中vH＝28m/s,a＝3m/s2。在加速度保持一定的情况下，当前车速和期望车速差值越大，自车需要的加速时间越长，延长了换道的持续时间。由图可知，当前车速和期望车速差值越大时，换道对于目标车道车流量的影响越大，因此应减少此类换道行为。

Claims (10)

1.一种考虑智能车群流量的智能驾驶车辆主动换道系统，其特征在于，包括摄像头、雷达、轮速传感器、IMU组件、通信模块、GNSS模块、ECU模块、HMI模块及运动执行模块；所述的摄像头、雷达、轮速传感器、IMU组件、通信模块、GNSS模块、HMI模块及运动执行模块均安置于车体上，通过车上的CAN总线与ECU模块连接，实现相互之间的数据传递；所述的摄像头至少包括5个单目摄像头，分别设在自车车身前侧、后侧、左侧和右侧中部及车顶中部的位置；所述的雷达至少包括4个激光雷达和6个短距离毫米波雷达，分别位于车辆的左前、左后、右前、右后角的位置；所述的毫米波雷达分别位于车身左右两侧的前、中、后部；所述的IMU组件用来测量车辆的角速度、加速度、偏航角及海拔高度；所述的GNSS模块用来提供车辆当前的经纬度及海拔高度；ECU模块将求得的运动信息转化为控制信号，控制运动执行模块中的驱动执行模块、制动执行模块与转向执行模块执行对应操作。
2.根据权利要求1所述的一种考虑智能车群流量的智能驾驶车辆主动换道系统，其特征在于，所述的智能车群为一组具有相同或相近目的地的智能网联汽车；所述的智能网联汽车的通信模块使用LTE-V2X技术实现车与车、车与基础设施的信息交互，所述的车与车的信息交互使用LTE-V-direct技术；所述的车与基础设施的信息交互使用LTE-V-cell技术；所述的交互信息包括认证类信息、上传类信息与下发类信息。
3.根据权利要求1所述的一种考虑智能车群流量的智能驾驶车辆主动换道系统，其特征在于，所述的HMI模块包括用户需求输入模块与车辆信息反馈模块，所述的用户需求输入模块包括主动输入模块与智能感知模块，所述的主动输入模块为驾驶员通过触觉、语音、体感等方式将自己需求输入给车辆；所述的智能感知模块包括车辆通过嗅觉感知、生物感知等方式感知车内的空气状况、用户的心理、情绪变化等信息，智能感知用户的需求；所述的车辆信息反馈模块为车辆通过视觉、语音、触觉等方式将车辆当前及未来一段时间的运行状态告知用户。
4.根据权利要求1所述的一种考虑智能车群流量的智能驾驶车辆主动换道系统，其特征在于，所述的ECU模块包括自车基本信息模块、高精度电子地图模块、导航模块、存储器与运动决策模块，自车基本信息模块、高精度电子地图模块、导航模块与运动决策模块分别与存储器相连；自车基本信息模块与高精度电子地图模块分别与导航模块相连；导航模块与运动决策模块相连；所述的自车基本信息模块包括静态信息模块与动态信息模块；所述的高精度电子地图模块包括基本地图模块、区域地图模块与实时动态地图模块；所述的导航模块包括全局路线绘制模块与局部路线绘制模块；所述的运动决策模块包括运动分解模块与反馈调节模块。
5.根据权利要求1所述的一种考虑智能车群流量的智能驾驶车辆主动换道系统，其特征在于，所述的局部路线绘制模块包括行为决策模块与轨迹绘制模块，所述的行为决策模块包括运动增益判定模块、安全性判定模块与环境影响判定模块，根据当前道路的通行状况，判断换道行为的安全性及合理性，做出换道或车道保持的行为决策，所述的轨迹绘制模块根据行为决策模块做出的决策，绘制出一条满足行为要求的运动轨迹。
6.根据权利要求1所述的一种考虑智能车群流量的智能驾驶车辆主动换道系统，其特征在于，所述的运动分解模块根据轨迹绘制模块绘制的运动轨迹，分解为每一时刻车辆沿纵向与侧向的速度与加速度，并将其传递给运动执行模块，完成相应的运动操作，所述的反馈调节模块根据当前运动状态与预期运动状态的差值，完成下一时刻运动状态的调整。
7.一种考虑智能车群流量的智能驾驶车辆主动换道系统，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：获取自车及相邻车道车辆的运动信息，及自车与相邻车道车辆相对位置信息，运动信息包括自车及相邻车道车辆当前的车速及加速度信息，相对位置信息包括邻道车辆与自车在纵向和横向上的相对位置关系；
步骤2：根据步骤1获取的相应信息，判断换道行为能否为自车带来更好的运行效益，并确定目标车道：
将自车与相邻车道车辆的运动信息进行比较，若相邻车道车辆的平均车速及加速度显著高于自车，则产生换道意图，否则继续车道保持；
所述的确定目标车道的过程如下：
将相邻车道中具有更高的行驶速度、加速度及更大跟车距离的相邻车道暂定为目标车道，所述的跟车距离计算公式为：
drel＝vH·τ+L
式中τ为跟车时距，L为车长，vH为车道平均车速；
步骤3：若步骤2中产生换道意图且确定目标车道后，通过自车与路侧单元(Road SideUnit,RSU)的通信，确定当前道路的基本信息，完成纵向最小安全距离的计算，并以此作为换道行为的安全条件；所述的纵向最小安全距离包括自车与目标车道前车的纵向最小安全距离、自车与目标车道后车的纵向最小安全距离、自车与原车道前车的纵向最小安全距离；
若自车与目标车道前车、目标车道后车或原车道前车中任意目标的纵向距离小于对应的纵向最小安全距离，则车辆不能换道，保持当前车道，重复步骤1；
步骤4：若自车与目标车道前车、目标车道后车及原车道前车的纵向距离均满足步骤3中的最小安全距离条件，则完成有无换道行为目标车道车流量的计算，进一步判断是否满足车流量的最小波动，若换道引发的车流量波动小于设定的阈值条件值，则认为换道的决策条件得到满足，否则车辆保持当前车道，重复步骤1；
步骤5：若步骤4中计算的车流量波动满足相应的条件，则判断本次换道决策可行，绘制出合理的换道轨迹并控制车辆完成轨迹跟随，同时自车将换道意图以Eventtriggeredtraffic(事件触发型传输)的模式传递给智能车群中的其他车辆。
8.根据权利要求7所述的一种考虑智能车群流量的智能驾驶车辆主动换道系统，其特征在于：步骤3中根据当前道路情况计算相应的纵向最小安全距离如下：
当前道路为直道时，纵向最小安全距离包括：
(1)自车M与目标车道前车Ld的纵向最小安全距离为：
Figure FDA0002496647620000041
其中，aM(τ)、
Figure FDA0002496647620000042
分别为自车、目标车道前车的加速度，vM(0)、
Figure FDA0002496647620000043
分别为自车、目标车道前车的初速度，L为车长，tc表示换道自车完成纵向距离及纵向速度的调整后，向目标车道切入过程中发生碰撞的时间,tadj表示自车为了执行换道成功在开始执行换道操作之前所需的纵向距离和纵向速度调整的时间,tc+tadj为发生碰撞的时间，T为换道总时间；
(2)自车M与目标车道后车Fd的纵向最小安全距离为：
Figure FDA0002496647620000044
其中，aM(τ)、
Figure FDA0002496647620000045
分别为自车、目标车道后车的加速度，vM(0)、
Figure FDA0002496647620000046
分别为自车、目标车道后车的初速度；
(3)自车M与原车道前车L0的纵向最小安全距离为：
Figure FDA0002496647620000051
其中，aM(τ)、
Figure FDA0002496647620000052
分别为自车、原车道前车的加速度，vM(0)、
Figure FDA0002496647620000053
分别为自车、原车道前车的初速度；
当前道路为弯道时，纵向最小安全距离包括：
(1)自车M与目标车道前车Ld的纵向最小安全距离为：
Figure FDA0002496647620000054
其中，R为外侧车道的曲率半径，H为车道宽度，l2(0)为初始时刻目标车道前车Ld沿内车道到自车M的弧长距离，
Figure FDA0002496647620000055
为l2(0)所对应的圆心角；
(2)自车M与目标车道后车Fd的纵向最小安全距离为：
Figure FDA0002496647620000056
(3)自车M与原车道前车L0的纵向最小安全距离为：
Figure FDA0002496647620000057
其中l1(0)为初始时刻自车M与原车道前车L0沿外侧车道的距离。
9.根据权利要求7所述的一种考虑智能车群流量的智能驾驶车辆主动换道系统，其特征在于：步骤4中所述的有无换道行为目标车道车流量具体为：
(1)无换道行为时，目标车道的车流量为：
Figure FDA0002496647620000058
式中，vH为目标车道的平均车速，T为统计时段的总时长，t2为相邻两车的间隔时距，
Figure FDA0002496647620000061
(2)存在换道行为时，目标车道车流量为：
Figure FDA0002496647620000062
式中，vL为自车当前的车速，a为自车的加速度，t1、t2分别为换道前半段和后半段的持续时长，
Figure FDA0002496647620000063
T1为完成换道所需的总时间。
10.根据权利要求7所述的一种考虑智能车群流量的智能驾驶车辆主动换道系统，其特征在于：步骤4中所述的车流量波动具体为：
Jc＝β(δ-1)·(n-nc)
式中，β为车流量波动影响系数，为一个小于1的正数，δ为步骤2中产生换道意图但未执行换道操作的次数；当多次产生换道意图而未顺利执行换道行为时，换道动机更为强烈，车流量波动的影响效果逐渐降低。
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