CN111661055B

CN111661055B - 一种自动驾驶车辆的换道控制方法和系统

Info

Publication number: CN111661055B
Application number: CN202010552869.2A
Authority: CN
Inventors: 戴希; 徐巍; 戴一凡
Original assignee: Tsinghua University; Suzhou Automotive Research Institute of Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University; Suzhou Automotive Research Institute of Tsinghua University
Priority date: 2020-06-17
Filing date: 2020-06-17
Publication date: 2023-06-06
Anticipated expiration: 2040-06-17
Also published as: CN111661055A

Abstract

本发明公开了一种自动驾驶车辆的换道控制方法，包括：实时获取与本车纵向距离最小的障碍物与本车的相对距离、前车速度；若相对距离小于或等于设定速度阈值或者前车速度小于或等于设定距离阈值，换道触发因子进行累加，当换道触发因子等于设定换道触发阈值时，则判断产生换道动机，否则判断不产生换道动机；若不产生换道动机，则控制本车跟车行驶；若产生换道动机，则判断道路结构信息；计算换道切入点前障碍物和后障碍物与本车的相对距离；判断换道切入点前障碍物和后障碍物与本车的相对距离是否满足预设条件；如果是，则控制换道，否则，控制减速。考虑了换道准确率及驾驶员驾驶特性，引入了换道触发因子及安全换道因子，大大提高了可靠性。

Description

一种自动驾驶车辆的换道控制方法和系统

技术领域

本发明属于自动驾驶安全控制技术领域，具体地涉及一种自动驾驶车辆的换道控制方法及系统。

背景技术

近些年来，自动驾驶已经成为当前热门研究，各大高校、车企以及互联网企业均纷纷加入自动驾驶研究的行列中。其中，智能车辆的自主换道控制涉及到换道环境的感知，换道动机确定和换道控制策略的制定等，包含车辆的横向控制和纵向控制，是国内外智能车辆实现自动驾驶的重点也是难点之一。

现有对于自动驾驶换道方面的研究仅局限于换道预警或简化车辆换道自动控制。且现有算法只考虑了本车及周围车辆和障碍物的状态，并没有考虑道路几何结构对智能车辆换道的影响，这显然不符合驾驶员的一般换道习惯。

公告号为：CN 109017785 A的中国专利公开了一种车辆换道行驶方法，包括：车辆接收服务器发送的行驶路径和行驶速度，根据行驶路径和行驶速度行驶；获取行驶路径的路况信息；获取车辆的干扰目标信息和道路结构信息；判断行驶速度是否大于干扰目标的速度，并且相对距离是否小于第一距离阈值；如果是，则判断道路结构信息是否满足第一预设条件；如果是，则获取目标车道上的换道切入点位置、换道切入点的前方车辆的速度、换道切入点的后方车辆的速度以及换道切入点与前方车辆和后方车辆之间的距离；判断换道切入点与前方车辆、后方车辆之间的距离是否满足第二预设阈值；如果是，则生成横向换道路径和第一纵向速度控制指令；车辆根据横向换道路径和第一纵向速度控制指令进行换道行驶。该方法主要根据车辆在行驶过程中获取的路况信息进行判断，并没有考虑其他因素，例如驾驶员驾驶特性等等，大大影响了换道的准确率。

发明内容

针对上述技术方案存在的问题，本发明提出了一种自动驾驶车辆的换道控制方法及系统，考虑换道准确率及驾驶员驾驶特性，引入了换道触发因子及安全换道因子，全面考虑本车及周围车辆和障碍物和道路几何结构等对车辆换道的影响，解决现有换道算法误报率水平不能控制在较低水平的问题，极大降低由于换道决策失误所引起道路交通事故的概率。

本发明的技术方案是：

一种自动驾驶车辆的换道控制方法，包括以下步骤：

S01：实时获取与本车纵向距离最小的障碍物与本车的相对距离D_fh、及相对速度，得到前车速度V_front；

S02：若V_front小于或等于设定速度阈值或者D_fh小于或等于设定距离阈值，换道触发因子i进行累加，当换道触发因子i大于等于设定换道触发阈值时，则判断产生换道动机，并重置换道触发因子，否则判断不产生换道动机；

S03：若不产生换道动机，则控制本车跟车行驶；若产生换道动机，则判断道路结构信息是否满足第一预设条件；

S04：若是，则获取目标车道上的换道切入点位置，计算换道切入点前障碍物和后障碍物与本车的相对距离；

S05：判断所述换道切入点前障碍物和后障碍物与本车的相对距离是否满足第二预设条件；

S06：如果是，则控制换道，否则，控制减速。

优选的技术方案中，所述步骤S04中第二预设条件包括，若换道切入点后方无障碍物或者换道切入点后障碍物与本车的相对距离大于或等于可换道的最小安全距离，安全换道触发因子累加，判断安全换道因子大于等于设定安全换道阈值，换道后重置安全换道因子。

优选的技术方案中，所述步骤S03中第一预设条件为本车的左和/或右存在车道。

优选的技术方案中，所述步骤S04中计算换道切入点前障碍物和后障碍物与本车的相对距离，包括以下步骤：

S21：判断换道切入点的前方探测区域内是否有障碍物；

S22：若换道切入点前方有障碍物，实时获取与本车纵向距离最小的障碍物与本车的相对距离D_f、相对速度、相对加速度，并根据相对速度和本车速度V_h得到前障碍物速度V_f，根据相对加速度和本车加速度a_h得到前障碍物加速度a_f，计算可换道的最小安全距离MSS_f，计算公式如下：

MSS_f =(V_f – V_h)T + (a_f – a_h)T²/2；其中，T为换道时间；

S23：若换道切入点前方无障碍物或者前障碍物与本车的相对距离D_f大于或等于可换道的最小安全距离MSS_f，则进一步判断换道切入点的后方探测区域内是否有障碍物；

S24：若换道切入点后方有障碍物，实时获取与本车纵向距离最小的障碍物与本车的相对距离D_r、相对速度、相对加速度，并根据相对速度和本车速度V_h得到后障碍物速度V_r，根据相对加速度和本车加速度a_h得到后障碍物加速度a_r,计算可换道的最小安全距离MSS_r，计算公式如下：

MSS_f =(V_h – V_rl)T + (a_h – a_r)T²/2。

优选的技术方案中，所述换道时间T=T0+T1，其中，T0为纵向行驶安全时间为经验值，T1为横向换道时间，T1=S/( V_h*cosδ)，S为本车与车道线的距离，δ为本车与车道线的纵向夹角。

本发明还公开了一种自动驾驶车辆的换道控制系统，包括：

换道环境感知单元：实时获取与本车纵向距离最小的障碍物与本车的相对距离D_fh、及相对速度，得到前车速度V_front；

换道动机确定单元：若V_front小于或等于设定速度阈值或者D_fh小于或等于设定距离阈值，换道触发因子i进行累加，当换道触发因子i大于等于设定换道触发阈值时，则判断产生换道动机，并重置换道触发因子，否则判断不产生换道动机；

换道控制策略制定单元：若不产生换道动机，则控制本车跟车行驶；若产生换道动机，则判断道路结构信息是否满足第一预设条件；

a）若是，则获取目标车道上的换道切入点位置，计算换道切入点前障碍物和后障碍物与本车的相对距离；

b）判断所述换道切入点前障碍物和后障碍物与本车的相对距离是否满足第二预设条件；

c）如果是，则控制换道，否则，控制减速。

优选的技术方案中，所述换道控制策略制定单元中第二预设条件包括，若换道切入点后方无障碍物或者换道切入点后障碍物与本车的相对距离大于或等于可换道的最小安全距离，安全换道触发因子累加，判断安全换道因子大于等于设定安全换道阈值，换道后重置安全换道因子。

优选的技术方案中，所述换道控制策略制定单元中第一预设条件为本车的左和/或右存在车道。

优选的技术方案中，所述换道控制策略制定单元中计算换道切入点前障碍物和后障碍物与本车的相对距离，包括以下步骤：

S21：判断换道切入点的前方探测区域内是否有障碍物；

MSS_f =(V_f – V_h)T + (a_f – a_h)T²/2；其中，T为换道时间；

MSS_f =(V_h – V_rl)T + (a_h – a_r)T²/2。

与现有技术相比，本发明的优点是：

本发明换道时机确定以及换道控制策略制定考虑了换道准确率及驾驶员驾驶特性，引入了换道触发因子及安全换道因子，大大提高了可靠性。全面考虑本车及周围车辆和障碍物和道路几何结构等对车辆换道的影响，解决现有换道算法误报率水平不能控制在较低水平的问题，极大降低由于换道决策失误所引起道路交通事故的概率。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明自动驾驶车辆的换道控制系统的原理框图；

图2为本发明是否产生换道动机判断逻辑流程图；

图3为本发明控制策略流程图；

图4为本发明是否可换道的判断逻辑流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例：

下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步说明。

如图1所示，一种自动驾驶车辆的换道控制系统，在车辆现有控制系统里增加车辆换道控制系统，换道控制系统包括换道环境感知单元1、换道动机确定单元2、换道控制策略制定单元3。

换道环境感知单元1利用车身CAN获取本车信息，利用感知传感器获取本车周围障碍物状态信息和道路信息，换道环境感知单元1对获取的信息进行处理后，再通过车身CAN将信息传给换道动机确定单元2和换道控制策略制定单元3；

换道环境感知单元1利用车身CAN所获取的本车信息包括本车速度、加速度以及车身姿态。

换道环境感知单元1的感知传感器包括激光雷达、前向毫米波雷达、角雷达、差分GPS、高精度地图以及前置摄像头。

激光雷达用于判断本车前向（包括正前方和侧前方）的给定探测区域内是否有障碍物，并获取与本车纵向距离最小的障碍物与本车的相对距离；

前向毫米波雷达用于判断本车当前车道前向的给定区域内是否有障碍物，并获取与本车纵向距离最小的障碍物与本车的相对距离、相对速度；

特别地，为增加前方障碍物识别的准确度，需融合多传感器信息。其中，车辆在低速行驶时，多依据激光雷达判断本车当前车道前向给定区域内是否有障碍物并获取对应的相对距离；车辆在高速行驶时，多依据前向毫米波雷达判断本车当前车道前向给定区域内是否有障碍物并获取对应的相对距离；

角雷达用于判断本车邻车道的给定区域内是否有障碍物，对于自动驾驶车辆至少需要四个角雷达来获取本车周围（包括左前、右前、左后、右后）障碍物参数，所述的障碍物参数包括与本车纵向距离最小的障碍物与本车的相对距离、相对速度、相对加速度；

差分GPS与高精度地图结合用于获取本车当前所处的道路信息（包括道路的宽度，道路的个数，当前处于哪个车道及道路的几何结构）；

前置摄像头用于获取本车在车体坐标系下x轴方向上与车道线的距离和与y轴的夹角。其中相对距离为车体坐标系下的参数，需考虑车身姿态影响将其从车体坐标系转换到大地坐标系中。

换道动机确定单元2从换道环境感知单元1接收本车和当前车道前向障碍物信息，且考虑换道准确率及驾驶员驾驶特性，引入了换道触发因子，并根据本车和前向障碍物之间的相对运动关系和位置关系来判断是否产生换道动机。

如图2所示，是否产生换道动机的判断步骤如下：

a、利用步骤2)的激光雷达和前向毫米波雷达确定本车当前车道前方给定探测区域内是否有障碍物；

b、若前方有障碍物，实时获取与本车纵向距离最小的障碍物与本车的相对距离D_fh、相对速度，并根据相对速度和本车速度得到前车速度V_front；

c、换道触发因子i初始值0，若V_front小于或等于设定速度阈值或者D_fh小于或等于设定距离阈值，换道触发因子i均累计加1，当换道触发因子i大于等于设定换道触发阈值时，则产生换道动机，并且换道触发因子重新置0，否则将不产生换道动机。

其中，速度阈值定一般为期望速度的0.7倍，距离阈值定为本车速度（单位米/秒）乘以3秒，换道触发阈值需综合考虑实时性及准确率来确定，较佳地可以取10。

如图3所示，换道控制策略制定单元3换道动机确定单元2的判断结果进行下一步是否能换道判断，且考虑换道准确率及驾驶员驾驶特性，引入了安全换道因子，并根据判断对本车进行如下操作：若换道动机确定单元2判断结果为不产生换道动机，则本车将按原状态继续跟车行驶；若换道动机确定单元2判断结果为产生换道动机，则对其进行是否能换道判断：若安全换道因子等于安全换道阈值，则控制策略结果为进行换道避撞；若安全换道因子小于安全换道阈值，则控制策略结果为进行减速避撞。

是否可换道的判断逻辑流程，如图4所示，其中是否可以换道的判断步骤如下：

1）利用换道环境感知单元1的摄像头获取道路结构信息，包括道路共有几车道及当前所处车道数，共分为四种情况：

1、当前车道左右方均有车道、2、当前车道仅左方有车道、3、当前车道仅右方有车道、4、当前车道为单车道；

2）根据车道结构信息进行进一步判断，若存在左和/或右车道，则利用换道环境感知单元1的角雷达分别判断换道切入点位置的前方给定探测区域内是否有障碍物；换道切入点位置为左车道和/或右车道。

3）若左（右）车道前方有障碍物，实时获取与本车纵向距离最小的障碍物与本车的相对距离D_fl,h（D_fr,h）、相对速度、相对加速度，并根据相对速度和本车速度V_h得到左（右）前障碍物速度V_fl（V_fr），根据相对加速度和本车加速度a_h得到左（右）前障碍物加速度a_fl（a_fr）,并根据获取的参数来计算能向左（右）前障碍物与本车应保持可换道的最小安全距离MSS_fl,h（MSS_fr,h），计算公式如下：

MSS_fl,h=(V_fl –V_h)T + (a_fl – a_h)T²/2；

MSS_fr,h=(V_fr – V_h)T + (a_fr – a_h)T²/2；

4）若左（右）车道前方无障碍物或者左（右）前障碍物与本车的相对距离D_fl,h（D_fr,h）大于或等于可换道的最小安全距离MSS_fl,h（MSS_fr,h），则进一步利用角雷达分别判断左车道和右车道的后方给定探测区域内是否有障碍物；

5）若左（右）车道后方有障碍物，实时获取与本车纵向距离最小的障碍物与本车的相对距离D_rl,h（D_rr,h）、相对速度、相对加速度，并根据相对速度和本车速度V_h得到左（右）前障碍物速度V_rl（V_rr），根据相对加速度和本车加速度a_h得到左（右）前障碍物加速度a_rl（a_rr），并根据获取的参数来计算能向左（右）前障碍物与本车应保持可换道的最小安全距离MSS_rl,h（MSS_rr,h），计算公式如下：

MSS_fl,h=(V_h – V_rl)T + (a_h – a_rl)T²/2

MSS_fr,h=(V_h – V_rr)T + (a_h – a_rr)T²/2

6）向左（右）安全换道因子初始值为0，若左（右）车道后方无障碍物或者左（右）后障碍物与本车的相对距离D_rl,h（D_rr,h）大于或等于可换道的最小安全距离MSS_rl,h（MSS_rr,h），向左（右）安全换道触发因子p（q）均累计加1，当安全换道因子p（q）等于规定安全换道阈值时，则向左（右）换道，换道后安全换道因子重置为0，否则不换道进行减速避障。

其中，安全换道阈值需综合考虑实时性及准确率来确定，一般安全换道阈值定为10，给定的探测区域为依据差分GPS与高精度地图结合获取本车当前所处的道路信息，其形状由当前道路几何结构决定，例如车道数定为3，当前车道处于中间车道，宽度由道路宽度决定，纵长度定为15米。

其中最小安全距离公式中的换道时间T由纵向行驶安全时间T0和横向换道时间T1组成，纵向行驶安全时间T0为经验值，本发明定为3秒，横向换道时间T1通过前置摄像头获取的与车道线的距离S和纵向夹角δ得到，计算公式如下：

T1=S/( V_h*cosδ)。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims

1.一种自动驾驶车辆的换道控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S05：若所述换道切入点无前障碍物或者前障碍物与本车的相对距离大于或等于可换道的最小安全距离，则对所述换道切入点后方障碍区进行判断；

若换道切入点后方无障碍物或者换道切入点后障碍物与本车的相对距离大于或等于可换道的最小安全距离，安全换道触发因子累加，判断安全换道因子大于等于设定安全换道阈值，换道后重置安全换道因子；

S06：如果是，则控制换道，否则，控制减速；

所述步骤S04中计算换道切入点前障碍物和后障碍物与本车的相对距离，包括以下步骤：

S21：判断换道切入点的前方探测区域内是否有障碍物；

MSS_f＝(V_f–V_h)T+(a_f–a_h)T²/2；其中，T为换道时间；

MSS_f＝(V_h–V_rl)T+(a_h–a_r)T²/2。

2.根据权利要求1所述的自动驾驶车辆的换道控制方法，其特征在于，所述步骤S03中第一预设条件为本车的左和/或右存在车道。

3.根据权利要求1所述的自动驾驶车辆的换道控制方法，其特征在于，所述换道时间T＝T0+T1，其中，T0为纵向行驶安全时间为经验值，T1为横向换道时间，T1＝S/(V_h*cosδ)，S为本车与车道线的距离，δ为本车与车道线的纵向夹角。

4.一种自动驾驶车辆的换道控制系统，其特征在于，包括：

a)若是，则获取目标车道上的换道切入点位置，计算换道切入点前障碍物和后障碍物与本车的相对距离；

b)若所述换道切入点无前障碍物或者前障碍物与本车的相对距离大于或等于可换道的最小安全距离，则对所述换道切入点后方障碍区进行判断；

c)如果是，则控制换道，否则，控制减速；

所述换道控制策略制定单元中计算换道切入点前障碍物和后障碍物与本车的相对距离，包括以下步骤：

S21：判断换道切入点的前方探测区域内是否有障碍物；

MSS_f＝(V_f–V_h)T+(a_f–a_h)T²/2；其中，T为换道时间；

MSS_f＝(V_h–V_rl)T+(a_h–a_r)T²/2。

5.根据权利要求4所述的自动驾驶车辆的换道控制系统，其特征在于，所述换道控制策略制定单元中第一预设条件为本车的左和/或右存在车道。

6.根据权利要求4所述的自动驾驶车辆的换道控制系统，其特征在于，所述换道时间T＝T0+T1，其中，T0为纵向行驶安全时间为经验值，T1为横向换道时间，T1＝S/(V_h*cosδ)，S为本车与车道线的距离，δ为本车与车道线的纵向夹角。