CN113034972A - 一种基于可行驶区域的高速公路自动变道方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于可行驶区域的高速公路自动变道方法，ADAS采集距离信息、方位信息和仰角相对固定误差信息，将ADAS采集的数据进行坐标系上的空间配准，将空间配准后的数据进行融合并进行航位推算，按照航位推算进行变道控制。本发明不使用昂贵的高精度地图和高精度定位系统，仅仅依靠ADAS系统基本必备的感知系统提供的信息，建立起了一套自动变道的策略，并同样完成车辆自动变道并最终进入下匝道驶离高速的功能。

Description

一种基于可行驶区域的高速公路自动变道方法
技术领域
本发明涉及一种自动变道方法，特别是一种基于可行驶区域的高速公路自动变道方法，属于自动驾驶领域。
背景技术
高级驾驶辅助系统ADAS，是利用安装于车上的各式的传感器，或者感知系统，在第一时间收集车内外的环境数据，并进行静、动态物体的辨识、侦测与追踪等技术上的处理，从而能够让车辆在最快的时间察觉可能发生的危险，并对驾驶员加以提醒甚至介入车辆控制，避免危险的一种主动安全技术。同时随着客户需求和技术的发展，高级驾驶辅助系统也衍生出更多舒适及便利性功能，例如交通拥堵辅助(TJA)，或者高速公路巡航辅助(HWA)来为驾驶员提供一定程度的自动驾驶，减少驾驶员的频繁的机械性操作，提升驾驶舒适度。
在高速公路巡航辅助(HWA)功能中，车辆需要根据导航路线，自动完成在高速公路上的自动驾驶行为，例如加减速控制，侧向的自动变道，以及最终驶出匝道。目前，为了能够使车辆在开启高速公路巡航辅助功能之后，可以自动由当前车道变换到最右侧或者最左侧车道并且沿着匝道驶出高速，就需要结合感知或者定位系统为车辆提供足够的定位精度。例如，依靠前向的视觉来判断车辆当前在车道内的位置，利用高精度定位和高精度地图来判断车辆在当前高速公路所有车道中所处的位置。特别当车辆需要通过下匝道驶离高速公路的时候，行业的普遍做法是实用高精度定位和高精度地图来确定车辆当前的精确位置，并依靠该定位系统提供的信息来指导车辆慢慢变道并最终行驶到下匝道上。但是，高精度定位和高精度地图系统价格昂贵，每车的成本在2000到4000人民币，对于汽车企业来说，是巨大的成本投入，并且还需要持续地每年付授权费用来使用地图服务。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于可行驶区域的高速公路自动变道方法，不使用高精度地图和高精度定位系统，降低成本。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于可行驶区域的高速公路自动变道方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤一：ADAS采集距离信息、方位信息和仰角相对固定误差信息；
步骤二：将ADAS采集的数据进行坐标系上的空间配准；
步骤三：将空间配准后的数据进行融合并进行航位推算；
步骤四：按照航位推算进行变道控制。
进一步地，所述步骤二具体为
将ADAS采集的数据进行坐标系上的空间配准：
r'＝r+Dr
q'＝q+Dq
j'＝j+Dj
Dr＝Drb+r×Drg+vr(t)
Dq＝Dqb+vq(t)
Dj＝Djb+vj(t)
其中，r、q、j是配准前的空间坐标，r′、q′、j′是配准后的空间坐标，Dr为距离误差增益，Dq为车辆方位误差增益，Dj为ADAS采集的仰角相对固定误差信息，Drb为ADAS采集的车辆距离信息，Drg为车辆距离修正比例，Dqb为ADAS采集的车辆方位信息，Djb为采集的仰角信息，vr(t)为距离随机误差，vq(t)为方位随机误差，vj(t)为仰角随机误差。
进一步地，所述步骤三具体为
首先选取全局坐标系下车辆后轴中点坐标(XRM，YRM)，航向角θ，航向角变化率ω，车速v为状态量；定义k时刻的系统状态向量为：
Xk＝[XRM，YRM，θ，ω，v]T
单位时间为T0，用K-1时刻的状态最优值Xk-1推算k时刻状态估计值Xk,k-1：
Figure BDA0002959761760000031
之后，对于非线性函数求偏导：
Figure BDA0002959761760000032
选取左右前轮单位时间行驶距离lFL，lFR，车辆航向角变化率ωsw，后轴中点车速vR为观测量：
Zk＝[lFL,lFR,ωsw,vR]
其中，e为车辆后轴的半轴长，则观测方程的非线性函数为：
h(·)＝[T0(v-e·ω),T0((v+e·ω),ω,v]
对非线性函数h(·)求偏导：
Figure BDA0002959761760000041
同时，k时刻系统误差协方差矩阵估计值为：
Figure BDA0002959761760000042
卡尔曼增益矩阵为：
Kk＝Pk,k-1Hk T[HkPk,k-1Hk T+Pk]T
则k时刻状态向量的最优值为：
Figure BDA0002959761760000043
更新后的系统误差的协方差矩阵为：
Pk＝[I-KkHk]Pk,k-1
最终得出航位推算的协方差矩阵，得道航道推算的结果。
进一步地，所述步骤四具体为
4.1通过转向灯开关的总线信号激活自动变道功能；
4.2数据融合模块通过CAN总线收取来自ADAS提供的车道、路面及周边交通参与物的信息，通过坐标系的数据融合并进行卡尔曼滤波后得出当前车道信息、左右相邻车道信息以及周围交通参与屋体距离及速度信息；
4.3决策控制模块根据数据融合模块给出的车道、路面、参与物信息，计算出和前后以及相邻车道车辆或者交通参与屋体的最小碰撞时间TTC，最小碰撞时间小于2秒的，车辆发出报警并不执行横向加速度计算，最小碰撞事件大于2秒的，车辆启动局部路径规划模块进行横向加速度计算并进行横向变道控制；
4.4根据车辆感知系统数据融合之后提供的可行驶区域信息，结合车道分割信息，获取从当前车道开始一直自动变道到最侧面的下匝道相邻车道的参数；
4.5车辆根据可行驶区域信息，根据当前获得的信息输入，得到驶出匝道口的时间函数，车辆根据该函数进行车速及转向角的闭环控制，驶出下匝道。
进一步地，所述4.3中最小碰撞时间TTC的计算方法为
Figure BDA0002959761760000051
其中，ΔD是相对距离，Δν是相对速度。
进一步地，所述4.4中从当前车道开始一直自动变道到最侧面的下匝道相邻车道的参数包含横跨的车道数Ln，当前车道宽度W，距离下匝道口的距离De，当前时刻的车速υT0,当前时刻车速的横向分量和纵向分量υT0 lat,υT0 lgd。
进一步地，所述4.5中驶出匝道口的时间函数为
Figure BDA0002959761760000052
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明的基于可行驶区域的高速公路自动变道方法不使用昂贵的高精度地图和高精度定位系统，仅仅依靠ADAS系统基本必备的感知系统提供的信息，建立起了一套自动变道的策略，并同样完成车辆自动变道并最终进入下匝道驶离高速的功能；单车可节省约2000-4000人民币的零件成本，以及后续每年的授权费用投入，以及每个车型超过500万的开发费用，为车厂客户及终端消费者创造更多价值。
附图说明
图1是本发明的基于可行驶区域的高速公路自动变道方法的信息采集示意图。
图2是本发明的实施例的计算最小碰撞时间的示意图。
图3是本发明的实施例的从当前车道开始一直自动变道到最侧面的下匝道相邻车道的参数信息示意图。
图4是本发明的实施例的驶出下匝道闭环控制示意图。
具体实施方式
为了详细阐述本发明为达到预定技术目的而所采取的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例，并且，在不付出创造性劳动的前提下，本发明的实施例中的技术手段或技术特征可以替换，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明的一种基于可行驶区域的高速公路自动变道方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤一：ADAS采集距离信息、方位信息和仰角相对固定误差信息。
步骤二：将ADAS采集的数据进行坐标系上的空间配准。
将ADAS采集的数据进行坐标系上的空间配准：
r'＝r+Dr
q'＝q+Dq
j'＝j+Dj
Dr＝Drb+r×Drg+vr(t)
Dq＝Dqb+vq(t)
Dj＝Djb+vj(t)
其中，r、q、j是配准前的空间坐标，r′、q′、j′是配准后的空间坐标，Dr为距离误差增益，Dq为车辆方位误差增益，Dj为ADAS采集的仰角相对固定误差信息，Drb为ADAS采集的车辆距离信息，Drg为车辆距离修正比例，Dqb为ADAS采集的车辆方位信息，Djb为采集的仰角信息，vr(t)为距离随机误差，vq(t)为方位随机误差，vj(t)为仰角随机误差。
步骤三：将空间配准后的数据进行融合并进行航位推算。
首先选取全局坐标系下车辆后轴中点坐标(XRM，YRM)，航向角θ，航向角变化率ω，车速ν为状态量；定义k时刻的系统状态向量为：
Xk＝[XRM，YRM，θ，ω，ν]T
单位时间为T0，用K-1时刻的状态最优值Xk-1推算k时刻状态估计值Xk,k-1：
Figure BDA0002959761760000071
之后，对于非线性函数求偏导：
Figure BDA0002959761760000081
选取左右前轮单位时间行驶距离lFL，lFR，车辆航向角变化率ωsw，后轴中点车速νR为观测量：
Zk＝[lFL,lFR,ωsw,νR]
其中，e为车辆后轴的半轴长，则观测方程的非线性函数为：
h(·)＝[T0(ν-e·ω),T0((ν+eω),ω,ν]
对非线性函数h(·)求偏导：
Figure BDA0002959761760000082
同时，k时刻系统误差协方差矩阵估计值为：
Figure BDA0002959761760000083
卡尔曼增益矩阵为：
Kk＝Pk,k-1Hk T[HkPk,k-1Hk T+Pk]T
则k时刻状态向量的最优值为：
Figure BDA0002959761760000084
更新后的系统误差的协方差矩阵为：
Pk＝[I-KkHk]Pk,k-1
最终得出航位推算的协方差矩阵，得道航道推算的结果。
步骤四：按照航位推算进行变道控制。
4.1通过转向灯开关的总线信号激活自动变道功能；
4.2数据融合模块通过CAN总线收取来自ADAS提供的车道、路面及周边交通参与物的信息，通过坐标系的数据融合并进行卡尔曼滤波后得出当前车道信息、左右相邻车道信息以及周围交通参与屋体距离及速度信息；
4.3决策控制模块根据数据融合模块给出的车道、路面、参与物信息，计算出和前后以及相邻车道车辆或者交通参与屋体的最小碰撞时间TTC，最小碰撞时间小于2秒的，车辆发出报警并不执行横向加速度计算，最小碰撞事件大于2秒的，车辆启动局部路径规划模块进行横向加速度计算并进行横向变道控制；
最小碰撞时间TTC的计算方法为
Figure BDA0002959761760000091
其中，ΔD是相对距离，Δν是相对速度。
4.4根据车辆感知系统数据融合之后提供的可行驶区域信息，结合车道分割信息，获取从当前车道开始一直自动变道到最侧面的下匝道相邻车道的参数；
从当前车道开始一直自动变道到最侧面的下匝道相邻车道的参数包含横跨的车道数Ln，当前车道宽度W，距离下匝道口的距离De，当前时刻的车速υT0,当前时刻车速的横向分量和纵向分量υT0 lat,υ T0 lgd。
4.5车辆根据可行驶区域信息，根据当前获得的信息输入，得到驶出匝道口的时间函数，车辆根据该函数进行车速及转向角的闭环控制，驶出下匝道。
驶出匝道口的时间函数为
Figure BDA0002959761760000092
本发明的基于可行驶区域的高速公路自动变道方法不使用昂贵的高精度地图和高精度定位系统，仅仅依靠ADAS系统基本必备的感知系统提供的信息，建立起了一套自动变道的策略，并同样完成车辆自动变道并最终进入下匝道驶离高速的功能；单车可节省约2000-4000人民币的零件成本，以及后续每年的授权费用投入，以及每个车型超过500万的开发费用，为车厂客户及终端消费者创造更多价值。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于可行驶区域的高速公路自动变道方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤一：ADAS采集距离信息、方位信息和仰角相对固定误差信息；
步骤二：将ADAS采集的数据进行坐标系上的空间配准；
步骤三：将空间配准后的数据进行融合并进行航位推算；
步骤四：按照航位推算进行变道控制。
2.按照权利要求1所述的一种基于可行驶区域的高速公路自动变道方法，其特征在于：所述步骤二具体为
将ADAS采集的数据进行坐标系上的空间配准：
r'＝r+Dr
q'＝q+Dq
j'＝j+Dj
Dr＝Drb+r×Drg+vr(t)
Dq＝Dqb+vq(t)
Dj＝Djb+vj(t)
其中，r、q、j是配准前的空间坐标，r′、q′、j′是配准后的空间坐标，Dr为距离误差增益，Dq为车辆方位误差增益，Dj为ADAS采集的仰角相对固定误差信息，Drb为ADAS采集的车辆距离信息，Drg为车辆距离修正比例，Dqb为ADAS采集的车辆方位信息，Djb为采集的仰角信息，vr(t)为距离随机误差，vq(t)为方位随机误差，vj(t)为仰角随机误差。
3.按照权利要求1所述的一种基于可行驶区域的高速公路自动变道方法，其特征在于：所述步骤三具体为
首先选取全局坐标系下车辆后轴中点坐标(XRM，YRM)，航向角θ，航向角变化率ω，车速v为状态量；定义k时刻的系统状态向量为：
Xk＝[XRM，YRM，θ，ω，v]T
单位时间为T0，用K-1时刻的状态最优值Xk-1推算k时刻状态估计值Xk,k-1：
Figure FDA0002959761750000021
之后，对于非线性函数求偏导：
Figure FDA0002959761750000022
选取左右前轮单位时间行驶距离lFL，lFR，车辆航向角变化率ωsw，后轴中点车速vR为观测量：
Zk＝[lFL,lFR,ωsw,vR]
其中，e为车辆后轴的半轴长，则观测方程的非线性函数为：
h(·)＝[T0(v-e·ω),T0((v+e·ω),ω,v]
对非线性函数h(·)求偏导：
Figure FDA0002959761750000023
同时，k时刻系统误差协方差矩阵估计值为：
Figure FDA0002959761750000024
卡尔曼增益矩阵为：
Kk＝Pk,k-1Hk T[HkPk,k-1Hk T+Pk]T
则k时刻状态向量的最优值为：
Figure FDA0002959761750000031
更新后的系统误差的协方差矩阵为：
Pk＝[I-KkHk]Pk,k-1
最终得出航位推算的协方差矩阵，得道航道推算的结果。
4.按照权利要求1所述的一种基于可行驶区域的高速公路自动变道方法，其特征在于：所述步骤四具体为
4.1通过转向灯开关的总线信号激活自动变道功能；
4.2数据融合模块通过CAN总线收取来自ADAS提供的车道、路面及周边交通参与物的信息，通过坐标系的数据融合并进行卡尔曼滤波后得出当前车道信息、左右相邻车道信息以及周围交通参与屋体距离及速度信息；
4.3决策控制模块根据数据融合模块给出的车道、路面、参与物信息，计算出和前后以及相邻车道车辆或者交通参与屋体的最小碰撞时间TTC，最小碰撞时间小于2秒的，车辆发出报警并不执行横向加速度计算，最小碰撞事件大于2秒的，车辆启动局部路径规划模块进行横向加速度计算并进行横向变道控制；
4.4根据车辆感知系统数据融合之后提供的可行驶区域信息，结合车道分割信息，获取从当前车道开始一直自动变道到最侧面的下匝道相邻车道的参数；
4.5车辆根据可行驶区域信息，根据当前获得的信息输入，得到驶出匝道口的时间函数，车辆根据该函数进行车速及转向角的闭环控制，驶出下匝道。
5.按照权利要求4所述的一种基于可行驶区域的高速公路自动变道方法，其特征在于：所述4.3中最小碰撞时间TTC的计算方法为
Figure FDA0002959761750000041
其中，ΔD是相对距离，Δv是相对速度。
6.按照权利要求4所述的一种基于可行驶区域的高速公路自动变道方法，其特征在于：所述4.4中从当前车道开始一直自动变道到最侧面的下匝道相邻车道的参数包含横跨的车道数Ln，当前车道宽度W，距离下匝道口的距离De，当前时刻的车速υT0,当前时刻车速的横向分量和纵向分量υT0 lat,υT0 lgd。
7.按照权利要求4所述的一种基于可行驶区域的高速公路自动变道方法，其特征在于：所述4.5中驶出匝道口的时间函数为
Figure FDA0002959761750000042
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113353080A (zh) * 2021-06-01 2021-09-07 上海网车科技有限公司 一种基于可行驶区域的高速公路自动变道方法
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