CN113495563B - 用于自动驾驶虚拟测试的交通车换道决策规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于自动驾驶虚拟测试的交通车换道决策规划方法，具体过程包括：确定强制换道目标车道；判断自由换道动机；确定自由换道潜在目标车道；预判换道动机协调性；判定当前是否处于强制换道目标车道；判定强制换道紧迫性；判定换道时机；规划换道轨迹。本发明所述交通车换道决策规划方法能够让交通车根据当前的交通环境和预先设定的驾驶偏好，规划出一条连续的换道轨迹，以提高自动驾驶虚拟测试中交通车的随机性和逼真度，使仿真车辆间形成动态有效的互动。

Description

用于自动驾驶虚拟测试的交通车换道决策规划方法

技术领域

本发明属于自动驾驶车辆换道控制技术领域，具体涉及用于自动驾驶虚拟测试的交通车换道决策规划方法。

背景技术

当前汽车行业普遍的共识是，虚拟仿真是自动驾驶测试的重要手段。作为替代真实驾驶人的虚拟测试交通车辆，其任务重点在于体现出多样的驾驶风格，能够与其他交通参与者，尤其是与被测车辆进行有效的交互。然而，目前用于自动驾驶虚拟测试中的交通车运动不够真实，与现实中交通车辆的行为相差较大，难以用于自动驾驶汽车的虚拟开发和验证。

现有技术中，自动驾驶仿真测试的交通车模型大致分为两种，一种是预设轨迹跟随模型，另一种是微观交通流模型。其中：

以预设轨迹跟随方式运行的交通车主要出现在自动驾驶开发测试工具中，如VTD，CARLA等。预设轨迹跟随方式是指：交通车按照仿真前预先设定的轨迹或仿真过程中随机生成的轨迹移动，与他车的互动仅限于保持一定的安全距离防止发生碰撞。这种预设轨迹跟随方式中，运动轨迹需要人工设计，而现有技术中，能够提供的测试场景不够丰富，且交通车辆与被测试主体难以形成完全闭环的交互。

以微观交通流方式运行的交通车主要用于宏观交通的管控、交通拥堵分析及疏导等研究的微观交通仿真工具，如SUMO，微观交通流方式最近正逐渐应用于自动驾驶仿真中，为自动驾驶测试提供随机的动态环境。但是，尽管微观交通流模型相比预设轨迹跟随模型，建立了相对复杂的跟驰模型和换道模型，但仍然难以复现现实中发生的换道过程，其主要体现在：

1.当前的微观交通流模型将换道动机分成了战略换道、战术换道和合作换道。而这些动机大多是从客观条件上考虑的，即“能不能”换道，而驾驶员主观上做出“要不要”换道的判断在这一类模型中并未有明显的体现。

2.交通车运动是基于车道的一维行为仿真，没有建立或建全侧向运动的模型，不能模拟出真实车辆的运动轨迹。SUMO中常用的模型，其换道过程是瞬间完成的。而相对精细的sublane model本质上是侧向的元胞自动机，虽然看似存在侧向的运动，但纵侧向运动完全脱离，未能考虑实际车辆整体的运动能力。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明公开了用于自动驾驶虚拟测试的交通车换道决策规划方法，本发明所述方法能够让交通车根据当前的交通环境和预先设定的驾驶偏好，规划出一条连续的换道轨迹，以提高自动驾驶虚拟测试中交通车的随机性和逼真度，使仿真车辆间形成动态有效的互动。

结合说明书附图，本发明的技术方案如下：

用于自动驾驶虚拟测试的交通车换道决策规划方法，所述交通车换道决策规划方法具体过程如下：

步骤S1：确定强制换道目标车道；

步骤S2：判断自由换道动机，若需要自由换道，则进入步骤S3，若不需要自由换道，则进入步骤S5；

步骤S3：确定自由换道潜在目标车道，若自由换道潜在目标车道不存在，则返回步骤S2，若自由换道潜在目标车道存在，则进入步骤S4；

步骤S4：预判换道动机协调性，若换道动机协调，则进入步骤S7，若换道动机不协调，则进入步骤S5；

步骤S5：判定当前是否处于强制换道目标车道，若当前不处于强制换道目标车道，则进入步骤S6，若当前处于强制换道目标车道，则返回步骤S2；

步骤S6：判定强制换道紧迫性，若需要紧急强制换道，则进入步骤S7，若不需要紧急强制换道，则返回步骤S2；

步骤S7：判定换道时机，若当前能执行换道，则进入步骤S8，若当前不能执行换道，则等待换道时机，直至能执行换道；

步骤S8：规划换道轨迹。

所述步骤S1中，确定强制换道目标车道的公式具体如下：

上述确定强制换道目标车道的公式中：

MRP^j为车道l^j是否符合宏观的路径规划的判断结果，如果MRP^j为1，车道l^j能驶向下一个路段；如果MRP^j为0，车道l^j不能驶向下一路段；

一个路段内包含多个符合路径规划的目标车道

L_m是当前交通车Veh^o所在路段内所有强制换道目标车道l_m的集合。

所述步骤S2中，判断自由换道动机的公式具体如下：

上述判断自由换道动机的公式中：

为当前时刻交通车Veh^o的期望速度；

为出发前做出路径规划时的推荐车速；

为了按时到达目的地，当前需要达到的期望速度；

为当前所在车道的平均车速；

p^o(t)为焦虑指数；

DLCI为自由换道动机判定结果；

当p^o(t)超过预设的焦虑指数阈值p_th时，DLCI为1，判断需要自由换道；

当p^o(t)小于预设的焦虑指数阈值p_th时，DLCI为0，判断不需要自由换道。

所述步骤S3中，当自由换道的动机产生后，查看当前路段是否存在车道l_d，使交通车Veh^o的焦虑指数降低，并根据交通车Veh^o对车道k的预估焦虑指数筛选潜在目标车道；

所述交通车对车道的预估焦虑指数的计算公式如下：

上述确定交通车对车道的预估焦虑指数的公式中：

为交通车Veh^o对车道k的预估焦虑指数；

为车道k的平均车速；

为当前时刻交通车Veh^o的期望速度；

筛选潜在目标车道的公式如下：

上述筛选潜在目标车道的公式中：

DLCL^k为交通车Veh^o对车道k是否符合自由换道潜在目标车道的判断结果；

当交通车Veh^o对车道k的预估焦虑指数

大于焦虑指数阈值p_th，DLCL^k值为0，该车道不符合自由换道潜在目标车道的判定条件，判断不存在自由换道潜在目标车道；

当交通车Veh^o对车道k的预估焦虑指数

小于焦虑指数阈值p_th，DLCL^k值为1，该车道符合自由换道潜在目标车道的判定条件，判断存在自由换道潜在目标车道。

所述步骤S4中：

首先，计算交通车从当前车道l^o向自由换道潜在目标车道

执行换道的紧迫指数urg^k，具体公式如下：

上述紧迫指数urg^k的计算公式中：

s₀是交通车Veh^o所在路段的剩余长度；

是从当前车道换到自由换道潜在目标车道

的预估纵向行驶距离；

是从自由换道潜在目标车道

换到最临近的强制换道目标车道

的预估纵向行驶距离；

所述从当前车道换到自由换道潜在目标车道

的预估纵向行驶距离

与从自由换道潜在目标车道

换到最临近的强制换道目标车道

的预估纵向行驶距离

的计算公式具体如下：

上述

与

的计算公式中：

为车道i的平均车速；

是在车道i等待向车道i+1换道时的预估等待时间；

是预估换道执行时间；

预估等待时间

是通过以目标车道的密度作为横坐标，预估等待时间作为纵坐标，并结合驾驶员的换道驾驶风格的意图表征时窗确定的，所述意图表征时窗是驾驶员首次关注后视镜至方向盘转动的时间；

然后，根据交通车从当前车道向自由换道潜在目标车道执行换道的紧迫指数，判断是否可以执行自由换道，具体判断公式如下：

上述判断是否可以执行自由换道的公式中：

urg^k为交通车从当前车道l^o向自由换道潜在目标车道

执行换道的紧迫指数；

urg_min为交通车从当前车道l^o向自由换道潜在目标车道

执行换道的紧迫指数中的最小紧迫指数；

DLCF为自由换道可行性判断结果；

如果最小紧迫指数urg_min小于预设紧迫性阈值urg_th，DLCF为1，强制换道与自由换道之间具有协调性，判断换道动机协调；

如果最小紧迫指数urg_min大于预设紧迫性阈值urg_th，DLCF为0，强制换道与自由换道之间不具有协调性，判断换道动机不协调。

所述步骤S5中：

当步骤S3中判定不需要自由换道或步骤S4中判定当前车道条件不允许自由换道时，交通车Veh^o需要对当前所处车道作出判定，当前所处车道的判定公式如下：

上述前所处车道的判定公式中：

MLJ为当前所处车道的判定结果；

如果当前车道l^o是强制换道目标车道l_m，MLJ＝1；

如果当前车道l^o不是强制换道目标车道l_m，MLJ＝0。

所述步骤S6中：

当交通车当前车道不属于强制换道目标车道时，计算从交通车所在车道l^o到最近的强制换道目标车道

的换道紧迫指数urg^J，计算公式具体如下：

上述计算换道紧迫指数urg^J的公式中：

是从当前车道l^o换到最临近的强制换道目标车道

的预估纵向行驶距离；

s₀是交通车Veh^o所在路段的剩余长度；

为车道i的平均车速；

是在车道i等待向车道i+1换道时的预估等待时间；

是预估换道执行时间；

本步骤S6中，根据换道紧迫指数urg^J判定强制换道紧迫性；

判定强制换道紧迫性的公式具体如下：

上述判定强制换道紧迫性的公式中：

MLCF为强制换道紧迫性的判定结果；

如果强制换道紧迫指数urg^J大于预设紧迫性阈值urg_th，MLCF＝1，判定需要紧急强制换道；

如果强制换道紧迫指数urg^J小于紧迫性阈值urg_th，MLCF＝0，判定不需要紧急强制换道。

所述步骤S7中，判定换道时机的过程包括：

步骤S71：确定所述交通车Veh^o的紧迫指数urg^o的公式如下：

确定所述交通车Veh^o的目标车道l^t的公式如下：

步骤S72中：确定所述时机评估指数的公式为：

上述时机评估指数LCIC的计算公式中：

LCIC是时机评估指数；

是交通车Veh^o换到新车道的预期纵向加速度；

a^o是当前交通车Veh^o的纵向加速度；

交通车Vehⁿ为交通车Veh^o将要汇入车道的后车；

是在交通车Veh^o换到新车道时交通车Vehⁿ的预期纵向加速度；

aⁿ是当前交通车Vehⁿ的纵向加速度；

δ^o是交通车Veh^o的礼貌系数；

是交通车Veh^o初始礼貌系数；

urg是当前换道行为的紧迫指数；

交通车Veh^o的礼貌系数与其初始设定的驾驶风格，以及换道紧迫性相关；其中：

谨慎型驾驶员初始礼貌系数、普通型驾驶员初始礼貌系数和冲动型驾驶员初始礼貌系数一次与降低；

换道紧迫指数urg^o越低，交通车Veh^o驾驶员越表现出让车的行为，亦越顾及目标车道的后方交通车Vehⁿ的速度变化；

换道紧迫指数urg^o越高，交通车Veh^o驾驶员越表现出换道的行为，亦越无法顾及目标车道的后方交通车Vehⁿ的速度变化。

步骤S73：换道时机判定公式具体如下：

上述换道时机判定公式中：

LCMP为换道时机判定结果；

LCIC为时机评估指数；

当时机评估指数LCIC大于预设时机阈值LCIC_th时，LCMP为1，判定交通车Veh^o当前能执行换道；

当时机评估指数LCIC小于预设时机阈值LCIC_th时，LCMP为0，判定交通车Veh^o当前不能换道。

所述步骤S8中，规划换道轨迹的具体过程如下：

步骤S81:将换道轨迹分为三个阶段：P₀P₁为换道准备阶段、P₁P₂为换道执行阶段和P₂P₃为换道结束阶段，并按阶段规划目标轨迹点P₀、P₁、P₂和P₃；

步骤S82：将已确定的目标点P₀、P₁、P₂和P₃平滑地连接起来形成轨迹，其中：

P₁P₂与P₀P₁间的夹角为α，P₁P₂与P₂P₃间的夹角为β，并在P₁P₂的中点增加一点P_m；

记z₀＝0，P₀P₁间距离为z₁＝|P₀P₁|，P₁P_m间距离为z₂＝|P₁P_m|，P_mP₂间距离为z₃＝|P_mP₂|，P₂P₃间距离为z₄＝|P₂P₃|；

记φ₀＝0，P₁处相对航向角为

P_m处相对航向角为φ₂＝α，P₂处相对航向角为

P₃处相对航向角为φ₄＝α-β；

P₀点时间t₀＝0，P₁点时间t₁＝1，P_m点时间t₂＝2，P₂点时间t₃＝3，P₃点时间t₄＝4；

规定P₀点的速度z′₀为当前交通车Veh^o的实际车速z′₀＝v^o，P₀点的角速度φ′₀＝0，P₃点的速度z′₄为新车道l^o′的前车Veh^f′的预估车速z′₄＝v^f′，P₃点的角速度φ′₄＝0；

对(t,z)用三次样条曲线进行插值，固定边界分别为(t₀,z′₀)及(t₄,z′₄)；

对(t,φ)用三次样条曲线进行插值，固定边界分别为(t₀,φ′₀)及(t₄,φ′₄)；

至此，交通车Veh^o换道轨迹完成规划。

所述步骤S81中，按阶段规划目标轨迹点的具体过程如下：

(1)准备阶段

准备阶段持续时间为1秒，P₀是交通车Veh^o当前的位置，P₁是当前车道驶离点；

P₁点在Frenet坐标系内纵坐标s₁的位置随机，其取样的区间为

其中：

为纵坐标s₁的下边界，由当前车道后车Veh^r相对于交通车Veh^o的安全位置

及交通车Veh^o减速行驶位置

二者间的最大值确定；

为s₁的上边界，由交通车Veh^o加速行驶位置

及交通车Veh^o相对于当前车道前车Veh^f的安全位置

二者间的最小值确定；

驶离点P₁纵坐标s₁的预取样点

符合均值为μ₁，标准差为σ₁的标准正态分布

其中：

对取样后的结果

加以变化，确定P₁点在Frenet坐标系内纵坐标s₁的公式如下：

(2)执行阶段

执行阶段持续时间为2秒，P₁为原车道l^o的驶离点，P₂为新车道l^o′的驶入点；

P₂点在Frenet坐标系内纵坐标s₂的位置随机，其取样的区间为

其中：

为纵坐标s₂的下边界，由新车道l^o′后车Veh^r′相对于交通车Veh^o的安全位置

及交通车Veh^o最大横摆极限位置

二者间的最大值确定；

为纵坐标s₂的上边界，由交通车Veh^o加速行驶位置

及交通车Veh^o相对于新车道l^o′前车Veh^f′的安全位置

二者间的最小值确定；

驶离点P₂纵坐标s₂的预取样点

符合均值为μ₂，标准差为σ₂的标准正态分布

其中：

对取样后的结果加以变化，确定P₂点在Frenet坐标系内纵坐标s₂的公式如下：

(3)结束阶段

结束阶段持续时间为1秒，P₂为新车道l^o′的驶入点，P₃是从车道l^o至车道l^o′整个换道过程的结束位置；

交通车Veh^o在达到P₃点时车速与前车Veh^f′一致，或达到当前车道的最高限速。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明所述交通车换道决策规划方法提出了一种将换道动机与换道时机相分离的决策结构，其中，换道动机是由于驾驶员认为当前车道的现状不满足个人预期产生的，而所述的“现状不满足个人预期”可能是因为当前车道不能通往路径规划中的下一路段；也可能是因为当前车道的车速过慢，想要提高车速。而换道的时机则是依据对预期车道的预测作出的换道机会的判断。

2、本发明所述交通车换道决策规划方法随机生成换道轨迹，且所述换道轨迹是在一个安全的区间内随机生成的，增加了交通车运动的随机性。

3、本发明所述交通车换道决策规划方法实现了对驾驶员心理的模拟，其中，驾驶员的心理包括：1)欲速则不达，即处于交通堵则中的驾驶员往往不能达到预期车速，越被阻挡，提高车速的的意愿就越强烈，这一驾驶员心理在本专利提出的方法中可以得到很好的模拟；2)换道紧迫性，即距离目标车道越远，目标车道越拥挤，驾驶员换道紧迫性越强烈；3)动机间协调，自由换道需要时刻评估是否符合宏观的强制换道目标，强制换道在协调过程中也隐含判断了是否需要再执行自由换道。

附图说明

图1为本发明所述用于自动驾驶虚拟测试的交通车换道决策规划方法的流程框图；

图2为本发明所述交通车换道决策规划方法中，换道动机协调性预判过程中用于根据驾驶风格确定预估等待时间的意图表征时窗的示意图；

图3为本发明所述交通车换道决策规划方法中，换道轨迹规划过程中车辆行驶轨迹模拟示意图；

图4为本发明所述交通车换道决策规划方法中，换道轨迹规划过程中准备阶段交通车当前车道驶离点P₁在Frenet坐标系内纵坐标s₁的位置示意图；

图5为本发明所述交通车换道决策规划方法中，换道轨迹规划过程中执行阶段交通车新车道驶入点P₂在Frenet坐标系内纵坐标s₂的位置示意图；

图6为本发明所述交通车换道决策规划方法中，换道轨迹规划过程中，基于规划的目标轨迹点所形成的连续轨迹示意图。

具体实施方式

为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：

本发明公开了一种用于自动驾驶虚拟测试的交通车换道决策规划方法，所述方法的具体过程如下：

步骤S1：确定强制换道目标车道；

本步骤S1中，每个路段的强制换道目标车道L_m是依据宏观规划确定的，当一辆交通车设定了起始点P_o和起止点P_d后，路径规划会根据当前的交通环境以及预先设定的偏好，规划出一条由多个路段组成的行驶路线，交通车当前所在路段的强制换道目标车道就是可以通往下一路段的车道；

本步骤S1中，确定强制换道目标车道的公式具体如下：

上述确定强制换道目标车道的公式中：

MRP^j(MRP，即Mandatory Route Planning)为车道l^j是否符合宏观的路径规划的判断结果：如果该值为1，表明车道l^j是可以驶向下一个路段的；该值为0，表明车道l^j不能驶向下一路段；

一个路段内可以包含多个符合路径规划的目标车道

而L_m是当前交通车Veh^o所在路段内所有强制换道目标车道l_m的集合；

步骤S2：判断自由换道动机；

本步骤S2中，战术换道是由于交通车Veh^o期望车速高于当前车道的平均车速，认为当前所在车道l^o的车速过慢，想要提高车速所产生的动机；

本步骤S2中，判断自由换道动机的公式具体如下：

上述判断自由换道动机的公式中：

为当前时刻交通车Veh^o的期望速度；

为出发前做出路径规划时的推荐车速；

为了按时到达目的地，当前需要达到的期望速度；

为当前所在车道的平均车速；

p^o(t)为焦虑指数；

上述判断自由换道动机的公式中，体现了交通车越被阻挡，越希望提高车速的意愿；

当交通状况良好时，

相比于

几乎不会发生变化，

与

基本一致，交通车Veh^o的焦虑指数为0，可以按照计划按时到达目的地；

当交通状况恶化时，交通车Veh^o被阻挡，不能达到预期车速

为了能按计划按时到达目的地，

必须提高；

的增加必然导致

的增加，进而使得焦虑指数p^o(t)逐渐升高；

DLCI为自由换道动机判定结果；

当p^o(t)超过预设的焦虑指数阈值p_th时，DLCI为1，自由换道动机产生，需要自由换道，则接下来进入下述步骤S3，确定自由换道潜在目标车道；

当p^o(t)小于预设的焦虑指数阈值p_th时，DLCI为0，不需要自由换道，则接下来进入下述步骤S5，判定当前是否处于强制换道目标车道；

步骤S3：确定自由换道潜在目标车道；

本步骤S3中，当自由换道的动机产生后，需要查看当前路段是否存在车道l_d，可以使交通车Veh^o的焦虑指数降低，并根据交通车Veh^o对车道k的预估焦虑指数筛选潜在目标车道；

所述交通车对车道的预估焦虑指数的计算公式如下：

上述确定交通车对车道的预估焦虑指数的公式中：

为交通车Veh^o对车道k的预估焦虑指数；

为车道k的平均车速；

为当前时刻交通车Veh^o的期望速度；

筛选潜在目标车道的公式如下：

上述筛选潜在目标车道的公式中：

DLCL^k(DLCL，即Discretionary Lane Changing Lane)为交通车Veh^o对车道k是否符合自由换道潜在目标车道的判断结果；

当交通车Veh^o对车道k的预估焦虑指数

大于焦虑指数阈值p_th，DLCL^k值为0，该车道不符合自由换道潜在目标车道的判定条件，即此时不存在自由换道潜在目标车道，则返回上述步骤S2，重新判断自由换道动机；

当交通车Veh^o对车道k的预估焦虑指数

小于焦虑指数阈值p_th，DLCL^k值为1，该车道符合自由换道潜在目标车道的判定条件，将该车道列入自由换道潜在目标车道集合L_d，则接下来进入下述步骤S4，预判换道动机的协调性；

步骤S4：预判换道动机协调性；

本步骤S4中，强制换道是保证交通车Veh^o能够完成从起始点P_o到起止点P_d整个行程的必要条件，自由换道不能违背该前提，所以当自由换道的决策作出之后，需要检查强制换道与自由换道之间的协调性；

本步骤S4中，根据交通车从当前车道向自由换道潜在目标车道执行换道的紧迫指数，判断是否可以执行自由换道，具体判断公式如下：

上述判断是否可以执行自由换道的公式中：

urg^k为交通车从当前车道l^o向自由换道潜在目标车道

执行换道的紧迫指数；

urg_min为交通车从当前车道l^o向自由换道潜在目标车道

执行换道的紧迫指数中的最小紧迫指数；

DLCF(即Discretionary Lane Changing Feasibility)为自由换道可行性判断结果；

如果最小紧迫指数urg_min小于预设紧迫性阈值urg_th，DLCF为1，判断强制换道与自由换道之间具有协调性，即换道动机协调，可以自由换道执行，则接下来进入下述步骤S7，进行具有最小紧迫指数urg_min的车道

的换道时机判断过程；

如果最小紧迫指数urg_min大于预设紧迫性阈值urg_th，DLCF为0，判断强制换道与自由换道之间不具有协调性，即换道动机不协调，当前不能执行自由换道，则接下来进入下述步骤S5，判定当前是否处于强制换道目标车道，并实现尽快汇入强制换道目标车道L_m；

所述交通车从当前车道l^o向自由换道潜在目标车道

执行换道的紧迫指数urg^k的计算公式具体如下：

上述urg^k的计算公式中：

s₀是交通车Veh^o所在路段的剩余长度；

是从当前车道换到自由换道潜在目标车道

的预估纵向行驶距离；

是从自由换道潜在目标车道

换到最临近的强制换道目标车道

的预估纵向行驶距离；

所述从当前车道换到自由换道潜在目标车道

的预估纵向行驶距离

与从自由换道潜在目标车道

换到最临近的强制换道目标车道

的预估纵向行驶距离

的计算公式具体如下：

上述

与

的计算公式中：

为车道i的平均车速；

是在车道i等待向车道i+1换道时的预估等待时间；

是预估换道执行时间；

如图2所示，根据现有技术文件《基于驾驶员行为的变道车辆行驶特征研究》中指出存在的三类换道驾驶风格，分别为冲动型、普通型和谨慎型，其对应的预估等待时间都是通过意图表征时窗确定的，此外，所述预估等待时间除了与驾驶员的驾驶风格相关以外，还有目标车道的密度相关，目标车道的密度越大，换道时机越难发现；

故，预估等待时间

是通过以目标车道的密度作为横坐标，预估等待时间作为纵坐标，并结合驾驶员的换道驾驶风格的意图表征时窗确定的，所述意图表征时窗是驾驶员首次关注后视镜至方向盘转动的这段时间；

步骤S5：判定当前是否处于强制换道目标车道；

本步骤S5中，当前述步骤S2中判定DLCI为0，即不需要自由换道，或前述步骤S4中判定DLCF为0，即换道动机不协调，当前车道条件不允许自由换道时，交通车Veh^o需要对当前所处车道作出判定，当前所处车道的判定公式如下：

上述前所处车道的判定公式中：

MLJ(即Mandatory Lane Judge)为当前所处车道的判定结果；

如果当前车道l^o是强制换道目标车道l_m，即MLJ＝1，则继续保持在当前车道不换道，并重新回到上述步骤S2，判断自由换道动机；

如果当前车道l^o不是强制换道目标车道l_m，即MLJ＝0，则接下来进入下述步骤S6，通过计算换道紧迫指数，判定强制换道的紧迫性，进而判断是否需要做强制换道；

步骤S6：判定强制换道紧迫性；

本步骤S6中，当交通车Veh^o当前车道不属于强制换道目标车道时，需计算从交通车Veh^o所在车道l^o到最近的强制换道目标车道

的换道紧迫指数urg^J，计算公式具体如下：

上述计算换道紧迫指数urg^J的公式中：

是从当前车道l^o换到最临近的强制换道目标车道

的预估纵向行驶距离；

s₀是交通车Veh^o所在路段的剩余长度；

为车道i的平均车速；

是在车道i等待向车道i+1换道时的预估等待时间；

是预估换道执行时间；

本步骤S6中，根据换道紧迫指数urg^J判定强制换道紧迫性；

判定强制换道紧迫性的公式具体如下：

上述判定强制换道紧迫性的公式中：

MLCF为强制换道紧迫性的判定结果；

如果强制换道紧迫指数urg^J大于预设紧迫性阈值urg_th，即MLCF＝1，此时判定需要紧急强制换道，则接下来进入下述步骤S7，，判定换道时机，以实现应尽快汇入强制换道目标车道

如果强制换道紧迫指数urg^J小于紧迫性阈值urg_th，即MLCF＝0，此时判定当前并非紧急情况，不需要紧急强制换道，则此时可以继续保持在当前车道l^o不换道，接下来返回至上述步骤S2，重新判断自由换道动机；

步骤S7：判定换道时机；

S71：确定所述交通车Veh^o的紧迫指数urg^o和所述交通车Veh^o的目标车道l^t；

无论是自由换道，还是强制换道，当DLCF或MLCF判定为可以换道时，交通车Veh^o的紧迫指数urg^o应该等于相应动机计算出的紧迫指数，交通车Veh^o的目标车道l^t应该是相应动机所确定的目标车道；

确定所述交通车Veh^o的紧迫指数urg^o的公式如下：

交通车Veh^o的目标车道l^t与当前车道l^o可能是相邻车道，也可能隔着多个车道，交通车Veh^o每向l^t方向并入一个车道时，都需要找到合适的换道时机；

所述确定所述交通车Veh^o的目标车道l^t的公式如下：

S72：确定时机评估指数；

确定所述时机评估指数的公式为：

上述时机评估指数LCIC的计算公式中：

LCIC是时机评估指数；

是交通车Veh^o换到新车道的预期纵向加速度；

a^o是当前交通车Veh^o的纵向加速度；

交通车Vehⁿ为交通车Veh^o将要汇入车道的后车；

是在交通车Veh^o换到新车道时交通车Vehⁿ的预期纵向加速度；

aⁿ是当前交通车Vehⁿ的纵向加速度；

δ^o是交通车Veh^o的礼貌系数；

是交通车Veh^o初始礼貌系数；

urg是当前换道行为的紧迫指数；

其中：

交通车Veh^o的礼貌系数与其初始设定的驾驶风格，以及换道紧迫性有关；

冲动型驾驶员初始礼貌系数

相对低一些，谨慎型驾驶员初始礼貌系数

相对高一些，而普通型驾驶员初始礼貌系数

介于二者之间；

当换道紧迫指数urg^o较低时，Veh^o驾驶员表现出谦让礼貌的行为，在换道时机的选择上会顾及目标车道的后方交通车Vehⁿ的速度变化；

当换道紧迫指数urg^o较高时，交通车Veh^o执行换道的意愿更强烈，甚至可能无法顾及后车Vehⁿ；

S73：作出换道时机的判定；

机评估指数综合交通车、交通车换道前后的加速度变化，以及交通车自身的礼貌系数，作出换道时机的判定，换道时机判定公式具体如下：

上述换道时机判定公式中：

LCMP(Lane Changing Motion Planning)为换道时机判定结果；

LCIC(Lane Changing Incentive Criterion)为时机评估指数；

当时机评估指数LCIC大于预设时机阈值LCIC_th时，LCMP为1，判定交通车Veh^o在这一时刻可以执行换道，则接下来进入下述步骤S8，规划换道轨迹；

当时机评估指数LCIC小于预设时机阈值LCIC_th时，LCMP为0，判定交通车Veh^o当前还不能换道，需要继续等待换道时机；

步骤S8：规划换道轨迹；

当换道时机确定以后，交通车Veh^o需要规划换道轨迹，如图3所示，换道轨迹分为三个阶段：P₀P₁为换道准备阶段，P₁P₂为换道执行阶段，P₂P₃为换道结束阶段；

此外，真实车辆的行驶轨迹并不总是沿着车道中心线，为了模拟这一现象，每辆交通车Vehⁱ都设置一个中心偏移均值

及标准差

且换道阶段点横向位置dⁱ满足均值为μ_ofs，标准差为σ_ofs的标准正态分布

S81:规划目标轨迹点；

(1)准备阶段

准备阶段持续时间为1秒，交通车Veh^o通过调整车速以及与同车道前后车间的距离，保证驶离时足够安全，不发生碰撞，如图3所示，P₀是交通车Veh^o当前的位置，P₁是当前车道驶离点；

如图4所示，P₁点在Frenet坐标系内纵坐标s₁的位置是随机的，其取样的区间为

其中：

为纵坐标s₁的下边界，它是由当前车道后车Veh^r相对于交通车Veh^o的安全位置

及交通车Veh^o减速行驶位置

二者间的最大值确定的；

为s₁的上边界，它是由交通车Veh^o加速行驶位置

及交通车Veh^o相对于当前车道前车Veh^f的安全位置

二者间的最小值确定的；

驶离点P₁纵坐标s₁的预取样点

符合均值为μ₁，标准差为σ₁的标准正态分布

其中：

为了使s₁的取值全部落在区间

内，还需要对取样后的结果

加以变化，确定P₁点在Frenet坐标系内纵坐标s₁的公式如下：

此外，需要说明的是：

在本准备阶段，如果点P₁的取样区间如果不存在，需要退出轨迹规划，重新返回换道时机判定，如果换道时机判断超时，应立刻结束并重新执行潜在自由换道目标车道判定；

(2)执行阶段

执行阶段持续时间为2秒，执行阶段交通车Veh^o需要考虑自身的纵侧向运动能力，以及与新车道l^o′上前车Veh^f′和后车Veh^r′的安全距离，如图3所示，P₁为原车道l^o的驶离点，P₂为新车道l^o′的驶入点；

如图5所示，P₂点在Frenet坐标系内纵坐标s₂的位置是随机的，其取样的区间为

其中：

为纵坐标s₂的下边界，它是由新车道l^o′后车Veh^r′相对于交通车Veh^o的安全位置

及交通车Veh^o最大横摆极限位置

二者间的最大值确定的；

为纵坐标s₂的上边界，它是由交通车Veh^o加速行驶位置

及交通车Veh^o相对于新车道l^o′前车Veh^f′的安全位置

二者间的最小值确定的；

驶离点P₂纵坐标s₂的预取样点

符合均值为μ₂，标准差为σ₂的标准正态分布

其中：

为了使s₂的取值全部落在区间

内，还需要对取样后的结果加以变化，确定P₂点在Frenet坐标系内纵坐标s₂的公式如下：

此外，需要说明的是：

在本执行阶段，如果点P₂的取样区间如果不存在，需要退出轨迹规划，重新返回换道时机判定，如果换道时机判断超时，应立刻结束并重新执行潜在自由换道目标车道判定；

(3)结束阶段

结束阶段持续时间为1秒，结束阶段交通车Veh^o需要稳定车身姿态，调整车速以及与前后车的安全距离。如图3所示，P₂为新车道l^o′的驶入点，P₃是从车道l^o至车道l^o′整个换道过程的结束位置；

交通车Veh^o在达到P₃点时车速应该与前车Veh^f′一致，或达到当前车道的最高限速；

S82：生成连续轨迹；

为了将前述步骤S81中已确定的目标点P₀、P₁、P₂和P₃平滑地连接起来形成轨迹，需要计算目标点间的距离，以及相对于交通车Veh^o在起始点P₀的航向角偏移；

如图6所示，P₁P₂与P₀P₁间的夹角为α，P₁P₂与P₂P₃间的夹角为β，为了让规划的轨迹曲线更接近原始线型，在P₁P₂的中点增加一点P_m；

记z₀＝0，P₀P₁间距离为z₁＝|P₀P₁|，P₁P_m间距离为z₂＝|P₁P_m|，P_mP₂间距离为z₃＝|P_mP₂|，P₂P₃间距离为z₄＝|P₂P₃|；

记φ₀＝0，P₁处相对航向角为

P_m处相对航向角为φ₂＝α，P₂处相对航向角为

P₃处相对航向角为φ₄＝α-β；

相应的P₀点时间t₀＝0，P₁点时间t₁＝1，P_m点时间t₂＝2，P₂点时间t₃＝3，P₃点时间t₄＝4；

规定P₀点的速度z′₀为当前交通车Veh^o的实际车速z′₀＝v^o，P₀点的角速度φ′₀＝0，P₃点的速度z′₄为新车道l^o′的前车Veh^f′的预估车速z′₄＝v^f′，P₃点的角速度φ′₄＝0，

对(t,z)用三次样条曲线进行插值，固定边界分别为(t₀,z′₀)及(t₄,z′₄)；

对(t,φ)用三次样条曲线进行插值，固定边界分别为(t₀,φ′₀)及(t₄,φ′₄)；

至此，交通车Veh^o换道轨迹完成规划。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.用于自动驾驶虚拟测试的交通车换道决策规划方法，其特征在于：

所述交通车换道决策规划方法具体过程如下：

步骤S1：确定强制换道目标车道；

所述步骤S1中，确定强制换道目标车道的公式具体如下：

上述确定强制换道目标车道的公式中：

MRP^j为车道l^j是否符合宏观的路径规划的判断结果，如果MRP^j为1，车道l^j能驶向下一个路段；如果MRP^j为0，车道l^j不能驶向下一路段；

一个路段内包含多个符合路径规划的目标车道

L_m是当前交通车Veh^o所在路段内所有强制换道目标车道l_m的集合；

步骤S2：判断自由换道动机，若需要自由换道，则进入步骤S3，若不需要自由换道，则进入步骤S5；

所述步骤S2中，判断自由换道动机的公式具体如下：

上述判断自由换道动机的公式中：

为当前时刻交通车Veh^o的期望速度；

为出发前做出路径规划时的推荐车速；

为了按时到达目的地，当前需要达到的期望速度；

为当前所在车道的平均车速；

p^o(t)为焦虑指数；

DLCI为自由换道动机判定结果；

当p^o(t)超过预设的焦虑指数阈值p_th时，DLCI为1，判断需要自由换道；

当p^o(t)小于预设的焦虑指数阈值p_th时，DLCI为0，判断不需要自由换道；

步骤S3：确定自由换道潜在目标车道，若自由换道潜在目标车道不存在，则返回步骤S2，若自由换道潜在目标车道存在，则进入步骤S4；

所述步骤S3中，当自由换道的动机产生后，查看当前路段是否存在车道l_d，使交通车Veh^o的焦虑指数降低，并根据交通车Veh^o对车道k的预估焦虑指数筛选潜在目标车道；

所述交通车对车道的预估焦虑指数的计算公式如下：

上述确定交通车对车道的预估焦虑指数的公式中：

为交通车Veh^o对车道k的预估焦虑指数；

为车道k的平均车速；

为当前时刻交通车Veh^o的期望速度；

筛选潜在目标车道的公式如下：

上述筛选潜在目标车道的公式中：

DLCL^k为交通车Veh^o对车道k是否符合自由换道潜在目标车道的判断结果；

当交通车Veh^o对车道k的预估焦虑指数

大于焦虑指数阈值p_th，DLCL^k值为0，该车道不符合自由换道潜在目标车道的判定条件，判断不存在自由换道潜在目标车道；

当交通车Veh^o对车道k的预估焦虑指数

小于焦虑指数阈值p_th，DLCL^k值为1，该车道符合自由换道潜在目标车道的判定条件，判断存在自由换道潜在目标车道；

步骤S4：预判换道动机协调性，若换道动机协调，则进入步骤S7，若换道动机不协调，则进入步骤S5；

所述步骤S4中：

首先，计算交通车从当前车道l^o向自由换道潜在目标车道

执行换道的紧迫指数urg^k，具体公式如下：

上述紧迫指数urg^k的计算公式中：

s₀是交通车Veh^o所在路段的剩余长度；

是从当前车道换到自由换道潜在目标车道

的预估纵向行驶距离；

是从自由换道潜在目标车道

换到最临近的强制换道目标车道

的预估纵向行驶距离；

所述从当前车道换到自由换道潜在目标车道

的预估纵向行驶距离

与从自由换道潜在目标车道

换到最临近的强制换道目标车道

的预估纵向行驶距离

的计算公式具体如下：

上述

与

的计算公式中：

为车道i的平均车速；

是在车道i等待向车道i+1换道时的预估等待时间；

是预估换道执行时间；

预估等待时间

是通过以目标车道的密度作为横坐标，预估等待时间作为纵坐标，并结合驾驶员的换道驾驶风格的意图表征时窗确定的，所述意图表征时窗是驾驶员首次关注后视镜至方向盘转动的时间；

然后，根据交通车从当前车道向自由换道潜在目标车道执行换道的紧迫指数，判断是否可以执行自由换道，具体判断公式如下：

上述判断是否可以执行自由换道的公式中：

urg^k为交通车从当前车道l^o向自由换道潜在目标车道

执行换道的紧迫指数；

urg_min为交通车从当前车道l^o向自由换道潜在目标车道

执行换道的紧迫指数中的最小紧迫指数；

DLCF为自由换道可行性判断结果；

如果最小紧迫指数urg_min小于预设紧迫性阈值urg_th，DLCF为1，强制换道与自由换道之间具有协调性，判断换道动机协调；

如果最小紧迫指数urg_min大于预设紧迫性阈值urg_th，DLCF为0，强制换道与自由换道之间不具有协调性，判断换道动机不协调；

步骤S5：判定当前是否处于强制换道目标车道，若当前不处于强制换道目标车道，则进入步骤S6，若当前处于强制换道目标车道，则返回步骤S2；

所述步骤S5中：

当步骤S3中判定不需要自由换道或步骤S4中判定当前车道条件不允许自由换道时，交通车Veh^o需要对当前所处车道作出判定，当前所处车道的判定公式如下：

上述前所处车道的判定公式中：

MLJ为当前所处车道的判定结果；

如果当前车道l^o是强制换道目标车道l_m，MLJ＝1；

如果当前车道l^o不是强制换道目标车道l_m，MLJ＝0；

步骤S6：判定强制换道紧迫性，若需要紧急强制换道，则进入步骤S7，若不需要紧急强制换道，则返回步骤S2；

所述步骤S6中：

当交通车当前车道不属于强制换道目标车道时，计算从交通车所在车道l^o到最近的强制换道目标车道

的换道紧迫指数urg^J，计算公式具体如下：

上述计算换道紧迫指数urg^J的公式中：

是从当前车道l^o换到最临近的强制换道目标车道

的预估纵向行驶距离；

s₀是交通车Veh^o所在路段的剩余长度；

为车道i的平均车速；

是在车道i等待向车道i+1换道时的预估等待时间；

是预估换道执行时间；

本步骤S6中，根据换道紧迫指数urg^J判定强制换道紧迫性；

判定强制换道紧迫性的公式具体如下：

上述判定强制换道紧迫性的公式中：

MLCF为强制换道紧迫性的判定结果；

如果强制换道紧迫指数urg^J大于预设紧迫性阈值urg_th，MLCF＝1，判定需要紧急强制换道；

如果强制换道紧迫指数urg^J小于紧迫性阈值urg_th，MLCF＝0，判定不需要紧急强制换道；

步骤S7：判定换道时机，若当前能执行换道，则进入步骤S8，若当前不能执行换道，则等待换道时机，直至能执行换道；

所述步骤S7中，判定换道时机的过程包括：

步骤S71：确定所述交通车Veh^o的紧迫指数urg^o的公式如下：

确定所述交通车Veh^o的目标车道l^t的公式如下：

步骤S72中：确定时机评估指数的公式为：

上述时机评估指数LCIC的计算公式中：

LCIC是时机评估指数；

是交通车Veh^o换到新车道的预期纵向加速度；

a^o是当前交通车Veh^o的纵向加速度；

交通车Vehⁿ为交通车Veh^o将要汇入车道的后车；

是在交通车Veh^o换到新车道时交通车Vehⁿ的预期纵向加速度；

aⁿ是当前交通车Vehⁿ的纵向加速度；

δ^o是交通车Veh^o的礼貌系数；

是交通车Veh^o初始礼貌系数；

urg是当前换道行为的紧迫指数；

交通车Veh^o的礼貌系数与其初始设定的驾驶风格，以及换道紧迫性相关；其中：

谨慎型驾驶员初始礼貌系数、普通型驾驶员初始礼貌系数和冲动型驾驶员初始礼貌系数一次与降低；

换道紧迫指数urg^o越低，交通车Veh^o驾驶员越表现出让车的行为，亦越顾及目标车道的后方交通车Vehⁿ的速度变化；

换道紧迫指数urg^o越高，交通车Veh^o驾驶员越表现出换道的行为，亦越无法顾及目标车道的后方交通车Vehⁿ的速度变化；

步骤S73：换道时机判定公式具体如下：

上述换道时机判定公式中：

LCMP为换道时机判定结果；

LCIC为时机评估指数；

当时机评估指数LCIC大于预设时机阈值LCIC_th时，LCMP为1，判定交通车Veh^o当前能执行换道；

当时机评估指数LCIC小于预设时机阈值LCIC_th时，LCMP为0，判定交通车Veh^o当前不能换道；

步骤S8：规划换道轨迹。

2.如权利要求1所述用于自动驾驶虚拟测试的交通车换道决策规划方法，其特征在于：

所述步骤S8中，规划换道轨迹的具体过程如下：

步骤S81:将换道轨迹分为三个阶段：P₀P₁为换道准备阶段、P₁P₂为换道执行阶段和P₂P₃为换道结束阶段，并按阶段规划目标轨迹点P₀、P₁、P₂和P₃；

步骤S82：将已确定的目标点P₀、P₁、P₂和P₃平滑地连接起来形成轨迹，其中：

P₁P₂与P₀P₁间的夹角为α，P₁P₂与P₂P₃间的夹角为β，并在P₁P₂的中点增加一点P_m；

记z₀＝0，P₀P₁间距离为z₁＝|P₀P₁|，P₁P_m间距离为z₂＝|P₁P_m|，P_mP₂间距离为z₃＝|P_mP₂|，P₂P₃间距离为z₄＝|P₂P₃|；

记φ₀＝0，P₁处相对航向角为

P_m处相对航向角为φ₂＝α，P₂处相对航向角为

P₃处相对航向角为φ₄＝α-β；

P₀点时间t₀＝0，P₁点时间t₁＝1，P_m点时间t₂＝2，P₂点时间t₃＝3，P₃点时间t₄＝4；

规定P₀点的速度z′₀为当前交通车Veh^o的实际车速z′₀＝v^o，P₀点的角速度φ′₀＝0，P₃点的速度z′₄为新车道l^o′的前车Veh^f′的预估车速z′₄＝v^f′，P₃点的角速度φ′₄＝0；

对(t,z)用三次样条曲线进行插值，固定边界分别为(t₀,z′₀)及(t₄,z′₄)；

对(t,φ)用三次样条曲线进行插值，固定边界分别为(t₀,φ′₀)及(t₄,φ′₄)；

至此，交通车Veh^o换道轨迹完成规划。

3.如权利要求2所述用于自动驾驶虚拟测试的交通车换道决策规划方法，其特征在于：

所述步骤S81中，按阶段规划目标轨迹点的具体过程如下：

(1)准备阶段

准备阶段持续时间为1秒，P₀是交通车Veh^o当前的位置，P₁是当前车道驶离点；

P₁点在Frenet坐标系内纵坐标s₁的位置随机，其取样的区间为

其中：

为纵坐标s₁的下边界，由当前车道后车Veh^r相对于交通车Veh^o的安全位置

及交通车Veh^o减速行驶位置

二者间的最大值确定；

为s₁的上边界，由交通车Veh^o加速行驶位置

及交通车Veh^o相对于当前车道前车Veh^f的安全位置

二者间的最小值确定；

驶离点P₁纵坐标s₁的预取样点

符合均值为μ₁，标准差为σ₁的标准正态分布

其中：

对取样后的结果

加以变化，确定P₁点在Frenet坐标系内纵坐标s₁的公式如下：

(2)执行阶段

执行阶段持续时间为2秒，P₁为原车道l^o的驶离点，P₂为新车道l^o′的驶入点；

P₂点在Frenet坐标系内纵坐标s₂的位置随机，其取样的区间为

其中：

为纵坐标s₂的下边界，由新车道l^o′后车Veh^r′相对于交通车Veh^o的安全位置

及交通车Veh^o最大横摆极限位置

二者间的最大值确定；

为纵坐标s₂的上边界，由交通车Veh^o加速行驶位置

及交通车Veh^o相对于新车道l^o′前车Veh^f′的安全位置

二者间的最小值确定；

驶离点P₂纵坐标s₂的预取样点

符合均值为μ₂，标准差为σ₂的标准正态分布

其中：

对取样后的结果加以变化，确定P₂点在Frenet坐标系内纵坐标s₂的公式如下：

(3)结束阶段

结束阶段持续时间为1秒，P₂为新车道l^o′的驶入点，P₃是从车道l^o至车道l^o′整个换道过程的结束位置；

交通车Veh^o在达到P₃点时车速与前车Veh^f′一致，或达到当前车道的最高限速。

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