CN113799800B - 一种无人驾驶车辆自动换道超车轨迹规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无人驾驶车辆自动换道超车轨迹规划方法，属于自动驾驶技术领域。方法包括：获取当前道路信息，判断该道路是否允许超车，若不允许超车，则跟车行驶；若允许超车，则获取本车以及周围车辆的状态信息，判断是否满足超车条件，若不满足超车条件，则跟车行驶；若满足超车条件，则根据Sigmoid函数进行换道轨迹的规划，按照规划的换道轨迹进行换道；Sigmoid函数中的参数通过超车高效性约束、乘坐舒适性约束、以及行驶安全性约束计算得出；超车高效性约束为换道时间约束，控制换道时长在设定范围内；乘坐舒适性约束为车辆的最大横向加速度小于横向加速度设定阈值。本发明综合考虑安全性、舒适性、以及高效性，提高了换道的用户体验效果。

Description

一种无人驾驶车辆自动换道超车轨迹规划方法

技术领域

本发明涉及一种无人驾驶车辆自动换道超车轨迹规划方法，属于自动驾驶技术领域。

背景技术

超车是车辆行驶过程中常见的驾驶行为，相关统计显示，每年因超车引发的道路交通事故约占事故总数的20％，其中大多数事故都是人为因素导致。超车过程中，人类驾驶员由于自身感知能力的局限性难以准确获取周围行车环境信息，未能合理地规划超车轨迹，从而引发交通事故。无人驾驶车辆被认为是有效提高道路通行能力、增强车辆行驶安全性的主要途径，受到了国内外科研机构的广泛关注。

无人驾驶车辆通过车载感知传感器能够获取丰富的环境信息，并结合本车与周围车辆行驶状况变化实时规划出安全的换道超车轨迹。例如，授权公告号为CN 111439264 B的中国发明专利文件公开了一种基于人机混驾的换道控制模型的实现方法，其中无人驾驶的换道过程为：判断是否符合换道的条件，在符合换道条件的情况下，采用Sigmoid函数拟合换道轨迹，并且拟合换道轨迹时要满足安全性的约束，按照拟合的换道轨迹进行换道。

然而上述换道轨迹拟合的过程中仅仅考虑时行驶的安全性，在换道过程中容易出现车速过高时方向盘修正激烈，致使横向加速度过大，影响横向乘坐舒适性，并且换道效率也比较低，也即换道轨迹拟合的过程考虑较少，并未综合考虑换道过程中的其他因素，为此，需要提出一种综合考虑安全性、舒适性、以及高效性的换道超车规划的技术方案。

发明内容

本申请的目的在于提供一种无人驾驶车辆自动换道超车轨迹规划方法，为综合考虑安全性、舒适性、以及高效性的换道超车规划提出一种行之有效的技术方案。

为实现上述目的，本申请提出了一种无人驾驶车辆自动换道超车轨迹规划方法的技术方案，方法包括以下步骤：

1)获取当前道路信息，当前道路信息包括当前道路的限速值、当前道路的最大减速度以及道路类型；

2)根据当前道路信息判断该道路是否允许超车，若允许超车，则进入步骤3)，若不允许超车，则跟车行驶；

3)获取本车以及周围车辆的状态信息，状态信息包括车辆的位置和速度；

4)根据本车以及周围车辆的状态信息判断是否满足超车条件，若满足超车条件，则进入步骤5)，若不满足超车条件，则跟车行驶；

5)根据Sigmoid函数进行换道轨迹的规划，按照规划的换道轨迹进行换道；Sigmoid函数中的参数通过超车高效性约束、乘坐舒适性约束、以及行驶安全性约束计算得出；所述行驶安全性约束包括安全距离约束、防侧滑约束、以及横向位移约束；所述超车高效性约束为换道时间约束，控制换道时长在设定范围内；乘坐舒适性约束为车辆的最大横向加速度小于横向加速度设定阈值。

本发明的无人驾驶车辆自动换道超车轨迹规划方法的技术方案的有益效果是：本发明在车辆满足超车条件的情况下，规划换道路径时，不仅结合了行驶安全性的约束，还增加了换道时间约束和舒适性约束，换道时间约束将换道时长控制在设定范围内，保证了换道的高效性，舒适性约束限制了最大横向加速度的大小，提高了乘客乘坐的舒适度。本发明综合考虑安全性、舒适性、以及高效性进行换道超车轨迹的规划，提高了换道的用户体验效果。

进一步的，所述步骤4)中判断是否满足超车条件包括：

当左后方有车、左前方无车时：若左后车速度≤本车速度，且左后车与本车的纵向距离大于纵向距离阈值，则满足超车条件，否则不满足超车条件；

当左后方无车、左前方有车时：若左前车速度按照道路限速值匀速行驶，则满足超车条件；若左前车减速行驶，则不满足超车条件；若左前车速度按照小于道路限速值的速度匀速行驶时，计算换道完成时本车与左前车的相对距离，根据换道完成时本车与左前车的相对距离判断是否满足超车条件：若相对距离≥最小安全距离，则满足超车条件；若相对距离＜最小安全距离，则不满足超车条件。

进一步的，换道完成时本车与左前车的相对距离为：

其中，S′_ad为换道完成时本车与左前车的相对距离；S_ad为换道前本车与左前车的相对距离；T_C为换道时长；a_A为本车的加速度；V_a为本车的速度；V_d为左前车的速度。

进一步的，最小安全距离的计算过程为：

V_r＝V₁-V₂；

其中，S_min为最小安全距离；n为系数；V₁为本车制动前速度；V₂为本车制动后速度；a′_max为车辆的最大制动减速度，V_b为前车的速度。

进一步的，Sigmoid函数为：

其中，y为车辆的横向位移；x为车辆的纵向位移；k₁为纵向比例增益；k₂为修正系数；a为从原车道换至目标车道之间过渡轨迹中心的水平偏移量；b为从原车道换至目标车道之间过渡轨迹中心的陡度参数；c为车辆的横向偏移量；V_x为本车的纵向速度；T_C为换道时长。

进一步的，安全距离约束为：

其中，

B＝-1，

(x₁，y₁)为本车坐标系下前车的坐标位置，D为本车与前车的距离；L是安全距离。

进一步的，防侧滑约束为：

a_ymax＝0.67μg；

其中，d＝e^-a(x-b)，a_y为车辆横向加速度；V_x为本车的纵向速度；a_ymax为最大横向加速度；μ为路面附着系数，g为重力加速度。

进一步的，横向位移约束为：

其中，y_max为车辆的最大横向位移。

进一步的，控制换道时长在设定范围内包括：3s＜＜T_C＜＜6s，T_C为换道时长。

进一步的，乘坐舒适性约束为：

其中，ω为本车的横摆角速度；V_y为本车的横向速度；V_x本车的纵向速度；a_ymax为最大横向加速度；0.4g为横向加速度设定阈值。

附图说明

图1是本发明无人驾驶车辆自动换道超车轨迹规划方法的流程图；

图2是本发明超车轨迹示意图；

图3是本发明超车换道路径曲线图；

图4a是本发明换道横向位移为最短换道横向位移示意图；

图4b是本发明换道横向位移为单车道换道横向位移示意图；

图4c是本发明换道横向位移为最长换道横向位移示意图；

图5是本发明无人驾驶车辆换道效果示意图。

具体实施方式

无人驾驶车辆自动换道超车轨迹规划方法实施例：

本发明的主要构思在于，为了全面考虑换道过程中的行驶安全性、超车高效性、以及乘坐舒适性，行驶安全性包括安全距离约束、防侧滑约束、横向位置约束，超车高效性包括换道时间约束，乘坐舒适性包括舒适性约束，在基于Sigmoid函数进行路径规划的基础上，考虑安全距离约束、防侧滑约束、横向位置约束、换道时间约束、舒适性约束，通过这些约束得到换道轨迹，保证换道的安全性、舒适性以及高效性。

具体的，无人驾驶车辆自动换道超车轨迹规划方法如图1所示，包括以下步骤：

1)通过车路通信(V2I)获取当前道路信息，当前道路信息包括当前道路的限速值、当前道路的最大减速度以及道路类型。

2)根据当前道路信息判断该道路是否允许超车，若允许超车，则进入步骤3)，若不允许超车，则跟车行驶。

3)通过车车通信(V2V)获取周围车辆的状态信息，并且采集本车的状态信息；状态信息包括车辆的位置和速度，车路通信和车车通信由DSRC设备(车载专用短程通信设备)按照预设工作方式实现，DSRC设备的感知距离一般为200米左右。

4)根据本车以及周围车辆的状态信息判断是否满足超车条件，若满足超车条件，则进入步骤5)，若不满足超车条件，则跟车行驶。

本步骤中，周围车辆包括前车、左前车、以及左后车，在得到本车和周围车辆的位置和速度后，计算出本车和左前车、左后车的相对距离，左前车、左后车的加速度等。

超车的可行性分析包括左后方有车、左前方无车；以及左后方无车、左前方有车的情况。

左后方有车、左前方无车时：

若左后车速度≤本车速度，且左后车与本车的纵向距离大于纵向距离阈值，则超车可行，否则不可超车；

左后方无车、左前方有车时：

若左前车速度按照道路限速值匀速行驶，则超车可行；

若左前车减速行驶，则不可超车；

若左前车速度按照小于道路限速值的速度匀速行驶时，计算换道完成时本车与左前车(换道完成时左前车实际变为本车的前方车辆)的相对距离，根据换道完成时本车与左前车的相对距离判断是否超车：若相对距离≥最小安全距离，则超车可行；若相对距离＜最小安全距离，则不可超车。

换道完成时本车与左前车的相对距离的计算公式如下：

其中，S′_ad为换道完成时本车与左前车的相对距离；S_ad为换道前本车与左前车的相对距离；T_C为换道时长；a_A为本车的加速度；V_a为本车的速度；V_d为左前车的速度。

最小安全距离的计算公式如下：

V_r＝V₁-V₂；

其中，S_min为最小安全距离；n为系数，取值1.5；V₁为制动前速度；V₂为制动后速度，取值为0；a′_max为车辆的最大制动减速度，一般取值-8m/s^2；V_b为前车的速度。

5)根据Sigmoid函数进行换道轨迹的规划，在换道轨迹的规划过程中实时监测前车是否有左转迹象(根据前车的指示灯判断是否有左转迹象)，若前车有左转迹象，则不换道，若前车没有左转迹象，则按照规划的换道轨迹进行换道，进而实现超车；Sigmoid函数中的参数通过超车高效性约束、乘坐舒适性约束、以及驾驶安全性约束计算得出。

换道轨迹如图2、图3所示符合Sigmoid函数，Sigmoid函数的公式为：

其中，y为车辆的横向位移；x为车辆的纵向位移；k₁为纵向比例增益，表示车辆安全行驶的最大纵向偏移，k₂为修正系数，取值为1.5；a为从原车道换至目标车道之间过渡轨迹中心的水平偏移量；b为从原车道换至目标车道之间过渡轨迹中心的陡度参数；c为车辆的横向偏移量，根据道路宽度设计其具体数值；V_x为本车的纵向速度；T_C为换道时长。

通过求解下列超车高效性约束、乘坐舒适性约束、以及驾驶安全性约束方程即可获得Sigmoid函数中的参数a，b，k₁的具体数值。驾驶安全性约束包括安全距离约束、防侧滑约束、以及横向位移约束，超车高效性约束包括换道时间约束，乘坐舒适性约束包括舒适性约束。

安全距离约束为：

其中，

B＝-1，

(x₁，y₁)为本车坐标系下前车的坐标位置，D为本车与前车的距离；L是考虑车身尺寸的安全距离。安全距离的约束为需要车辆之间保持安全间隔，使得行驶车辆有充足的反应时间。

防侧滑约束：

a_ymax＝0.67μg；

其中，d＝e^-a(x-b)，a_y为车辆横向加速度；V_x为本车的纵向速度；a_ymax为最大横向加速度；μ＝0.8为路面附着系数，g＝9.8为重力加速度。防侧滑约束为保证变道的横向速度、纵向速度、轮胎摩擦系数满足要求，本车轴距以及变道行驶轨迹要合理化。

横向位移约束：

其中，y_max为车辆的最大横向位移，y_max一般取两车道的宽度减去车身宽度；y为车辆的横向位移。横向位移约束为车道宽度、车身宽度与长度、和变道轨迹的偏航角度要满足要求。

换道时间约束：

3s＜＜T_C＜＜6s；

其中，T_C为换道时长；a_ymax为车辆的最大横向加速度；y为车辆的横向位移。换道时间约束为在保证安全的前提下，对换道整体过程进行合理的路径规划，尽可能的减少换道过程消耗的时间。

在换道过程中，换道时间过快会使其他障碍车辆来不及反应，容易发生事故；换道时间过慢又会导致长时间占用两个车道，使发生事故的概率变高，因此学者Corey Hill通过大量换道数据调查分析，发现车辆换道时间多集中在5s左右，且有研究表明，换道碰撞点时间设定为3s是最合适的，由于横向位移如图4a、图4b、图4c，最短的换道的横向位移为1.6m，最长的换道的横向位移为5.9m，中间的换道的横向位移为3.75m，单车道的宽度一般为3.75m，车身宽度一般为1.6m，因此可将换道阶段的换道时长的设定范围设定为3s＜＜T_C＜＜6s。

舒适性约束：

其中，ω为本车的横摆角速度；V_y为本车的横向速度；V_x本车的纵向速度；a_ymax为最大横向加速度。通过考虑自车横摆角速度与最大横向加速度表征换道过程中的乘坐舒适性。舒适性约束为保证车辆纵向与横向的平稳性，在变道过程中避免横向加速度过大。

设本车在V_x＝50km/h的工况下,对上述约束进行求解，即可得到任意两点之间光滑且可微的优化拟合函数,可将其作为一项平坦输出进行换道路径规划，得到如图5所示的车辆换道效果。

本发明基于V2I、V2X的通信技术得知车辆前方行驶环境中的交通信息，有利于使车辆适应多变的交通环境，并在超车轨迹规划的约束条件中构建安全距离约束、防侧滑约束、横向位置约束、换道时间约束和舒适性约束，实时动态更新最优换道轨迹，充分保证换道过程的安全性、高效性和舒适性。

Claims (9)

1.一种无人驾驶车辆自动换道超车轨迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取当前道路信息，当前道路信息包括当前道路的限速值、当前道路的最大减速度以及道路类型；

2)根据当前道路信息判断该道路是否允许超车，若允许超车，则进入步骤3)，若不允许超车，则跟车行驶；

3)获取本车以及周围车辆的状态信息，状态信息包括车辆的位置和速度；

4)根据本车以及周围车辆的状态信息判断是否满足超车条件，若满足超车条件，则进入步骤5)，若不满足超车条件，则跟车行驶；所述步骤4)中判断是否满足超车条件包括：

当左后方有车、左前方无车时：若左后车速度≤本车速度，且左后车与本车的纵向距离大于纵向距离阈值，则满足超车条件，否则不满足超车条件；

当左后方无车、左前方有车时：若左前车速度按照道路限速值匀速行驶，则满足超车条件；若左前车减速行驶，则不满足超车条件；若左前车速度按照小于道路限速值的速度匀速行驶时，计算换道完成时本车与左前车的相对距离，根据换道完成时本车与左前车的相对距离判断是否满足超车条件：若相对距离≥最小安全距离，则满足超车条件；若相对距离＜最小安全距离，则不满足超车条件；

5)根据Sigmoid函数进行换道轨迹的规划，按照规划的换道轨迹进行换道；Sigmoid函数中的参数通过超车高效性约束、乘坐舒适性约束、以及行驶安全性约束计算得出；所述行驶安全性约束包括安全距离约束、防侧滑约束、以及横向位移约束；所述超车高效性约束为换道时间约束，控制换道时长在设定范围内；乘坐舒适性约束为车辆的最大横向加速度小于横向加速度设定阈值。

2.根据权利要求1所述的无人驾驶车辆自动换道超车轨迹规划方法，其特征在于，换道完成时本车与左前车的相对距离为：

其中，S′_ad为换道完成时本车与左前车的相对距离；S_ad为换道前本车与左前车的相对距离；T_C为换道时长；a_A为本车的加速度；V_a为本车的速度；V_d为左前车的速度。

3.根据权利要求1所述的无人驾驶车辆自动换道超车轨迹规划方法，其特征在于，最小安全距离的计算过程为：

V_r＝V₁-V₂；

其中，S_min为最小安全距离；n为系数；V₁为本车制动前速度；V₂为本车制动后速度；a′_max为车辆的最大制动减速度，V_b为前车的速度。

4.根据权利要求1所述的无人驾驶车辆自动换道超车轨迹规划方法，其特征在于，Sigmoid函数为：

其中，y为车辆的横向位移；x为车辆的纵向位移；k₁为纵向比例增益；k₂为修正系数；a为从原车道换至目标车道之间过渡轨迹中心的水平偏移量；b为从原车道换至目标车道之间过渡轨迹中心的陡度参数；c为车辆的横向偏移量；V_x为本车的纵向速度；T_C为换道时长。

5.根据权利要求4所述的无人驾驶车辆自动换道超车轨迹规划方法，其特征在于，安全距离约束为：

其中，B＝-1，(x₁，y₁)为本车坐标系下前车的坐标位置，D为本车与前车的距离；L是安全距离。

6.根据权利要求4所述的无人驾驶车辆自动换道超车轨迹规划方法，其特征在于，防侧滑约束为：

a_ymax＝0.67μg；

其中，d＝e^-a(x-b)，a_y为车辆横向加速度；V_x为本车的纵向速度；a_ymax为最大横向加速度；μ为路面附着系数，g为重力加速度。

7.根据权利要求4所述的无人驾驶车辆自动换道超车轨迹规划方法，其特征在于，横向位移约束为：

其中，y_max为车辆的最大横向位移。

8.根据权利要求4所述的无人驾驶车辆自动换道超车轨迹规划方法，其特征在于，控制换道时长在设定范围内包括：3s＜＜T_C＜＜6s，T_C为换道时长。

9.根据权利要求4所述的无人驾驶车辆自动换道超车轨迹规划方法，其特征在于，乘坐舒适性约束为：

其中，ω为本车的横摆角速度；V_y为本车的横向速度；V_x本车的纵向速度；a_ymax为最大横向加速度；0.4g为横向加速度设定阈值。

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