CN114200917B - 一种车辆换道控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于智能车换道技术领域，具体涉及一种车辆换道控制方法及装置。该方法首先将自车前方设定范围内的每条预行驶道路划分为多个区域，每个区域为一个元胞，每个元胞内最多只有一个障碍物；然后根据障碍物信息，对每个元胞赋值；根据每个元胞的值和确定的每个元胞的权重，确定每条预行驶道路的元胞势场；最后根据各条预行驶道路的元胞势场，进行自车的换道控制。本发明将自车前方设定范围内的每条预行驶道路的障碍物情况考虑在内，依据整体交通流状况进行决策，以确定是否产生换道意图，即相邻车道在驾驶安全性、帮助稳定交通等方面是否优于当前车道，根据该结果进行换道控制可以减少不必要的换道，减少交通波动，保证自车的安全行驶。

Description

一种车辆换道控制方法及装置

技术领域

本发明属于智能车换道技术领域，具体涉及一种车辆换道控制方法及装置。

背景技术

自动驾驶车辆是通过车载传感系统感知道路环境后，自动规划行车路线并控制车辆达到预定目的地的智能化车辆。在车辆行驶过程中，车辆的换道行为是一种常见的驾驶行为，需要通过车载装置获得自车信息及外部环境信息，依据交通规则及任务要求，在安全和效率的双重约束下完成换道动作。如若换道不当，轻则造成一定的阻塞，影响道路交通流的稳定性，重则发生交通事故，造成不可预估的损失。因此对换道进行研究十分重要。

申请公布号为CN110723146A的中国发明专利公开了一种考虑驾驶利益增益的多车交互换道决策方法，该方法将元胞自动机应用于车辆换道决策上来，考虑当前车道的前车、当前车道的后车、目标车道的前车、以及目标车道的后车，根据这些车辆对自车的影响，来确定换道过程是否实施。但是，实际自车运行过程中，除了最近的障碍物外，其他障碍物乃至整个交通流状况均会对自车换道产生影响。在只考虑最近障碍物时，可能给出的判断结果为可以换道，但是实施换道后发现换道后的道路较为拥堵，在后续行驶过程中又需要重新换到最初的道路上，这将造成频繁换道，影响自车的驾驶安全。

发明内容

本发明提供了一种车辆换道控制方法及装置，用以解决只考虑最近障碍物时造成的频繁换道的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案包括：

本发明提供了一种车辆换道控制方法，包括如下步骤：

1)将自车前方设定范围内的每条预行驶道路划分为多个区域，每个区域为一个元胞，每个元胞内最多只有一个障碍物；

2)根据障碍物信息，对每个元胞赋值；所述障碍物信息包括障碍物位置；

3)根据每个元胞的值和确定的每个元胞的权重，确定每条预行驶道路的元胞势场；

4)根据各条预行驶道路的元胞势场，进行自车的换道控制。

上述技术方案的有益效果为：本发明将元胞自动机应用于车辆换道上，根据障碍物信息来为每个元胞赋值，结合每个元胞的权重便可计算得到每条预行驶道路的元胞势场，根据各条预行驶道路的元胞势场进行自车的换道控制。该方法将自车前方设定范围内的每条预行驶道路的障碍物情况考虑在内，依据整体交通流状况进行决策，以确定是否产生换道意图，即相邻车道在驾驶安全性、帮助稳定交通等方面是否优于当前车道，根据该结果进行换道控制可以减少不必要的换道，减少交通波动，保证自车的安全行驶。

进一步的，步骤3)中，为了体现出障碍物与自车之间距离的远近对自车的影响以更符合实际情况，根据障碍物与自车的距离来确定所述每个元胞的权重；且障碍物与自车的距离越近，障碍物所在元胞的权重越大。

进一步的，步骤2)中，为了区分元胞内是否有障碍物，当元胞内有障碍物时，该元胞赋的值为大于0的值，当元胞内无障碍物时，该元胞赋的值为0。

进一步的，为了体现出速度较快的车辆对自车的影响相对较小的情况，所述障碍物信息还包括障碍物速度；若障碍物速度小于速度阈值，则该障碍物所在元胞赋的值为大于0的值；若障碍物速度大于等于速度阈值，则位于该障碍物前方的某一区域的元胞赋的值为大于0的值。

进一步的，若障碍物速度大于等于速度阈值，则障碍物的速度越大，被赋值为大于0的值的元胞与该障碍物的距离越远。

进一步的，为了简单方便计算出元胞权重，元胞的权重为：

ω(i)＝aω(i+1)+b

其中，ω(i)为第i个元胞的权重，ω(i+1)为第i+1个元胞的权重，i＝1,2,…,M-1，M为元胞总个数，且定义距离自车最近的元胞为第1个元胞；a、b为常数，且a＞1，b＞0。

进一步的，预行驶道路的元胞势场为：

其中，U(X,σ)为预行驶道路的元胞势场；M为元胞总个数；J₀为σ(i)所代表的障碍物在吸引或排斥的情况下的相互作用强度；σ(i)为第i个元胞的值；ω(i)为第i个元胞的权重。

进一步的，为了将每条预行驶道路的元胞势场进行归一化处理以方便计算，还包括根据各条预行驶道路的元胞势场，确定每条预行驶道路的通过概率的步骤；所述预行驶道路的通过概率为：

P_pass＝exp(-U(X,σ))

其中，P_pass为预行驶道路的通过概率，U(X,σ)为预行驶道路的元胞势场。

进一步的，若相邻车道的通过概率与当前车道的通过概率的差值大于标定阈值，则自车产生换到相邻车道的换道意图，以进行自车的换道控制。

本发明还提供了一种车辆换道控制装置，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现上述介绍的车辆换道控制方法，并达到与该方法相同的效果。

附图说明

图1是本发明的车辆换道控制方法的流程图；

图2是本发明的元胞的权重的变化曲线图；

图3是本发明的车辆及元胞划分示意图；

图4是本发明的车辆换道控制装置的结构图。

具体实施方式

本发明将元胞自动机应用于车辆换道上来。元胞自动机是一种时间、空间、状态都离散，空间相互作用和时间因果关系为局部的网格动力学模型，具有模拟复杂系统时空演化过程的能力。

本发明的基本思路为：首先根据元胞自动机的思路把预行驶道路从空间上划分为多个区域，每个区域为一个元胞；然后根据障碍物的速度和障碍物的位置，为每个元胞赋值，并相应确定每个元胞的权重；接着根据每个元胞的值和权重，便可计算得到每条预行驶道路的元胞势场，进而得到每条预行驶道路的通过概率；最后比较每条预行驶道路的通过概率，确定自车的换道意图，以根据自车的换道意图进行车辆的换道控制。

下面结合附图和实施例，对本发明的一种车辆换道控制方法和一种车辆换道控制装置进行详细说明。

方法实施例：

本发明的一种车辆换道控制方法，其流程如图1所示，过程如下：

步骤一，根据元胞自动机处理思路，将自车前方设定范围内的每条预行驶道路从空间上划分M个区域，每个区域的大小相等，每个区域为一个元胞。定义一个一维元胞数组为L＝{1,2,…,M}，M＞1，每条预行驶道路的状态由函数σ:L×R⁺→{0,1}^M确定。

本实施例中，车辆不允许向后行驶，且任一时间内，一个障碍物只占允许占用一个元胞，也即一个元胞中最多只有一个障碍物。例如自车为车A，划分后的情况如图3所示。需说明的是，在确定障碍物属于哪个元胞时，是把障碍物当做一个点来看待，所以不存在一个障碍物占据两个元胞的情况。

步骤二，根据障碍物速度和障碍物位置，为每个元胞赋值(即元胞状态)。具体步骤为：

当障碍物速度v_obs小于速度阈值V0时，即v_obs＜V0，根据该障碍物的位置，按照如下公式为障碍物所在元胞赋值。对于任意t∈R⁺和i∈L，每个元胞的值如下：

当障碍物速度v_obs大于等于速度阈值V0时，即v_obs≥V0，设置该障碍物所在元胞的值为0，调整该障碍物前方某一区域的元胞的值为1。而且，如果障碍物速度越大，调整为1的元胞距离该障碍物所在元胞的距离越远。这是因为，如果障碍物的速度越大，则随着时间的推移，距离自车越来越远，对自车的影响也会越来越小，故相当于将该障碍物的位置往前推，将使该障碍物所在元胞的权重变小，以减少该障碍物对自车的影响。需说明的是，这里的前方是顺着自车行驶的方向。

例如，定义距离自车最近的元胞为第1个元胞，沿着距离自车越来越远的方向上依次为第2个元胞、第3个元胞，等等，设置速度阈值为50m/s。第1个元胞中的障碍物速度为20m/s，则第1个元胞的值为1；第2个元胞中没有障碍物，则第2个元胞的值为0；第3个元胞中的障碍物速度为60m/s，则设置第3个元胞的值为0，第4个元胞的值为1；第4个元胞中的障碍物速度为80m/s，本应设置第4个元胞的值为0，但由于第3个元胞中障碍物的影响，设置第4元胞的值为1，同时，设置第6个元胞的值为1；等等。

步骤三，根据障碍物与自车的距离，确定每个元胞的权重ω(i)。

由于自车所感受到来自前方障碍物对自身车辆影响的权重会根据距离的增大而减小，故设置权重函数如下：

ω(i)＝aω(i+1)+b (2)

其中，ω(i)为第i个元胞对自车相互作用势的权重，ω(i+1)为第i+1个元胞的权重，i＝1,2,…,M-1，M为元胞总个数，且定义距离自车最近的元胞为第1个元胞；a、b为常数，且a＞1，b＞0。

由递推关系可得第i个元胞的权重与第1个元胞的权重ω(1)的关系为：

根据式(3)可得，调节a、b、ω(1)的值可改变权重分配曲线线形。例如，设置a＝2、b＝0.025、ω(1)＝10时的权重分配曲线如图2所示。

步骤四，根据每个元胞的值和每个元胞的权重，根据式(3)，确定每条预行驶道路的元胞势场。

其中，U(σ)为预行驶道路的元胞势场；M为元胞总个数；J₀为σ(i)所代表的障碍物在吸引或排斥的情况下的相互作用强度；σ(i)为第i个元胞的值；ω(i)为第i个元胞的权重。

步骤五，考虑到道路上元胞势场越强，通过概率越低，所以用负指数函数处理可得到每条道路的通过概率P_pass，如式(4)所示。

由此便可得到相邻车道的通过概率P_pass1以及当前车道的通过概率P_pass2。

步骤六，计算两条车道的通过概率差ΔP＝P_pass1-P_pass2，当ΔP大于标定阈值a时，即ΔP＞a，则自车产生换道意图，说明相邻车道在驾驶安全性、帮助稳定交通等方面是否优于当前车道，该结果可作为是否进行换道的一项参考项，根据该结果可有助于确定是否进行换道、以及如何生成换道路径等，进行车辆的换道控制。其中，标定阈值a根据实车换道距离标定得到。

本发明将元胞自动机模型应用于车辆的换道意图确定上来，自车根据自车前方的整体交通流情况(即障碍物情况)确定每条预行驶道路的通过概率，根据通过概率的高低来确定是否产生换道意图，以进行车辆的换道控制，减少不必要的换道。

在本实施例的步骤二中，结合障碍物速度和障碍物位置两种信息来确定如何给元胞赋值，在障碍物速度较大时，将位于障碍物前方某一区域的元胞的值调整为1。作为其他实施方式，可只根据障碍物位置来给元胞赋值，即该元胞中有障碍物，则赋该元胞的值为1，该元胞中无障碍物，则赋该元胞的值为0。

在本实施例的步骤二中，赋元胞的值为0或1，也就是说，元胞的值只有0和1两种情况，这种设置方式是为了方便计算。作为其他实施方式，可根据车辆车速调整元胞的值，车速越小，对自车的影响越大，元胞的值越大。例如，元胞速度分别在[0,30m/s]、[30m/s,60m/s]、[60m/s,90m/s]、[90m/s,120m/s]、[120m/s,∞]情况下，对应赋元胞的值为2、1.6、0.8、0.4。这种方式将障碍物速度对自车的影响进行量化，更加突出了每个障碍物对自车产生的不同的影响。

在本实施例的步骤三中，各元胞的权重按照(2)的关系式确定。作为其他实施方式，可采用其他方式确定，但是需体现出障碍物与自车距离越近，障碍物所在元胞的权重越大。例如，ω(i)＝aω²(i+1)+b。

在本实施例的步骤三和步骤四中，在各个元胞的权重大小不一样的情况，对应的预行驶道路的元胞势场如式(4)所示。作为其他实施方式，可不考虑权重值，即权重值设置为一样，例如均设置为1的情况下，对应的预行驶道路的元胞势场如式(6)所示。

在本实施例的步骤五和步骤六中，在得到预行驶道路的元胞势场后，又将其进行了归一化处理，以得到每条预行驶道路的通过概率，通过比较通过概率来判断是否产生换道意图，以进行换道控制。作为其他实施方式，在得到预行驶道路的元胞势场后，可直接比较预行驶道路的元胞势场来判断是否产生换道意图，以进行换道控制。

装置实施例：

该实施例提供了一种车辆换道控制装置，如图4所示，包括存储器、处理器和内部总线，处理器、存储器之间通过内部总线完成相互间的通信。

处理器可以为微处理器MCU、可编程逻辑器件FPGA等处理装置。

存储器可为利用电能方式存储信息的各式存储器，RAM、ROM等；利用磁能方式存储信息的各式存储器，例如硬盘、软盘、磁带、磁芯存储器、磁泡存储器、U盘等；利用光学方式存储信息的各式存储器，例如CD、DVD等。当然，还有其他方式的存储器，例如量子存储器、石墨烯存储器等。

处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以实现一种车辆换道控制方法。在方法实施例中对该方法做了详细介绍。

Claims (10)

1.一种车辆换道控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将自车前方设定范围内的每条预行驶道路划分为多个区域，每个区域为一个元胞，每个元胞内最多只有一个障碍物；

2)根据障碍物信息，对每个元胞赋值；所述障碍物信息包括障碍物位置和障碍物速度；

3)根据每个元胞的值和确定的每个元胞的权重，确定每条预行驶道路的元胞势场；其中，若障碍物速度大于等于速度阈值，则位于该障碍物前方的某一区域的元胞赋的值为大于0的值；

4)根据各条预行驶道路的元胞势场，进行自车的换道控制。

2.根据权利要求1所述的车辆换道控制方法，其特征在于，步骤3)中，根据障碍物与自车的距离来确定所述每个元胞的权重；且障碍物与自车的距离越近，障碍物所在元胞的权重越大。

3.根据权利要求1所述的车辆换道控制方法，其特征在于，步骤2)中，当元胞内有障碍物时，该元胞赋的值为大于0的值，当元胞内无障碍物时，该元胞赋的值为0。

4.根据权利要求1所述的车辆换道控制方法，其特征在于，若障碍物速度小于速度阈值，则该障碍物所在元胞赋的值为大于0的值。

5.根据权利要求1所述的车辆换道控制方法，其特征在于，若障碍物速度大于等于速度阈值，则障碍物的速度越大，被赋值为大于0的值的元胞与该障碍物的距离越远。

6.根据权利要求1所述的车辆换道控制方法，其特征在于，元胞的权重为：

ω(i)＝aω(i+1)+b

其中，ω(i)为第i个元胞的权重，ω(i+1)为第i+1个元胞的权重，i＝1,2,…,M-1，M为元胞总个数，且定义距离自车最近的元胞为第1个元胞；a、b为常数，且a＞1，b＞0。

7.根据权利要求1～6任一项所述的车辆换道控制方法，其特征在于，预行驶道路的元胞势场为：

其中，U(X,σ)为预行驶道路的元胞势场；M为元胞总个数；J₀为σ(i)所代表的障碍物在吸引或排斥的情况下的相互作用强度；σ(i)为第i个元胞的值；ω(i)为第i个元胞的权重。

8.根据权利要求1所述的车辆换道控制方法，其特征在于，还包括根据各条预行驶道路的元胞势场，确定每条预行驶道路的通过概率的步骤；所述预行驶道路的通过概率为：

P_pass＝exp(-U(X,σ))

其中，P_pass为预行驶道路的通过概率，U(X,σ)为预行驶道路的元胞势场。

9.根据权利要求8所述的车辆换道控制方法，其特征在于，若相邻车道的通过概率与当前车道的通过概率的差值大于标定阈值，则自车产生换到相邻车道的换道意图，以进行自车的换道控制。

10.一种车辆换道控制装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现如权利要求1～9任一项所述的车辆换道控制方法。