CN114355896A - 一种智能网联队列内车辆换道安全间距确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能网联队列内车辆换道安全间距确定方法，包括：分别计算队列内换道车辆和其前方车辆的等效质量；分别将两车辆进行坐标转换；分别计算两车辆的虚拟距离，分别计算队列内两车辆的引力和斥力势场、合力势场；获得换道车辆和其前方车辆在跟车状态下的期望车头时距，对待定参数进行标定；绘制势能图并设定阈值，寻找阈值等势面的内圆相切处计算换道车辆和其前方车辆之间的最小间距，并寻找阈值等势面的外圆相切处，计算最大间距，确定出队列内换道车辆换道所需维持的安全间距区间。本发明实现了智能网联队列内车辆换道的安全间距确定，在保证安全的同时兼顾队列整体性，为智能网联队列各车辆实现安全、稳定地换道提供技术支撑。

Description

一种智能网联队列内车辆换道安全间距确定方法

技术领域

本发明涉及一种智能网联队列内车辆换道安全间距确定方法，属于智能网联汽车的技术领域。

背景技术

随着愈加增强的运力需求，近年来高速公路上的货车交通事故频发，统计结果表明，因违规更换车道导致的交通事故占比13％，未保持安全间距导致事故发生占比30.63％。智能网联技术的发展提供了新的契机，货车通过车间通信和协同实现网联队列行驶，可以有效减少交通事故的发生，同时，队列行驶能在保证安全的前提下减少车辆之间的间距，提高了高速公路交通的通行效率。在队列在高速公路行驶过程中，尤其在高速公路合流区，队列如何实现队列换道是一项重要任务，其中队列换道是队列车辆间的间距选择是重中之重。

近年来，车辆换道逐渐成为国内外交通领域研究的热点，换道间距是换道条件中非常重要的一项指标，换道间距指换道过程中当车辆之间的间距一直维持在换道间距要求下，便不会发生车辆碰撞。这一指标一定程度上反应了车辆的当前车速和位置与交通安全之间的关系，因此如何确定高速公路上行驶的队列换道间距数值是一个值得深入探索的问题。然而传统的安全间距为一个定值，当车辆间距超过这个定值即为安全，一个定值很难满足不同运动状态的车辆安全换道。也有一些学者在此基础上进行了拓展，加入了车辆的速度对换道间距的影响，缺乏对车辆加速度、车长及车辆吨位的考虑。明显地，当队列内的卡车和队列内的小汽车采用同样的速度匀速进行换道时，两者所需要的换道间距存在明显区别。同样的，同车辆在不同加速度状态下需要的换道间距也存在明显差别。另外，单一的换道间距要求与队列换道过程中的实际情况不符，车辆间距超过话换道间距要求固然安全，但是一味间距的增加会导致车辆间间距过大，易出现不稳定并发生队列解散。因此，如何动态的确定队列车辆在换道期间的间距区间是需要解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种智能网联队列内车辆换道安全间距确定方法，考虑了车速、加速度、车长及吨位影响下的队列换道动态间距，并考虑了队列整体性带来的对车辆最大间距的约束，结合车辆间不发生碰撞的最小间距，将队列内车辆换道所需要满足的间距要求设计为存在上界和下界、并且随车辆运动状态改变的动态换道间距，实现了动态的智能网联队列内车辆换道的安全间距确定。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种智能网联队列内车辆换道安全间距确定方法，包括如下步骤：

(1)根据车辆的运动状态，分别计算队列内换道车辆和其前方车辆的等效质量；

(2)将所述队列内换道车辆和其前方车辆在原始坐标体系的空间内点分别根据转角关系进行坐标转移，得到各自更新坐标体系下的车辆位置坐标；

(3)分别根据各自更新坐标体系下的车辆位置坐标、队列内车辆的速度和势场强度的关系，分别计算队列内换道车辆和其前方车辆两车辆的虚拟距离；

(4)基于计算出的队列内换道车辆和其前方车辆两车辆的虚拟距离，根据队列的整体性要求，模拟两辆车辆之间存在引力，分别计算队列内换道车辆和其前方车辆的引力势场；

(5)基于计算出的队列内换道车辆和其前方车辆两车辆的虚拟距离，根据车辆行驶时的安全间距需求，模拟两辆车辆之间存在斥力，分别计算队列内换道车辆和其前方车辆的斥力势场；

(6)由两车辆之间的间距由斥力和引力共同作用而成，因此根据计算出的队列内换道车辆的引力势场和斥力势场计算得到换道车辆的合力势场，及根据计算出的队列内换道车辆的前方车辆的引力势场和斥力势场，计算得到该前方车辆的合力势场；

(7)获得队列中跟车状态下的期望车头时距，对换道车辆或其前方车辆的合力势场中的待定参数进行标定；

(8)基于换道车辆和其前方车辆的合力势场，绘制势能图并根据设定的阈值，寻找换道车辆的阈值等势面与其前方车辆的阈值等势面的内圆相切处，即队列内换道车辆和其前方车辆之间的最小间距，并计算该最小间距；

(9)寻找换道车辆的阈值等势面与其前方车辆的阈值等势面的外圆相切处，即队列内换道车辆和其前方车辆之间的最大间距，并计算该最大间距；

(10)基于计算出的队列内换道车辆和其前方车辆之间的最小间距和最大间距，确定出队列内换道车辆换道所需维持的安全间距区间。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤(1)中计算队列内车辆的等效质量，采用公式：

M_i＝m_i(1.566×10^-14v_i ^6.687+0.3345)

其中，M_i为队列内车辆i的等效质量，m_i为队列内车辆i的实际质量，v_i为队列内车辆i当前的速度。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤(3)中计算队列内车辆的虚拟距离，采用公式：

其中，k′为队列内车辆i的虚拟距离，(x^*，y^*)为队列内车辆i在更新后的坐标体系下的空间内某点坐标，(x_i，y_i)为队列内车辆i在原始坐标体系下的坐标，v_i为队列内车辆i当前的速度，α和τ为与速度和车道宽度相关的常数。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤(4)中计算队列内车辆的引力势场，采用公式：

其中，E_gi为队列内车辆i的引力势场，M_i为队列内车辆i的等效质量，k′为队列内车辆i当前的速度vi和势场强度之间的虚拟距离，

为任意位置到队列内车辆质心的连线与运动方向的顺时针夹角，a_i为队列内车辆i的加速度，γ为与虚拟距离k′相关的待定参数，β为与顺时针夹角相关的常数，

是虚拟距离的方向单位向量。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤(5)中计算队列内车辆的斥力势场，具采用公式：

其中，E_ri为队列内车辆i的斥力势场，M_i为队列内车辆i的等效质量，k′为队列内车辆i当前的速度v_i和势场强度之间关系的虚拟距离，a_i为队列内车辆i的加速度，

为任意位置到该车辆质心的连线与运动方向的顺时针夹角，λ和β分别为与等效质量和顺时针夹角相关的常数，

是虚拟距离的方向单位向量。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤(6)中计算队列内车辆的合力势场，具体为：

其中，E_vi为队列内车辆i的合力势场，E_ri为队列内车辆i的排斥势场，E_gi为队列内车辆i的引力势场，c为与刻度校正相关的常数，k′为队列内车辆i的虚拟距离，

是虚拟距离的方向单位向量。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤(7)中对队列内换道车辆或其前方车辆的合力势场中的待定参数进行标定，包括步骤：

在获取的换道车辆和其前方车辆在跟车状态下的期望车头时距T的基础上，对与队列内车辆i的虚拟距离k′相关的待定参数γ进行标定如下：

D＝v_e·T

其中，D是换道开始时的最佳车头间距，v_e是换道车辆当前的速度；

在队列势能场图中，当换道车辆的阈值等势面与其前方车辆的阈值等势面相切时，两个车辆之间的间距是物理意义上的最佳车头间距，因此最佳车头间距定义为：

D＝k_e+k_f

其中，k_e为最佳车头间距下换道车辆前进方向上等势面相切位置到换道车辆质心之间的距离，k_f为最佳车头间距下前方车辆前进方向的反方向上等势面相切位置到前方车辆质心之间的距离；

由最佳车头间距下等势面相切位置为势能取值的最低点，因此对等势面求导并令其为0，最终得的k_e和k_f的计算公式如下：

式子中，v_e和v_f为队列内换道车辆和其前方车辆的速度，a_e和a_f是换道车辆和其前方车辆的加速度；λ和β分别为与等效质量和顺时针夹角相关的常数；α和τ是与速度和车道宽度相关的常数；

通过联立上述两个最佳车头间距D的方程，并求解得到γ的取值公式如下：

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤(8)中计算队列内换道车辆和其前方车辆之间的最小间距，采用公式：

其中，D_min为队列内换道车辆和其前方车辆之间的最小间距，L_e和L_f分别为换道车辆和其前方车辆的车辆长度；

为两车车辆质心之间的最小纵向距离，

为

和

之和，

和

分别表示在临界势场值下从切点到换道车辆和切点到前方车辆质心的距离；M_e和M_f分别为换道车辆和其前方车辆的等效质量，E_ve和E_vf为换道车辆和其前方车辆的合力势场；θ_e为换道车辆在换道过程中的转向角。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤(9)中计算队列内换道车辆和其前方车辆之间的最大间距，采用公式：

其中，D_min为队列内换道车辆和其前方车辆之间的最大间距，L_e和L_f分别为换道车辆和其前方车辆的车辆长度，

为两辆车辆质心之间的最大纵向距离，

为

和

的和，

和

分别为在临界势场值下从切点到换道车辆和切点到前方车辆质心的距离；M_e和M_f分别为换道车辆和其前方车辆的等效质量，E_ve和E_vf为换道车辆和前方车辆的合力势场；θ_e为换道车辆在换道过程中的转向角。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤(10)中确定出队列内换道车辆换道所需维持的安全间距区间为：

D_min≤D_H≤D_max

其中，D_H为队列内换道车辆和其前方车辆两车车头间距；D_min为队列内换道车辆和其前方车辆之间的最小间距；D_max为队列内换道车辆和其前方车辆之间的最大间距。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明的方法，结合智能网联队列实际情况，在构建队列内换道车辆和其前方车辆的引力势场和斥力势场基础上搭建了各自的合力势场，其中计算运动车辆的等效质量和虚拟距离以表征车辆运动状态与势场之间的联系，并通过数理推导获得待定参数取值和临界间距值，从而获得随队列运动状态时变的车辆换道安全间距区间。

与现有技术相比，本发明考虑了车速、加速度、车长及吨位对队列换道安全间距的影响，使得同车辆在不同加速度状态下需要的换道安全间距也存在差别。以及，本发明考虑了队列整体性带来的对安全间距的约束，即最大间距，结合车辆间不发生碰撞的间距，即最小间距，将队列内车辆换道所需要满足的间距要求设计为存在上界和下界、并且随车辆运动状态改变的动态换道间距，有效避免了换道时车辆间间距过大出现的不稳定并发生队列解散的问题。

因此，本发明的方法实现了智能网联队列内车辆换道的安全间距区间确定，在保证安全的同时兼顾队列整体性，为智能网联队列各车辆实现安全、稳定地换道提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为本发明实施例中高速公路上某路段队列内车辆换道场景图。

图3为本发明实施例中队列内部车辆换道最小间距的示意图。

图4为本发明实施例中队列内部车辆换道最大间距的示意图。

图5为本发明实施例中换道车辆车速-间距区间关系图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本发明涉及一种智能网联队列内车辆换道安全间距确定方法，该方法主要包括如下步骤：

(1)根据车辆的运动状态，分别计算队列内换道车辆和其前方一车辆的等效质量，所

述换道车辆或其前方的一车辆的等效质量计算均可采用公式如下：

M_i＝m_i(1.566×10^-14v_i ^6.687+0.3345) (1)

式中，M_i是队列内车辆i的等效质量，用于表征车辆质量及其运动状态对势场的影响；m_i是该车辆i的实际质量，v_i是该车辆i当前的速度。此处，车辆i即可为换道车辆，也可以为换道车辆前方的一车辆，由此分别计算得到换道车辆的等效质量M_e和其前方一车辆的等效质量M_f。

(2)分别更新队列内换道车辆和其前方一车辆的坐标，具体更新方法如下：

随着车辆在行驶过程中转向角的变化，将队列内车辆i在原始坐标体系的空间内点(x，y)根据转角关系进行坐标转移，得到车辆i在更新坐标体系下的车辆位置坐标(x^*，y^*)，坐标转换公式如下：

式中，θ是队列内列车辆i的运动转向角，(x，y)是该队列内车辆i初始位置体系下的空间内点坐标。

由此，根据上述公式(2)，可分别得到换道车辆在更新坐标体系下的车辆位置坐标和前方车辆在更新坐标体系下的车辆位置坐标。

(3)根据车辆i在更新坐标体系下的车辆位置坐标、队列内车辆i的速度和势场强度的关系，分别计算队列内换道车辆和其前方车辆的虚拟距离；

虚拟距离k′用于描述车辆的速度v_i和势场强度之间关系，其公式如下：

式中，(x^*，y^*)是车辆i更新后的坐标体系下的空间内某点坐标，(x_i，y_i)是队列内车辆i在同坐标体系下的坐标位置，v_i是队列内该车辆i当前的速度，α和τ是与速度和车道宽度相关的常数，这里α取值0.074，τ取值2.699。

由此，通过公式(3)，分别计算得到换道车辆的虚拟距离和其前方一车辆的虚拟距离。

(4)队列内部车辆之间的间距相较于普通车辆之间的间距更小，因此基于计算出的队列内换道车辆和其前方车辆两车辆的虚拟距离，根据队列的整体性要求，模拟换道车辆和其前方同队列车辆之间存在引力，建立引力势场模型，对队列内换道车辆和其前方车辆两车辆分别计算引力势场；

所述引力势场模型的计算公式如下：

式中，E_gi是队列内车辆i的引力势场，M_i是队列内车辆i在自身质量和运动速度基础上的等效质量，k′是队列内车辆i当前的速度v_i和势场强度之间的虚拟距离，

表示任意位置到队列车辆质心的连线与运动方向的顺时针夹角，a_i表示队列内车辆i的加速度，γ表示与虚拟距离k′相关的待定参数，β表示与顺时针夹角相关的常数，这里β取值0.233，

是虚拟距离的方向单位向量。

由此，根据上述公式(4)分别计算得到队列内换道车辆的引力势场，和其前方车辆的引力势场。

(5)队列内部车辆之间为了保持安全，需要维持安全间距，因此根据车辆行驶时的安全间距需求，模拟换道车辆和其前方车辆之间存在斥力，建立斥力势场模型，对队列内换道车辆和其前方车辆两车辆分别计算斥力势场；

所述斥力势场模型的计算公式如下：

式中，E_ri是队列内车辆i的斥力势场，M_i是队列内车辆i在自身质量和运动速度基础上的等效质量，k′是指队列内车辆i当前的速度v_i和势场强度之间关系的虚拟距离，a_i是队列内车辆i的加速度，以及

是任意位置到该车辆质心的连线与运动方向的顺时针夹角，λ和β分别是与等效质量和顺时针夹角相关的常数，这里λ取值0.061，β与上一步骤一致取值0.233，

是虚拟距离的方向单位向量。

(6)由队列车辆之间的间距由斥力和引力共同作用而成，因此在计算的队列车辆的引力势场和斥力势场基础上，构建队列内车辆的合力势场模型，对队列内换道车辆和其前方车辆分别计算合力势场；

所述合力势场模型的计算公式如下：

式中，E_vi表示队列内车辆i的合力势场，E_ri表示队列内车辆i的排斥势场，E_gi表示队列内车辆i的引力势场，c表示与刻度校正相关的常数，这里c取值0.200，

是虚拟距离的方向单位向量。

由此，可以根据上述模型公式，得到队列内换道车辆的合力势场E_ve和其前方车辆的合力势场E_vf。

(7)获得队列换道车辆和其前方车辆在跟车状态下的期望车头时距，对步骤(6)构建的队列内换道车辆或其前方车辆的合力势场模型中的待定参数进行标定，具体如下：

车辆换道和跟车存在本质区别，但换道开始和结束时的临界状态是跟车状态，因此，CAV_s车辆跟驰中所需的时间间隔可用于校准换道开始时的最佳车头间距。但是，由于车辆在换道过程中倾斜移动，很难保持固定距离，所以不能使用车头公式计算固定距离，并且两辆车之间的距离将在最佳车头间距上下波动，并形成一个距离区间。在这方面进行了一些研究，选取自动驾驶队列跟车状态下的期望车头时距。在期望车头时距基础上进行γ标定如下：

D＝v_e·T (7)

式子中，D是换道开始时的最佳车头间距，v_e是换道车辆当前的速度，T是期望车头时距。经查阅文献，这里期望车头时距取值1.4s。

在队列势能场图中，当换道车辆的阈值等势面与前方同队列车辆的阈值等势面相切时，两个车辆之间的间距是物理意义上的最佳车头间距，因此最佳车头间距定义为方程(8)：

D＝k_e+k_f (8)

式子中，D是最佳车头间距，k_e为最佳车头间距下换道车辆前进方向上等势面相切位置到换道车辆质心之间的距离，k_f为最佳车头间距下前方车辆前进方向的反方向上等势面相切位置到前方车辆质心之间的距离。最佳车头间距下等势面相切位置为势能取值的最低点，因此对等势面求导并令其为0，具体推导如下：

由于选取自动驾驶队列中车辆跟驰的期望车头时距进行标定，车辆跟驰下水平行驶，所以y^*＝y_i，

则：

对其关于k′求导得：

令E′_vi＝0得，

由联立公式(11)和公式(13)得到：

得到k_e和k_f的公式如下：

式子中，v_e和v_f是换道车辆和该车前方车辆的速度，a_e和a_f是换道车辆和该车前方车辆的加速度。

通过联立方程(7)和(8)，则有：

得到：

求解得到γ的取值公式如下：

由此，根据上述公式可以对队列车辆合力势场中的待定参数，最佳车头间距的物理意义为换道车辆和前方车辆的合力势场极值相切时两车之间的间距，换道车辆的合力势场极值到换道车辆质心距离由在车辆行驶方向上对其场值求导获得，前方车辆的合力势场极值点到前方车辆质心距离由在前方车辆行驶反方向上对其场值求导获得，由此实现合力势场模型中待定参数γ的标定。

(8)基于计算的换道车辆和其前方车辆的合力势场，通过绘制势能图并设定阈值，寻找换道车辆的阈值等势面与前方车辆的阈值等势面的内圆相切处，即队列内换道车辆和前方车辆之间的最小间距，即队列内两辆在车辆安全换道条件下的最小间距，并计算该最小间距，具体如下：

参数标定完成后，绘制势能图，并设定阈值，这里取阈值为2，队列内换道车辆的阈值等势面与其前方车辆的阈值等势面的内圆相切，可以理解，为了确保换道车辆在换道期间和之后避免与前车碰撞，换道车辆和前方车辆之间的最小间距应大于D_min。其公式如下：

式中，D_min为队列内换道车辆和其前方车辆之间的最小间距，M_e和M_f分别为队列内换道车辆和其前方车辆的等效质量，θ_e为换道车辆在换道过程中的转向角；E_ve和E_vf为换道车辆和其前方车辆的合力势场，这里取场阈值2，L_e和L_f分别是换道车辆和其前方车辆的车辆长度；

是两车车辆质心之间的最小纵向距离，

是

和

之和，

和

分别表示在临界势场值下，从切点到换道车辆和切点到前方车辆质心的距离，它们可由合力势场方程(6)推导得出方程(21)和(22)。

(9)在上一步骤基础上寻找换道车辆的阈值等势面与其前方车辆的阈值等势面的外圆相切处，即队列内换道车辆和其前方车辆之间的最大间距，也就是队列换道整体性不变条件下的最大间距，并计算该最大间距；

所述阈值等势面的外圆彼此相切，可以理解，为了确保两辆车之间的距离不会太大，这将影响队列的整体结构和稳定性，在换道过程中，换道车辆和其前方车辆之间的最大间距应小于D_max；如下公式所示：

式中，D_max为队列内换道车辆和其前方车辆之间的最大间距，M_e和M_f分别为队列内换道车辆和其前方车辆的等效质量，θ_e为换道车辆在换道过程中的转向角；E_ve和E_vf为换道车辆和其前方车辆的合力势场，这里取场阈值2，L_e和L_f分别是换道车辆和前方同队列车辆的车辆长度，

是两辆车辆质心之间的最大纵向距离，

是

和

的和，

和

分别表示在临界势场值下，从切点到换道车辆和切点到前方车辆质心的距离。它们由合力势场方程(6)推导得出方程(25)和(26)。

(10)基于计算得到队列内换道车辆和其前方车辆之间的最小间距和最大间距，确定出队列内换道车辆换道所需维持的安全间距区间，具体如下：

当变换车道时，队列内换道车辆可能与目标车道上的前方同队列车辆发生碰撞。根据两辆车的不同运动状态，其中两辆车在换道场景中的势能场分布有两种关键情况。当换道车辆和其前方车辆两辆车的场值分布的内圈彼此相切，展现两车之间需要保持的最小间距，而当场值分布的外圈彼此相切，展现了两车之间需要保持的最大间距。

在换道过程中，假设周围车辆的运动状态保持不变。这可以用以下公式表示：

无论换道车辆处于何种运动状态，在换道的过程中，两车车头间距D_H应大于等于最小间距D_min，并大于等于最大间距D_max，即：

D_min≤D_H≤D_max (27)

如果D_H＜D_min，这意味着两车间隔间距小于最小间距；因此，换道车辆将调整其移动状态或等待下一个符合的换道间距。如果D_H＞D_max，这意味着当前距离大于最大间距，并且将调整运动状态以缩短两辆车之间的距离。

因此，本发明方法考虑了队列整体性带来的对车辆最大间距的约束，结合车辆间不发生碰撞的最小间距，将队列内车辆换道所需要满足的间距要求设计为存在上界和下界、并且随车辆运动状态改变的动态换道间距，实现了智能网联队列内车辆在换道时的安全间距区间的确定。

为了验证本发明方法能够有效实现智能网联队列内车辆换道的安全间距区间的确定，下面列举一个实施例进行验证说明。

如图2所示，为本发明实施例中高速公路上某路段有队列车辆正在进行换道任务，白色车辆为队列车辆，灰色车辆为非队列车辆，其中队列内车辆④已换道完成，以20m/s的速度和2m/s²的加速度向前行驶，后续队列跟车车辆③在④换道完成后开始以20m/s的速度进行匀速换道，根据本发明的方法，执行需要保持的换道车辆间距区间确定步骤具体如下：

(1)根据车辆的运动状态，分别计算换道车辆③和其前方车辆④的等效质量，换道车辆③和其前方车辆④的实际重量选均为1000kg，计算得到两者的等效质量均为334.51。

(2)将换道车辆③和其前方车辆④根据其前进转角对原始坐标体系进行坐标转移，分别实现坐标体系更新。

(3)根据车辆速度和势场强度的关系，分别计算队列内换道车辆③和其前方车辆④的虚拟距离。

(4)考虑队列内车辆间存在引力，分别计算队列内换道车辆③和其前方车辆④的引力势场。

(5)考虑队列内车辆之间存在斥力，分别计算队列内换道车辆③和其前方车辆④的斥力势场。

(6)结合引力势能和斥力势能的公式，分别计算队列内换道车辆③和其前方车辆④的合力势场。

(7)根据文献资料获得跟车状态下的期望车头时距为1.4s，进行步骤(6)中合力势场的待定参数的标定得到γ为0.000401853。

(8)参数标定后，基于计算出的队列内换道车辆③和其前方车辆④的两个合力势场，绘制势能图并设定阈值，寻找换道车辆阈值等势面和前方车辆阈值等势面的内圆相切处，即队列内换道车辆和其前方车辆之间的最小间距，如图3所示，并计算得到最小间距为7.62m。

(9)在上一步骤基础上寻找换道车辆阈值等势面和前方车辆阈值等势面的外圆相切处，即队列内换道车辆和其前方车辆之间的最大间距，如图4所示，并得到最大间距为28.09m。

(10)基于计算出的换道车辆和其前方车辆之间的最小间距和最大间距，可以确定当队列内的换道车辆③以20m/s的速度匀速换道时，所需维持的安全间距区间为[7.62，28.09]m，同时，给出了该换道车辆③在不同速度下的间距计算结果，如图5所示，随着换道车辆速度的下降，最大间距和最小间距都会减少，并且之间的安全间距区间也逐渐变小；反之在同环境下，换道车辆速度提升时，最大间距、最小间距和之间的安全间距区间都随之增大，该具体数值可为智能网联队列车辆的速度决策更改提供参考依据。

综上，本发明方法，实现了智能网联队列内车辆换道的安全间距确定，在保证安全的同时兼顾队列整体性，为智能网联队列各车辆实现安全、稳定地换道提供技术支撑。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (10)

1.一种智能网联队列内车辆换道安全间距确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据车辆的运动状态，分别计算队列内换道车辆和其前方车辆的等效质量；

(2)将所述队列内换道车辆和其前方车辆在原始坐标体系的空间内点分别根据转角关系进行坐标转移，得到各自更新坐标体系下的车辆位置坐标；

(3)分别根据各自更新坐标体系下的车辆位置坐标、队列内车辆的速度和势场强度的关系，分别计算队列内换道车辆和其前方车辆两车辆的虚拟距离；

(4)基于计算出的队列内换道车辆和其前方车辆两车辆的虚拟距离，根据队列的整体性要求，模拟两辆车辆之间存在引力，分别计算队列内换道车辆和其前方车辆的引力势场；

(5)基于计算出的队列内换道车辆和其前方车辆两车辆的虚拟距离，根据车辆行驶时的安全间距需求，模拟两辆车辆之间存在斥力，分别计算队列内换道车辆和其前方车辆的斥力势场；

(6)由两车辆之间的间距由斥力和引力共同作用而成，因此根据计算出的队列内换道车辆的引力势场和斥力势场计算得到换道车辆的合力势场，及根据计算出的队列内换道车辆的前方车辆的引力势场和斥力势场，计算得到该前方车辆的合力势场；

(7)获得队列中跟车状态下的期望车头时距，对换道车辆或其前方车辆的合力势场中的待定参数进行标定；

(8)基于换道车辆和其前方车辆的合力势场，绘制势能图并根据设定的阈值，寻找换道车辆的阈值等势面与其前方车辆的阈值等势面的内圆相切处，即队列内换道车辆和其前方车辆之间的最小间距，并计算该最小间距；

(9)寻找换道车辆的阈值等势面与其前方车辆的阈值等势面的外圆相切处，即队列内换道车辆和其前方车辆之间的最大间距，并计算该最大间距；

(10)基于计算出的队列内换道车辆和其前方车辆之间的最小间距和最大间距，确定出队列内换道车辆换道所需维持的安全间距区间。

2.根据权利要求1所述智能网联队列内车辆换道安全间距确定方法，其特征在于，所述步骤(1)中计算队列内车辆的等效质量，采用公式：

M_i＝m_i(1.566×10^-14v_i ^6.687+0.3345)

其中，M_i为队列内车辆i的等效质量，m_i为队列内车辆i的实际质量，v_i为队列内车辆i当前的速度。

3.根据权利要求1所述智能网联队列内车辆换道安全间距确定方法，其特征在于，所述步骤(3)中计算队列内车辆的虚拟距离，采用公式：

其中，k′为队列内车辆i的虚拟距离，(x^*，y^*)为队列内车辆i在更新后的坐标体系下的空间内某点坐标，(x_i，y_i)为队列内车辆i在原始坐标体系下的坐标，v_i为队列内车辆i当前的速度，α和τ为与速度和车道宽度相关的常数。

4.根据权利要求1所述智能网联队列内车辆换道安全间距确定方法，其特征在于，所述步骤(4)中计算队列内车辆的引力势场，采用公式：

其中，E_gi为队列内车辆i的引力势场，M_i为队列内车辆i的等效质量，k′为队列内车辆i当前的速度v_i和势场强度之间的虚拟距离，

为任意位置到该车辆质心的连线与运动方向的顺时针夹角，a_i为队列内车辆i的加速度，γ为与虚拟距离k′相关的待定参数，β为与顺时针夹角相关的常数，

是虚拟距离的方向单位向量。

5.根据权利要求1所述智能网联队列内车辆换道安全间距确定方法，其特征在于，所述步骤(5)中计算队列内车辆的斥力势场，采用公式：

其中，E_ri为队列内车辆i的斥力势场，M_i为队列内车辆i的等效质量，k′为队列内车辆i当前的速度v_i和势场强度之间关系的虚拟距离，a_i为队列内车辆i的加速度，

为任意位置到该车辆质心的连线与运动方向的顺时针夹角，λ和β分别为与等效质量和顺时针夹角相关的常数，

是虚拟距离的方向单位向量。

6.根据权利要求1所述智能网联队列内车辆换道安全间距确定方法，其特征在于，所述步骤(6)中计算队列内车辆的合力势场，采用公式：

其中，E_vi为队列内车辆i的合力势场，E_ri为队列内车辆i的排斥势场，E_gi为队列内车辆i的引力势场，c为与刻度校正相关的常数，k′为队列内车辆i的虚拟距离，

是虚拟距离的方向单位向量。

7.根据权利要求1所述智能网联队列内车辆换道安全间距确定方法，其特征在于，所述步骤(7)中对队列内换道车辆或其前方车辆的合力势场中的待定参数进行标定，包括步骤：

在获取的换道车辆和其前方车辆在跟车状态下的期望车头时距T的基础上，对与队列内车辆的虚拟距离k′相关的待定参数γ进行标定如下：

D＝v_e·T

其中，D是换道开始时的最佳车头间距，v_e是换道车辆当前的速度；

在队列势能场图中，当换道车辆的阈值等势面与其前方车辆的阈值等势面相切时，两个车辆之间的间距是物理意义上的最佳车头间距，因此最佳车头间距定义为：

D＝k_e+k_f

其中，k_e为最佳车头间距下换道车辆前进方向上等势面相切位置到换道车辆质心之间的距离，k_f为最佳车头间距下前车辆前进方向的反方向上等势面相切位置到前方车辆质心之间的距离；

由最佳车头间距下等势面相切位置为势能取值的最低点，因此对等势面求导并令其为0，最终得的k_e和k_f的计算公式如下：

式中，v_e和v_f为换道车辆和其前方车辆的速度，a_e和a_f是换道车辆和其前方车辆的加速度；λ和β分别为与等效质量和顺时针夹角相关的常数；α和τ是与速度和车道宽度相关的常数；

通过联立上述两个最佳车头间距D的方程，并求解得到γ的取值公式如下：

8.根据权利要求1所述智能网联队列内车辆换道安全间距确定方法，其特征在于，所述步骤(8)中计算队列内换道车辆和其前方车辆之间的最小间距，采用公式：

其中，D_min为队列内换道车辆和其前方车辆之间的最小间距，L_e和L_f分别为换道车辆和其前方车辆的车辆长度；

为两车车辆质心之间的最小纵向距离，

为

和

之和，

和

分别表示在临界势场值下从切点到换道车辆和切点到前方车辆质心的距离；M_e和M_f分别为换道车辆和其前方车辆的等效质量，γ为与虚拟距离k′相关的待定参数；λ和β分别为与等效质量和顺时针夹角相关的常数；α和τ是与速度和车道宽度相关的常数；v_e和v_f为换道车辆和其前方车辆的速度，a_e和a_f是换道车辆和其前方车辆的加速度，θ_e为换道车辆在换道过程中的转向角，E_ve和E_vf为换道车辆和前方车辆的合力势场。

9.根据权利要求1所述智能网联队列内车辆换道安全间距确定方法，其特征在于，所述步骤(9)中计算队列内换道车辆和其前方车辆之间的最大间距，采用公式：

其中，D_min为队列内换道车辆和其前方车辆之间的最大间距，L_e和L_f分别为换道车辆和其前方车辆的车辆长度，

为两辆车辆质心之间的最大纵向距离，

为

和

的和，

和

分别为在临界势场值下从切点到换道车辆和切点到前方车辆质心的距离；M_e和M_f分别为换道车辆和其前方车辆的等效质量，γ为与虚拟距离k′相关的待定参数；λ和β分别为与等效质量和顺时针夹角相关的常数；α和τ是与速度和车道宽度相关的常数；v_e和v_f为换道车辆和其前方车辆的速度，a_e和a_f是换道车辆和其前方车辆的加速度，θ_e为换道车辆在换道过程中的转向角，E_ve和E_vf为换道车辆和前方车辆的合力势场。

10.根据权利要求1所述智能网联队列内车辆换道安全间距确定方法，其特征在于，所述步骤(10)中确定出队列内换道车辆换道所需维持的安全间距区间为：

D_min≤D_H≤D_max

其中，D_H为队列内换道车辆和其前方车辆两车车头间距；D_min为队列内换道车辆和其前方车辆之间的最小间距；D_max为队列内换道车辆和其前方车辆之间的最大间距。

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