CN116039621A - 自动驾驶车辆紧急避撞决策与轨迹规划方法、系统及车辆 - Google Patents

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CN116039621A CN202211592380.3A CN202211592380A CN116039621A CN 116039621 A CN116039621 A CN 116039621A CN 202211592380 A CN202211592380 A CN 202211592380A CN 116039621 A CN116039621 A CN 116039621A
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Abstract

本发明公开一种自动驾驶车辆紧急避撞决策与轨迹规划方法、系统及车辆，涉及智能车辆决策与规划技术领域。本发明通过基于感知的自动驾驶车辆的速度和路面附着系数以及障碍物的位置和运动状态精确确定紧急制动、紧急换道安全距离，能够对自动驾驶车辆的紧急制动和紧急换道进行有效控制，以能够实现高安全性紧急避撞，在满足避撞条件及车辆动力学约束的前提下极大程度地保证了换道过程中的交通安全，进而解决现有技术存在的未充分考虑旁车道正常行驶车辆对主车决策的影响、未对紧急换道所需纵向安全距离进行精确建模等问题。

Description

自动驾驶车辆紧急避撞决策与轨迹规划方法、系统及车辆
技术领域
本发明涉及智能车辆决策与规划领域，特别是涉及一种自动驾驶车辆紧急避撞决策与轨迹规划方法、系统及车辆。
背景技术
中国交通运输业及汽车工业的快速发展一方面为人们的出行生活带来了极大的便利，另一方面也带来了更多的交通事故及人员伤亡。道路交通安全形势的严峻性使得车辆安全得到更多的重视。被动安全技术只能在车辆碰撞后启动以最大程度的减少驾驶员伤害，而主动安全技术以事故预防为核心，通过车载传感器系统实时感知车辆运动状态及关键参数，基于主动安全算法对车辆执行机构进行控制，以改善车辆在运动过程中的安全性。
当自动驾驶车辆当前行驶车道前方突然出现障碍物时，自动驾驶车辆可通过紧急制动或换道行为进行紧急避撞。紧急避撞由感知决策层、规划层及控制层构成。感知决策层利用车辆传感器(雷达、摄像头、车车通信技术V2V等)对周围环境及车辆运动状态进行感知并决定最佳避撞行为决策；规划层基于感知决策结果规划出无碰撞、满足车辆动力学约束的车辆轨迹；控制层基于规划换道轨迹对执行器(转向、制动驱动等)进行控制以减小车辆实际轨迹与规划轨迹的误差。高安全性决策与规划技术是紧急避撞安全性的重要保障与基础。因此，研究适用于自动驾驶车辆紧急避撞的高安全性决策与规划方法具有重要意义。基于此，现有技术中也公开了多种适用于自动驾驶车辆紧急避撞的高安全性决策与规划方法，例如：
现有方案一：一种考虑车辆稳定性的紧急避撞系统及其控制方法，其实施步骤为：通过雨量、雾量检测模块及车载雷达检测当前障碍物及路面情况；通过计算模块获取当前纵向安全距离及风险系数；基于规则确定当前紧急避撞行为决策及轨迹；车辆智能控制器对目标轨迹进行跟踪同时保证车辆稳定性。该方法的基本原理如图1所示。
现有方案二：无人驾驶车辆紧急避险决策系统、方法及介质，其实施步骤为：通过全球定位系统、车载感知系统与传感器、V2V通讯等对环境进行感知，获取障碍物位置及状态信息；通过危险判别模块获取当前目标物安全距离并对障碍物类别进行判定；综合考虑任务可行度、事故严重程度，确定最优可行任务。该方案的基本原理如图2所示。
针对现有方案一，其仅考虑主车与当前车道前方障碍物，未考虑旁车道障碍物对主车决策及规划的影响，易造成车辆潜在碰撞事故。同时，紧急避撞过程中制动与换道安全距离的计算与主车速度、路面附着系数等因素呈现非线性关系，方案一中理想纵向换道距离计算过程中未充分考虑车辆动力学约束。
针对现有方案二，其主要研究碰撞事故无法避免的紧急工况下智能车辆如何做出碰撞程度最小化的智能决策方案。该方案未对紧急换道的最小安全距离进行精确建模，而理论分析表明，当车速较快、路面附着情况良好时，紧急换道所需安全距离小于紧急制动。因此，现有方案二未充分考虑紧急避撞中紧急换道的有效性。
基于上述描述，本领域亟需提供一种新的自动驾驶车辆紧急避撞决策与轨迹规划方案，以解决现有方法存在的未充分考虑旁车道正常行驶车辆对主车决策的影响、未对紧急换道所需纵向安全距离进行精确建模等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种自动驾驶车辆紧急避撞决策与轨迹规划方法、系统及车辆，能够解决现有方法存在的未充分考虑旁车道正常行驶车辆对主车决策的影响、未对紧急换道所需纵向安全距离进行精确建模等问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种自动驾驶车辆紧急避撞决策与轨迹规划方法，包括：
获取自动驾驶车辆的速度和路面附着系数，并获取预设范围内障碍物的位置和运动状态；所述预设范围以所述自动驾驶车辆为中心，以预设距离为半径；
基于所述自动驾驶车辆的速度和路面附着系数以及障碍物的位置和运动状态确定安全距离；所述安全距离包括：换道安全距离和制动安全距离；
基于所述换道安全距离规划得到所述自动驾驶车辆的无碰撞轨迹；
基于所述制动安全距离确定所述自动驾驶车辆的期望纵向加速度；
基于所述无碰撞轨迹和所述期望纵向加速度控制所述自动驾驶车辆。
优选地，所述换道安全距离为：
Figure BDA0003995195600000031
其中，
Figure BDA0003995195600000032
为自动驾驶车辆与第一障碍物间的换道安全距离，
Figure BDA0003995195600000033
为自动驾驶车辆与第二障碍物间的换道安全距离，
Figure BDA0003995195600000034
为临界碰撞时间，
Figure BDA0003995195600000035
为换道持续时间，vHV(0)为自动驾驶车辆的初始速度，aHV(0)为自动驾驶车辆的初始加速度，vOVc(0)为第二障碍物的初始速度，aOVc(0)为第二障碍物的初始加速度，vOVa(0)为第一障碍物的初始速度，aOVa(0)为第一障碍物的初始加速度，τ为时间戳，vHV(τ)为换道过程中自动驾驶车辆在时间戳τ时的速度，aHV(τ)为换道过程中自动驾驶车辆在时间戳τ时的加速度，vOVc(τ)为换道过程中第二障碍物在时间戳τ时的速度，aOVc(τ)为换道过程中第二障碍物在时间戳τ时的加速度，vOVa(τ)为换道过程中第一障碍物在时间戳τ时的速度，aOVa(τ)为换道过程中第一障碍物在时间戳τ时的加速度，
Figure BDA0003995195600000036
为任选t时刻，t为时刻。
优选地，在进行换道安全距离确定之前，还包括：
获取自动驾驶车辆的终点侧向位置和自动驾驶车辆的最大侧向加速度；
基于所述终点侧向位置和所述最大侧向加速度确定自动驾驶车辆的最小换道持续时间。
优选地，所述最小换道持续时间为
Figure BDA0003995195600000037
Figure BDA0003995195600000038
其中，
Figure BDA0003995195600000039
为自动驾驶车辆的终点侧向位置，
Figure BDA00039951956000000310
为自动驾驶车辆的最大侧向加速度。
优选地，所述制动安全距离为MSSdb：
Figure BDA0003995195600000041
其中，
Figure BDA0003995195600000042
为自动驾驶车辆当前时刻的速度，
Figure BDA0003995195600000043
为第二障碍物当前时刻的速度，
Figure BDA0003995195600000044
为自动驾驶车辆的最大允许制动减速度，ta为制动器动力学响应时间。
一种自动驾驶车辆紧急避撞决策与轨迹规划系统，包括：
感知模块，用于感知自动驾驶车辆的速度和路面附着系数，以及预设范围内障碍物的位置和运动状态；所述预设范围以所述自动驾驶车辆为中心，以预设距离为半径；
安全距离建模模块，与所述感知模块连接，用于基于所述自动驾驶车辆的速度和路面附着系数以及障碍物的位置和运动状态对安全距离进行建模；所述安全距离包括：换道安全距离和制动安全距离；
决策模块，与所述安全距离建模模块连接，用于基于所述安全距离以及自动驾驶车辆与各障碍物间的实际距离，调取不同驾驶基元，输出自动驾驶车辆紧急避撞决策结果；所述驾驶基元包括：加速基元、减速制动基元、换道基元、加速换道基元和减速制动换道基元；
轨迹规划模块，与所述决策模块连接，用于利用五次多项式对车辆换道轨迹进行拟合得到无碰撞轨迹，还用于基于所述制动安全距离确定所述自动驾驶车辆的期望纵向加速度。
优选地，所述决策模块的决策逻辑为：
判断所述自动驾驶车辆与障碍物间的距离是否满足预设距离要求，得到第一判断结果；所述距离要求包括：最小制动距离要求和最小换道安全距离要求；
当所述第一判断结果为所述自动驾驶车辆与障碍物间的距离满足最小换道安全距离要求，则生成自动驾驶车辆换道行驶决策；所述自动驾驶车辆换道行驶决策用于调取所述换道基元、加速换道基元或减速制动换道基元；
当所述第一判断结果为所述自动驾驶车辆与障碍物间的距离不满足最小换道安全距离要求时，则判断所述自动驾驶车辆与障碍物间的距离是否满足所述最小制动距离要求，得到第二判断结果；
当所述第二判断结果为所述自动驾驶车辆与障碍物间的距离满足所述最小制动距离要求时，则生成自动驾驶车辆制动决策；所述制动决策用于调取所述减速制动基元；
当所述第二判断结果为所述自动驾驶车辆与障碍物间的距离不满足所述最小制动距离要求时，则判定为发生碰撞。
优选地，所述决策模块还用于执行以下步骤：
在调取所述减速制动基元的过程中，实时获取当前时刻所述自动驾驶车辆与障碍物间的距离，所述决策模块判断所述自动驾驶车辆与障碍物间的距离是否满足最小换道安全距离要求，当满足时，生成自动驾驶车辆换道行驶决策。
一种自动驾驶车辆，所述车辆上设置有上述提供的自动驾驶车辆紧急避撞决策与轨迹规划系统。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的自动驾驶车辆紧急避撞决策与轨迹规划方法、系统及车辆，通过精确确定紧急制动、紧急换道安全距离，能够对自动驾驶车辆的紧急制动和紧急换道进行有效控制，以能够实现高安全性紧急避撞，在满足避撞条件及车辆动力学约束的前提下极大程度地保证了换道过程中的交通安全，进而解决现有技术存在的未充分考虑旁车道正常行驶车辆对主车决策的影响、未对紧急换道所需纵向安全距离进行精确建模等问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有方案一的基本原理图；
图2为现有方案二的基本原理图；
图3为本发明提供的自动驾驶车辆紧急避撞决策与轨迹规划方法的流程图；
图4为本发明实施例提供的自动驾驶车辆紧急避撞决策与轨迹规划系统的控制逻辑关系图；
图5为本发明实施例提供的紧急避障场景图；
图6为本发明实施例提供的临界碰撞时间确定原理图；
图7为本发明实施例提供的最小制动与换道安全距离分析示意图；
图8为本发明实施例提供的决策逻辑框图。
具体实施方式
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楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种自动驾驶车辆紧急避撞决策与轨迹规划方法、系统及车辆，能够解决现有方法存在的未充分考虑旁车道正常行驶车辆对主车决策的影响、未对紧急换道所需纵向安全距离进行精确建模等问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图3所示，该实施例提供的自动驾驶车辆紧急避撞决策与轨迹规划方法，包括：
步骤100：获取自动驾驶车辆的速度和路面附着系数，并获取预设范围内障碍物的位置和运动状态。预设范围以自动驾驶车辆为中心，以预设距离为半径。
步骤101：基于自动驾驶车辆的速度和路面附着系数以及障碍物的位置和运动状态确定安全距离。安全距离包括：换道安全距离和制动安全距离。在进行换道安全距离确定之前，还需要确定最小换道持续时间和临界碰撞时间。其中，最小换道持续时间的确定过程为：
1)获取自动驾驶车辆的终点侧向位置和自动驾驶车辆的最大侧向加速度。
2)基于终点侧向位置和最大侧向加速度确定自动驾驶车辆的最小换道持续时间。最小换道持续时间为
Figure BDA0003995195600000071
Figure BDA0003995195600000072
其中，
Figure BDA0003995195600000073
为自动驾驶车辆的终点侧向位置，
Figure BDA0003995195600000074
为自动驾驶车辆的最大侧向加速度。
基于此，换道安全距离为：
Figure BDA0003995195600000075
其中，
Figure BDA0003995195600000076
为自动驾驶车辆与第一障碍物间的换道安全距离，
Figure BDA0003995195600000077
为自动驾驶车辆与第二障碍物间的换道安全距离，
Figure BDA0003995195600000078
为临界碰撞时间，
Figure BDA0003995195600000079
为换道持续时间，vHV(0)为自动驾驶车辆的初始速度，aHV(0)为自动驾驶车辆的初始加速度，vOVc(0)为第二障碍物的初始速度，aOVc(0)为第二障碍物的初始加速度，vOVa(0)为第一障碍物的初始速度，aOVa(0)为第一障碍物的初始加速度，τ为时间戳，vHV(τ)为换道过程中自动驾驶车辆在时间戳τ时的速度，aHV(τ)为换道过程中自动驾驶车辆在时间戳τ时的加速度，vOVc(τ)为换道过程中第二障碍物在时间戳τ时的速度，aOVc(τ)为换道过程中第二障碍物在时间戳τ时的加速度，vOVa(τ)为换道过程中第一障碍物在时间戳τ时的速度，aOVa(τ)为换道过程中第一障碍物在时间戳τ时的加速度，
Figure BDA00039951956000000713
为任选t时刻，t为时刻。
制动安全距离为MSSdb：
Figure BDA00039951956000000710
其中，
Figure BDA00039951956000000711
为自动驾驶车辆当前时刻的速度，
Figure BDA00039951956000000712
为第二障碍物当前时刻的速度，
Figure BDA0003995195600000081
为自动驾驶车辆的最大允许制动减速度，ta为制动器动力学响应时间。
步骤102：基于换道安全距离规划得到自动驾驶车辆的无碰撞轨迹。
步骤103：基于制动安全距离确定自动驾驶车辆的期望纵向加速度。
步骤104：基于无碰撞轨迹和期望纵向加速度控制自动驾驶车辆。
实施例二
如图4所示，该实施例提供的自动驾驶车辆紧急避撞决策与轨迹规划系统，包括：感知模块1、安全距离建模模块2、决策模块3和轨迹规划模块4。
其中，感知模块1用于感知自动驾驶车辆的速度和路面附着系数，以及预设范围内障碍物的位置和运动状态。预设范围以自动驾驶车辆为中心，以预设距离为半径。
安全距离建模模块2与感知模块1连接。安全距离建模模块2主要用于基于自动驾驶车辆的速度和路面附着系数以及障碍物的位置和运动状态对安全距离进行建模。安全距离包括：换道安全距离和制动安全距离。
决策模块3与安全距离建模模块2连接。决策模块3主要用于基于安全距离以及自动驾驶车辆与各障碍物间的实际距离，调取不同驾驶基元，输出自动驾驶车辆紧急避撞决策结果。驾驶基元包括：加速基元、减速制动基元、换道基元、加速换道基元和减速制动换道基元。
轨迹规划模块4与决策模块3连接。轨迹规划模块4主要用于利用五次多项式对车辆换道轨迹进行拟合得到无碰撞轨迹，还用于基于制动安全距离确定自动驾驶车辆的期望纵向加速度。
其中，该实施例中采用的上述决策模块3的决策逻辑为：
判断自动驾驶车辆与障碍物间的距离是否满足预设距离要求，得到第一判断结果。距离要求包括：最小制动距离要求和最小换道安全距离要求。
当第一判断结果为自动驾驶车辆与障碍物间的距离满足最小换道安全距离要求，则生成自动驾驶车辆换道行驶决策。自动驾驶车辆换道行驶决策用于调取换道基元、加速换道基元或减速制动换道基元。
当第一判断结果为自动驾驶车辆与障碍物间的距离不满足最小换道安全距离要求时，则判断自动驾驶车辆与障碍物间的距离是否满足最小制动距离要求，得到第二判断结果。
当第二判断结果为自动驾驶车辆与障碍物间的距离满足最小制动距离要求时，则生成自动驾驶车辆制动决策。制动决策用于调取减速制动基元。
当第二判断结果为自动驾驶车辆与障碍物间的距离不满足最小制动距离要求时，则判定为发生碰撞。
进一步，上述采用的决策模块3还用于执行以下步骤：
在调取减速制动基元的过程中，实时获取当前时刻自动驾驶车辆与障碍物间的距离，决策模块判断自动驾驶车辆与障碍物间的距离是否满足最小换道安全距离要求，当满足时，生成自动驾驶车辆换道行驶决策。
基于上述实施例二提供的自动驾驶车辆紧急避撞决策与轨迹规划系统，其可以设置为一种车辆控制器，以设置在自动驾驶车辆上。
实施例三
该实施例中，以实施例二中提供的自动驾驶车辆紧急避撞决策与轨迹规划系统为硬件实施架构，对实施例一中提供的自动驾驶车辆紧急避撞决策与轨迹规划方法的具体实施过程进行说明。
实施例三中，各层之间逻辑关系如图4所示。首先感知模块基于车载感知设备、传感器及V2V等感知周围车辆位置及运动状态。安全距离建模模块通过综合考虑主车(即本发明上述实施例中采用的自动驾驶车辆)速度、路面附着系数，对紧急制动及紧急换道所需最小安全距离进行建模。决策模块基于所需最小安全距离与实际距离分析，面向不同驾驶基元的潜在组合方式，输出自动驾驶车辆紧急避撞决策结果。针对紧急换道，轨迹规划模块利用五次多项式对车辆换道轨迹进行拟合，考虑车辆侧向加速度约束，规划出无碰撞轨迹。针对紧急制动或加速，规划模块则输出期望纵向加速度。
下面以如图5所示的紧急避撞场景，对上述提供的每一模块的具体功能和实施过程进行说明。
A、安全距离建模模块
如图5所示，当主车HV当前行驶车道上突然出现一障碍物OVc(即第二障碍物)，同时旁车道上有一正常行驶的障碍车辆OVa(即第一障碍物)，此时主车HV可通过紧急制动或紧急转向进行避撞。为实现高安全性紧急避撞，主车HV与障碍物OVc、障碍车辆OVa的纵向距离需要满足紧急制动或紧急换道安全距离需求。因此需要对紧急制动及紧急转向最小安全距离进行建模。
紧急制动最小安全距离可通过下式进行计算：
Figure BDA0003995195600000101
其中，MSSdb为紧急制动最小安全距离，
Figure BDA0003995195600000102
分别为主车HV和障碍物OVc的速度，
Figure BDA0003995195600000103
为最大允许制动减速度，ta为制动器动力学响应时间。
紧急换道轨迹可用五次多项式进行拟合，其速度与加速度可通过对轨迹方程求一次及二次导获得，如下式(2)所示：
Figure BDA0003995195600000104
Figure BDA0003995195600000105
其中，xref、yref分别为主车HV的参考横向和纵向位移，pi是五次多项式系数，
Figure BDA0003995195600000106
和
Figure BDA0003995195600000107
分别代表主车HV的初始纵向位置、换道终点纵向位置和终点侧向位置。其中，为简化计算终点侧向位置，终点侧向位置
Figure BDA0003995195600000108
在数值上等于车道宽度。
Figure BDA0003995195600000109
是主车HV的初始侧向速度，
Figure BDA00039951956000001010
是主车HV换道终点的侧向速度，yini是换道初始点的侧向位移，
Figure BDA00039951956000001011
是换道初始点的侧向加速度，
Figure BDA00039951956000001012
是换道终点的侧向加速度，y(xref)为相对于参考横向xref的纵向位移函数。
联立式(1)-式(3)，可得：
Figure BDA00039951956000001013
紧急换道过程持续时间较短(一般＜2.5s)，可假定车辆纵向速度保持不变，可得：
Figure BDA0003995195600000111
其中，
Figure BDA0003995195600000112
为紧急换道持续时间，tref为换道时间戳。
常规紧急换道最小安全距离可表示为：
Figure BDA0003995195600000113
其中，
Figure BDA0003995195600000114
和
Figure BDA0003995195600000115
分别表示主车HV与障碍车辆OVa和障碍物OVc的最小安全距离，
Figure BDA0003995195600000116
为临界碰撞时间(详见图6，当主车右前顶点Nfr与障碍物OVc的左后顶点发生碰撞时的时刻记为
Figure BDA0003995195600000117
)，vHV(0)、aHV(0)、vOVc(0)、aOVc(0)、vOVa(0)和aOVa(0)分别为主车HV、障碍物OVc、障碍车辆OVa的初始速度与加速度，vHV(τ)、aHV(τ)、vOVc(τ)、aOVc(τ)、vOVa(τ)和aOVa(τ)分别为在换道过程中主车HV、障碍物OVc、障碍车辆OVa某一时间戳τ的速度与加速度。
综上，为确定紧急换道最小安全距离，上式中临界碰撞时间
Figure BDA0003995195600000118
和紧急换道持续时间
Figure BDA0003995195600000119
需要求解。
在临界碰撞时刻，主车HV质心位置的侧向位移可表示为：
Figure BDA00039951956000001110
其中，lv和wv分别为车辆的长度及宽度，
Figure BDA00039951956000001111
为车辆在临界碰撞时刻的侧向位置，α为车辆的横摆角。联立式(5)与式(7)，可求得临界碰撞时间
Figure BDA00039951956000001112
紧急换道过程中车辆侧向加速度可表示为：
Figure BDA00039951956000001113
其中，
Figure BDA00039951956000001114
表示车辆紧急换道过程中的的侧向加速度(由侧向位移求两次导得到，即
Figure BDA00039951956000001115
)，对上式(8)进行求导，最大侧向加速度可表示为：
Figure BDA00039951956000001116
最大侧向加速度需要满足地面附着条件约束，如下式(9)所示：
Figure BDA00039951956000001117
其中，
Figure BDA00039951956000001118
是最大侧向加速度，μ为路面附着系数，g为重力加速度，ks为安全系数。联立式(8)和式(9)，最小换道持续时间可表示为：
Figure BDA0003995195600000121
将式(7)、式(10)代入式(6)中，即可计算最小换道安全距离。
综上，可获得不同主车车速、路面附着系数下的最小制动及换道安全距离，如图7所示。
B、决策模块
本实施例通过定义三类驾驶基本基元(换道基元Pqlc、减速制动基元Pb、加速基元Pa)，基于不同驾驶基元的组合来生成最优避撞决策。
定义主车HV与不同障碍车辆的相对距离及速度如下：
Figure BDA0003995195600000122
其中，
Figure BDA0003995195600000123
和
Figure BDA0003995195600000124
分别为主车HV与障碍物OVc、障碍车辆OVa的相对距离及速度，xHV(t)、
Figure BDA0003995195600000125
vHV(t)、
Figure BDA0003995195600000126
和
Figure BDA0003995195600000127
分别为主车主车HV、障碍物OVc、障碍车辆OVa在t时刻的位置和速度。决策逻辑如下：
主车HV会首先判断与障碍物OVc间的相对距离
Figure BDA0003995195600000128
是否满足最小制动与最小换道安全距离要求，若不满足，则表明该碰撞无法避免。若满足，则HV会优先采取换道以提升交通通行效率。此时，主车HV会检测旁车道障碍车辆OVa的位置及状态是否允许换道，若允许，则主车HV直接进行换道(整个过程中仅换道基元Pqlc被触发)。若不允许，主车HV会基于与障碍车辆OVa和障碍物OVc的相对位置和速度采取制动或者加速以创造与障碍车辆OVa间的安全距离以进行换道：
(a)当主车HV纵向位置小于OVa时，HV会首先进行制动，当通过制动使主车HV和障碍车辆OVa的纵向距离满足换道最小安全距离时，换道基元Pqlc会被触发，并且，整个过程中车辆会先减速制动再进行换道(即触发减速制动换道基元Pb+Pqlc)。若主车HV在制动过程中始终无法创造出安全距离，则主车HV会一直制动直到停车(整个过程中仅减速制动基元Pb被触发)。
(b)当主车HV纵向位置大于障碍车辆OVa时，主车HV会优先进行加速以创造与障碍车辆OVa的安全距离，当通过加速使主车HV和障碍车辆OVa的纵向距离满足换道最小安全距离时，换道基元Pqlc会被触发，整个过程中车辆会先加速再进行换道(即触发加速换道基元Pa+Pqlc)；若主车HV在加速过程中与障碍物OVc的距离等于最小制动安全距离，则主车HV会切换为制动并一直减速至静止(即触发减速制动基元Pb)(如图8所示)。
为简化计算过程，当减速制动基元或加速基元被触发时，车辆的理想加速度ades将分别等于理想减速度ab或驱动加速度ac。
C、轨迹规划模块
决策模块的输出结果作为轨迹规划模块的输入。针对不同的驾驶基元，轨迹规划模块会定义不同的驾驶指令或参考轨迹。当减速制动基元Pb被触发时，轨迹规划模块会输出理想制动减速度ab。当加速基元Pa被触发时，轨迹规划模块输出理想驱动加速度ac。当换道基元Pqlc被触发时，轨迹规划模块输出参考轨迹。该参考轨迹可由式(5)及式(10)联立求解，即令式(5)中的
Figure BDA0003995195600000131
基于上述实施例一至实施例三中的描述，相对于现有技术，本发明具有以下优点：
(1)本发明基于五次多项式拟合方法，考虑主车速度及路面附着系数的影响，能够对紧急换道与紧急制动最小安全距离进行精确建模。
(2)本发明通过构建不同的驾驶基元并将其进行组合能够生成最优的紧急换道和紧急制动决策。
(3)针对紧急换道，本发明可基于最小换道时间对换道参考轨迹进行数值求解，提高计算效率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种自动驾驶车辆紧急避撞决策与轨迹规划方法，其特征在于，包括：
获取自动驾驶车辆的速度和路面附着系数，并获取预设范围内障碍物的位置和运动状态；所述预设范围以所述自动驾驶车辆为中心，以预设距离为半径；
基于所述自动驾驶车辆的速度和路面附着系数以及障碍物的位置和运动状态确定安全距离；所述安全距离包括：换道安全距离和制动安全距离；
基于所述换道安全距离规划得到所述自动驾驶车辆的无碰撞轨迹；
基于所述制动安全距离确定所述自动驾驶车辆的期望纵向加速度；
基于所述无碰撞轨迹和所述期望纵向加速度控制所述自动驾驶车辆。
2.根据权利要求1所述的自动驾驶车辆紧急避撞决策与轨迹规划方法，其特征在于，所述换道安全距离为：
Figure FDA0003995195590000011
其中，
Figure FDA0003995195590000012
为自动驾驶车辆与第一障碍物间的换道安全距离，
Figure FDA0003995195590000013
为自动驾驶车辆与第二障碍物间的换道安全距离，
Figure FDA0003995195590000014
为临界碰撞时间，
Figure FDA0003995195590000015
为换道持续时间，vHV(0)为自动驾驶车辆的初始速度，aHV(0)为自动驾驶车辆的初始加速度，vOVc(0)为第二障碍物的初始速度，aOVc(0)为第二障碍物的初始加速度，vOVa(0)为第一障碍物的初始速度，aOVa(0)为第一障碍物的初始加速度，τ为时间戳，vHV(τ)为换道过程中自动驾驶车辆在时间戳τ时的速度，aHV(τ)为换道过程中自动驾驶车辆在时间戳τ时的加速度，vOVc(τ)为换道过程中第二障碍物在时间戳τ时的速度，aOVc(τ)为换道过程中第二障碍物在时间戳τ时的加速度，vOVa(τ)为换道过程中第一障碍物在时间戳τ时的速度，aOVa(τ)为换道过程中第一障碍物在时间戳τ时的加速度，
Figure FDA0003995195590000016
为任选t时刻，t为时刻。
3.根据权利要求2所述的自动驾驶车辆紧急避撞决策与轨迹规划方法，其特征在于，在进行换道安全距离确定之前，还包括：
获取自动驾驶车辆的终点侧向位置和自动驾驶车辆的最大侧向加速度；
基于所述终点侧向位置和所述最大侧向加速度确定自动驾驶车辆的最小换道持续时间。
4.根据权利要求3所述的自动驾驶车辆紧急避撞决策与轨迹规划方法，其特征在于，所述最小换道持续时间为
Figure FDA0003995195590000021
Figure FDA0003995195590000022
其中，
Figure FDA0003995195590000023
为自动驾驶车辆的终点侧向位置，
Figure FDA0003995195590000024
为自动驾驶车辆的最大侧向加速度。
5.根据权利要求1所述的自动驾驶车辆紧急避撞决策与轨迹规划方法，其特征在于，所述制动安全距离为MSSdb：
Figure FDA0003995195590000025
其中，
Figure FDA0003995195590000026
为自动驾驶车辆当前时刻的速度，
Figure FDA0003995195590000027
为第二障碍物当前时刻的速度，
Figure FDA0003995195590000028
为自动驾驶车辆的最大允许制动减速度，ta为制动器动力学响应时间。
6.一种自动驾驶车辆紧急避撞决策与轨迹规划系统，其特征在于，包括：
感知模块，用于感知自动驾驶车辆的速度和路面附着系数，以及预设范围内障碍物的位置和运动状态；所述预设范围以所述自动驾驶车辆为中心，以预设距离为半径；
安全距离建模模块，与所述感知模块连接，用于基于所述自动驾驶车辆的速度和路面附着系数以及障碍物的位置和运动状态对安全距离进行建模；所述安全距离包括：换道安全距离和制动安全距离；
决策模块，与所述安全距离建模模块连接，用于基于所述安全距离以及自动驾驶车辆与各障碍物间的实际距离，调取不同驾驶基元，输出自动驾驶车辆紧急避撞决策结果；所述驾驶基元包括：加速基元、减速制动基元、换道基元、加速换道基元和减速制动换道基元；
轨迹规划模块，与所述决策模块连接，用于利用五次多项式对车辆换道轨迹进行拟合得到无碰撞轨迹，还用于基于所述制动安全距离确定所述自动驾驶车辆的期望纵向加速度。
7.根据权利要求6所述的自动驾驶车辆紧急避撞决策与轨迹规划系统，其特征在于，所述决策模块的决策逻辑为：
判断所述自动驾驶车辆与障碍物间的距离是否满足预设距离要求，得到第一判断结果；所述距离要求包括：最小制动距离要求和最小换道安全距离要求；
当所述第一判断结果为所述自动驾驶车辆与障碍物间的距离满足最小换道安全距离要求，则生成自动驾驶车辆换道行驶决策；所述自动驾驶车辆换道行驶决策用于调取所述换道基元、加速换道基元或减速制动换道基元；
当所述第一判断结果为所述自动驾驶车辆与障碍物间的距离不满足最小换道安全距离要求时，则判断所述自动驾驶车辆与障碍物间的距离是否满足所述最小制动距离要求，得到第二判断结果；
当所述第二判断结果为所述自动驾驶车辆与障碍物间的距离满足所述最小制动距离要求时，则生成自动驾驶车辆制动决策；所述制动决策用于调取所述减速制动基元；
当所述第二判断结果为所述自动驾驶车辆与障碍物间的距离不满足所述最小制动距离要求时，则判定为发生碰撞。
8.根据权利要求7所述的自动驾驶车辆紧急避撞决策与轨迹规划系统，其特征在于，所述决策模块还用于执行以下步骤：
在调取所述减速制动基元的过程中，实时获取当前时刻所述自动驾驶车辆与障碍物间的距离，所述决策模块判断所述自动驾驶车辆与障碍物间的距离是否满足最小换道安全距离要求，当满足时，生成自动驾驶车辆换道行驶决策。
9.一种自动驾驶车辆，其特征在于，所述车辆上设置有如权利要求6-8任意一项所述的自动驾驶车辆紧急避撞决策与轨迹规划系统。
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