CN116461522A - 一种车辆变道轨迹规划方法、系统及汽车 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种车辆变道轨迹规划方法包括如下步骤：S1、采集本车所在车道及侧临变道车道的车道信息，确定本车道及侧临变道车道上的目标车辆及目标车辆信息；S2、在行驶前方的侧临变道车道上生成一组预瞄点，以本车当前位姿为起点，预瞄点位姿为终点，形成多条备选变道轨迹，放入备选池中；S3、在备选池中删除存在碰撞风险、行驶安全风险的备选变道轨迹，将备选池中舒适性成本最小的备选变道轨迹作为当前的变道轨迹出。于本发明提供的车辆变道轨迹规划方法生成的变道轨迹，极大降低了车辆发生碰撞、失稳和侧翻的风险，且是连续、平滑且可被安全执行的行车变道轨迹，提升驾驶辅助系统的舒适性和安全性。

Description

一种车辆变道轨迹规划方法、系统及汽车

技术领域

本发明属于车辆辅助驾驶技术领域，更具体地，本发明涉及一种车辆变道轨迹规划方法、系统及汽车。

背景技术

摄像头可以识别车辆前方一定范围内的车道线(包括本车道、邻车道等)及目标物。基于这些信息，驾驶辅助系统(ADAS)自动变道控制器可以对变道轨迹进行规划。

现有的变道轨迹规划是利用车道线及其他交通参与者(例如，前车、邻车道前/后车等)的运动信息，为车辆自动变道控制进行行车轨迹规划，然而，上述基于运动学规划的变道轨迹存在如下几方面的问题：

(1)无法保证本车的操纵稳定性及侧倾安全性，可能导致车辆失稳甚至侧翻等危险状况的发生；

(2)常规工况下，可能出现变道操作激烈，降低辅助驾驶的舒适性。

发明内容

本发明提供一种车辆变道轨迹规划方法，旨在改善上述问题。

本发明是这样实现的，一种车辆变道轨迹规划方法，所述车辆变道轨迹规划方法具体包括如下步骤：

S1、采集本车所在车道及侧临变道车道的车道信息，确定本车道及侧临变道车道上的目标车辆及目标车辆信息；

S2、在行驶前方的侧临变道车道上生成一组预瞄点，以本车当前位姿为起点，预瞄点位姿为终点，形成多条备选变道轨迹，放入备选池中；

S3、在备选池中删除存在碰撞风险、行驶安全风险的备选变道轨迹，将备选池中舒适性成本最小的备选变道轨迹作为当前的变道轨迹出。

进一步的，目标车辆包括本车所在车道、侧临变道车道中行驶前方、行驶后方距本车最近的其他车辆，以及侧临变道车道的并列行驶车辆；

目标车辆的信息包括：目标车辆在本车坐标系下相对于本车的纵向距离和纵向车速。

进一步的，车道信息包括：车道在本车坐标系下的横向坐标、朝向角及曲率。

进一步的，备选变道轨迹的形成过程具体如下：

将侧临变道车道的前方摄像头拍摄范围作为预瞄区域，在预瞄区域内设置一组预瞄点，确定每个预瞄点的位姿X_F,i＝[x_f,i,y_f,i,θ_f,i,κ_f,i]^T；

以本车当前位姿X₀＝[x₀,y₀,θ₀,κ₀]^T为起点，预瞄点位姿X_F,i＝[x_f,i,y_f,i,θ_f,i,κ_f,i]^T为终点，采用五次多项式进行轨迹拟合，得到备选变道轨迹T_i；

(x₀,y₀)为本车在车辆坐标系下的坐标，θ₀为本车所在车道在车辆坐标下的朝向角，κ₀为本车所在车道在本车坐标下的曲率，(x_f,i,y_f,i)为第i个预瞄点在本车坐标系下的坐标，θ_f,i、κ_f,i分别表示第i个预瞄点所在车道的朝向角、曲率，i的取值为1至N，N为预瞄区域内的预瞄点总数。

进一步的，碰撞风险评估方法如下：

根据目标车辆在本车坐标系下相对于本车的纵向距离、侧向距离和纵向车需、侧向车速，分别计算对应目标车辆相对于对本车的碰撞时间TTC，若存在一个目标车辆的碰撞时间TTC低于设定门限值，则判定本车具有碰撞风险，并备选变道轨迹T_i从备选池中剔除。

进一步的，行驶安全风险评估过程具体如下：

(1)若本车为低质心车型，则基于2-DOF车辆模型采用相平面分析方法构建车辆a_y-r相平面操纵稳定性边界，当车辆状态接近边界时，则判定车辆具有失稳风险，从备选池中删除存在失稳风险的备选变道轨迹；

(2)若本车为高质心车型，则先基于3-DOF车辆模型采用相平面分析方法构建a_y-r相平面操纵稳定性边界，当车辆状态接近边界时，则判定车辆具有失稳风险，从备选池中删除存在失稳风险的备选变道轨迹，再采用最大载荷转移率对车辆侧翻倾向进行评估，从备选池中删除存在侧翻倾向风险的备选变道轨迹。

进一步的，第i条备选变道轨迹的舒适性成本J_i计算公式具体如下：

J_i＝W₁∫|a_y|ds_i+W₂∫|r|ds_i+W₃∫|δ_SW|ds_i；

其中，W₁、W₂、W₃为权重系数，取值为0～1，且W₁+W₂+W₃＝1，δ_SW为本车的方向盘转角，s_i为备选变道轨迹T_i的路径，r为本车的横摆角速度，a_y为本车的横向加速度。

本发明是这样实现的，一种车辆变道轨迹规划系统，所述系统包括：

设于车辆前端的前视摄像头，分别采集当前车辆前方的道路图像，用于提取车道及车道信息、前方的目标车辆及目标车辆信息，并发送至处理器，设于车辆前保险杠及后保险杠内的角雷达，采集当前车辆前方、侧向及后方的目标车辆及目标车辆信息，并发送至处理器；

处理器基于上述所述车辆变道轨迹规划方法来规划当前的变道轨迹。

本发明是这样实现的，一种汽车，所述汽车上集成有上述车辆变道轨迹规划系统，其中，前视摄像头集成于前挡风玻璃。

基于本发明提供的车辆变道轨迹规划方法生成的变道轨迹，极大降低了车辆发生碰撞、失稳和侧翻的风险，且是连续、平滑且可被安全执行的行车变道轨迹，提升驾驶辅助系统的舒适性和安全性；此外，且所采用的轨迹规划方法及安全风险评估方法均基于线性模型，因此，具有计算复杂度低、实时性好的优点；最后，基于舒适性成本最小的原则来选择当前的变道轨迹，极大提升了驾驶的舒适性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的车辆变道轨迹规划方法流程图；

图2为本本发明实施例提供的备选变道轨迹生成示意图；

图3为本发明实施例提供的车辆模型示意图，其中(a)为2-DOF车辆模型，(b)为3-DOF车辆模型。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

图1为本发明实施例提供的车辆变道轨迹规划方法流程图，该方法具体包括如下步骤：

S1、采集本车所在车道及侧临变道车道的车道信息，确定本车道及侧临变道车道上的目标车辆及目标车辆信息；

在本发明实施例中，定义本车的车辆坐标系，简称为本车坐标系，以本车的后轴中点为坐标原点，以本车行驶方向(纵向)为车辆坐标系中的x轴，以本车宽度方向(横向或侧向)为本车坐标系中的y轴；通过摄像头采集行驶前方的路面图像，从路面图像中提取本车所在车道及侧临变道车道的车道信息，车道信息包括：车道在本车坐标系下的横向坐标、朝向角及曲率，假定车辆在当前车道行驶，即将左转，则侧临变道车道为当前车道的左邻车道。

在路面图像中提取本车所在车道及侧临变道车道中的目标车辆，目标车辆包括：本车所在车道、侧临变道车道中行驶前方、行驶后方距本车最近的其他车辆，以及侧临变道车道的并列行驶车辆。针对所有的目标车辆，获取每个目标车辆在本车坐标系下相对于本车的纵向距离、侧向距离和纵向车速、侧向车速，作为目标车辆的信息。

S2、在前方的侧临变道车道上生成一组预瞄点，以本车当前位姿X₀为起点，预瞄点位姿X_F,i为终点，形成多条备选变道轨迹，放入备选池中；

在本发明实施中，本车当前位姿X₀＝[x₀,y₀,θ₀,κ₀]^T，其中，(x₀,y₀)为本车在车辆坐标系下的坐标，θ₀为本车所在车道在车辆坐标下的朝向角，κ₀为本车所在车道在本车坐标下的曲率。

在本发明实施例中，将侧临变道车道的前方摄像头拍摄范围作为预瞄区域，在预瞄区域内设置一组预瞄点，预瞄点可以是呈矩阵形式排列，确定每个预瞄点的位姿X_F,i＝[x_f,i,y_f,i,θ_f,i,κ_f,i]^T，其中，(x_f,i,y_f,i)为第i个预瞄点在本车坐标系下的坐标，θ_f,i、κ_f,i分别表示第i个预瞄点所在车道(即侧临变道车道)的朝向角、曲率，i的取值为1至N，N为预瞄区域内的预瞄点总数。

针对每一组(X₀,X_F，i)，采用五次多项式进行轨迹规划，得到备选变道轨迹T_i，预瞄区域内存在N个预瞄点，则存在N条备选变道轨迹。

S3、删除存在碰撞风险、行驶安全风险的备选变道轨迹，将舒适成本性最小的备选变道轨迹作为当前的变道轨迹进行输出。

在本发明实施例中，先对每条备选变道轨迹T_i进行碰撞风险评估，碰撞风险评估方法如下：

根据目标车辆在本车坐标系下相对于本车的纵向距离、侧向距离和纵向速度、侧向车速，分别计算对应目标车辆相对于对本车的碰撞时间TTC，若存在一个目标车辆的碰撞时间TTC低于设定门限值，则判定本车具有碰撞风险，并备选变道轨迹T_i从备选池中剔除，若所有目标车辆的碰撞时间TTC均高于设定门限值，则判定本车不具有碰撞风险。

在本发明实施例中，在进行了碰撞风险评估后，针对备选池中不具有碰撞风险的备选变道轨迹进行行驶安全风险评估，其评估过程具体如下：

(1)若本车为质心不高的车型，例如轿车等，则基于2-DOF车辆模型采用相平面分析方法构建车辆a_y-r相平面操纵稳定性边界，当车辆状态接近边界时，则判定车辆具有失稳风险，从备选池中删除存在失稳风险的备选变道轨迹。2-DOF车辆模型具体如下：

其中，l_F、l_R分别为本车质心到前轴、后轴距离，m_F、m_R分别为本车前轴、后轴的载荷，r为本车的横摆角速度，m为本车质量、a_y为本车的横向加速度、I_zz为本车的横摆转动惯量。

(2)若本车为高质心车型，例如SUV等，基于3-DOF车辆模型先进行失稳风险评估，再进行侧翻倾向风险评估。首先，基于3-DOF车辆模型采用相平面分析方法构建a_y-r相平面操纵稳定性边界，当车辆状态接近边界时，则判定车辆具有失稳风险，从备选池中删除存在失稳风险的备选变道轨迹，再采用最大载荷转移率(maximum Load Transfer Ratio)对车辆侧翻倾向进行评估，从备选池中存在侧翻倾向风险的备选变道轨迹。

在本发明实施例中，3-DOF车辆模型具体如下：

其中，F_y为本车沿y轴的侧向力，M_z、M_x分别表示横摆转矩、侧倾转矩，h_b为簧上质量质心到侧倾中心的高度，m_b为簧上质量，φ为本车的侧倾角，I_xx为本车的侧倾转动惯量，D_φ为本车的侧倾阻尼，K_φ为本车的侧倾刚度，g为重力加速度。

在本发明实施例中，车辆侧翻倾向风险评估模型如下：

LTR_max＝max(LTR_F,LTR_R)；

LTR_F、LTR_R分别为前轴、后轴的载荷转移率，在最大载荷转移率LTR_max高于设计门限值时，则判定车辆具有侧翻风险，并将该备选行车轨迹从备选池中剔除。

LTR_F＝-2ma_y[h_cgl_R/(l_F+l_R)+h_bK_φ,F/(K_φ,F+K_φ,R-h_bm_bg)]/(F_z,Fw)；

LTR_R＝-2ma_y[h_cgl_F/(l_F+l_R)+h_bK_φ,R/(K_φ,F+K_φ,R-h_bm_bg)]/(F_z,Rw)；

其中，h_cg为本车的质心高度，K_φ,F、K_φ,R分别为前轴、后轴的侧倾刚度，F_z,F、F_z,R分别为本车前轴、后轴的垂向载荷，w为本车左右车轮的轮距，F_z,F＝m_vgl_R/(l_F+l_R)，F_z,R＝m_vgl_F/(l_F+l_R)。

在本发明实施例中，对于通过了碰撞风险评估、行驶安全风险评估的备选变道轨迹，依次计算舒适性成本，输出舒适性成本最低的备选变道轨迹。其中，第i条备选变道轨迹的舒适性成本J_i计算公式具体如下：

J_i＝W₁∫|a_y|ds_i+W₂∫|r|ds_i+W₃∫|δ_SW|ds_i；

其中，W₁、W₂、W₃为权重系数，取值为0～1，且W₁+W₂+W₃＝1，δ_SW为本车的方向盘转角，s_i为备选变道轨迹T_i的路径，r为本车的横摆角速度，a_y为本车的横向加速度。

在本发明实施例中，若经碰撞风险评估、行驶安全风险评估后，备选池中没有备选变道轨迹，则发出驾驶员接管请求，表明当前工况比较危险，系统应做功能退出并请求驾驶员接管，以提高车辆的行车安全性。

本发明还提供了一种车辆变道轨迹规划系统，该系统包括：设于车辆前端的前视摄像头，分别采集当前车辆前方的道路图像，并发送至处理器，用于提取车道及车道信息、前方的目标车辆及目标车辆信息；

设于车辆前保险杠及后保险杠内的角雷达，用于检测前方、侧向及后方的目标车辆及目标车辆信息，并发送至处理器，处理器对前视摄像头及角雷达检测到的前方目标车辆信息进行融合，融合后的前方目标车辆信息作为当前前方目标车辆信息；

处理器基于上述车辆变道轨迹规划方法来生成当前的变道轨迹。

本发明还提供一种汽车，该汽车上集成有上述车辆变道轨迹规划系统，其中前视摄像头集成于前挡风玻璃，处理器单独设置于车辆或者集成在车辆的整车控制器上。

本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种车辆变道轨迹规划方法，其特征在于，所述车辆变道轨迹规划方法具体包括如下步骤：

S1、采集本车所在车道及侧临变道车道的车道信息，确定本车道及侧临变道车道上的目标车辆及目标车辆信息；

S2、在行驶前方的侧临变道车道上生成一组预瞄点，以本车当前位姿为起点，预瞄点位姿为终点，形成多条备选变道轨迹，放入备选池中；

S3、在备选池中删除存在碰撞风险、行驶安全风险的备选变道轨迹，将备选池中舒适性成本最小的备选变道轨迹作为当前的变道轨迹出。

2.如权利要求1所述车辆变道轨迹规划方法，其特征在于，目标车辆包括本车所在车道、侧临变道车道中行驶前方、行驶后方距本车最近的其他车辆，以及侧临变道车道的并列行驶车辆；

目标车辆的信息包括：目标车辆在本车坐标系下相对于本车的纵向距离和纵向车速。

3.如权利要求1所述车辆变道轨迹规划方法，其特征在于，车道信息包括：车道在本车坐标系下的横向坐标、朝向角及曲率。

4.如权利要求1所述车辆变道轨迹规划方法，其特征在于，备选变道轨迹的形成过程具体如下：

将侧临变道车道的前方摄像头拍摄范围作为预瞄区域，在预瞄区域内设置一组预瞄点，确定每个预瞄点的位姿X_F,i＝[x_f,i,y_f,i,θ_f,i,κ_f,i]^T；

以本车当前位姿X₀＝[x₀,y₀,θ₀,κ₀]^T为起点，预瞄点位姿X_F,i＝[x_f,i,y_f,i,θ_f,i,κ_f,i]^T为终点，采用五次多项式进行轨迹拟合，得到备选变道轨迹T_i；

(x₀,y₀)为本车在车辆坐标系下的坐标，θ₀为本车所在车道在车辆坐标下的朝向角，κ₀为本车所在车道在本车坐标下的曲率，(x_f,i,y_f,i)为第i个预瞄点在本车坐标系下的坐标，θ_f,i、κ_f,i分别表示第i个预瞄点所在车道的朝向角、曲率，i的取值为1至N，N为预瞄区域内的预瞄点总数。

5.如权利要求1所述车辆变道轨迹规划方法，其特征在于，碰撞风险评估方法如下：

根据目标车辆在本车坐标系下相对于本车的纵向距离、侧向距离和纵向车速、侧向车速，分别计算对应目标车辆相对于对本车的碰撞时间TTC，若存在一个目标车辆的碰撞时间TTC低于设定门限值，则判定本车具有碰撞风险，并备选变道轨迹T_i从备选池中剔除。

6.如权利要求1所述车辆变道轨迹规划方法，其特征在于，行驶安全风险评估过程具体如下：

(1)若本车为低质心车型，则基于2-DOF车辆模型采用相平面分析方法构建车辆a_y-r相平面操纵稳定性边界，当车辆状态接近边界时，则判定车辆具有失稳风险，从备选池中删除存在失稳风险的备选变道轨迹；

(2)若本车为高质心车型，则先基于3-DOF车辆模型采用相平面分析方法构建a_y-r相平面操纵稳定性边界，当车辆状态接近边界时，则判定车辆具有失稳风险，从备选池中删除存在失稳风险的备选变道轨迹，再采用最大载荷转移率对车辆侧翻倾向进行评估，从备选池中删除存在侧翻倾向风险的备选变道轨迹。

7.如权利要求1所述车辆变道轨迹规划方法，其特征在于，第i条备选变道轨迹的舒适性成本J_i计算公式具体如下：

J_i＝W₁∫|a_y|ds_i+W₂∫|r|ds_i+W₃∫|δ_SW|ds_i；

其中，W₁、W₂、W₃为权重系数，取值为0～1，且W₁+W₂+W₃＝1，δ_SW为本车的方向盘转角，s_i为备选变道轨迹T_i的路径，r为本车的横摆角速度，a_y为本车的横向加速度。

8.一种车辆变道轨迹规划系统，其特征在于，所述系统包括：

设于车辆前端的前视摄像头，采集当前车辆前方的道路图像，用于提取车道及车道信息、前方的目标车辆及目标车辆信息，并发送至处理器；

设于车辆前保险杠及后保险杠内的角雷达，采集当前车辆前方、侧向及后方的目标车辆及目标车辆信息，并发送至处理器；

处理器基于权利要求1至7任一项所述车辆变道轨迹规划方法来规划当前的变道轨迹。

9.一种汽车，其特征在于，所述汽车上集成有如权利要求8所述车辆变道轨迹规划系统，其中，前视摄像头集成于前挡风玻璃。