CN117400966A - 自动换道方法、系统、设备及存储介质 - Google Patents

自动换道方法、系统、设备及存储介质 Download PDF

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CN117400966A CN202311413704.7A CN202311413704A CN117400966A CN 117400966 A CN117400966 A CN 117400966A CN 202311413704 A CN202311413704 A CN 202311413704A CN 117400966 A CN117400966 A CN 117400966A
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林洪振
李明辉
赵玉超
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Abstract

本申请提供一种自动换道方法、系统、设备及存储介质，涉及车辆驾驶技术领域。该方法基于信息采集单元中的车路通信V2I获取包括目标距离和车辆行驶信息的车辆状态信息后，在检测到目标距离大于预设安全距离时，获取满足道路边界约束条件的用于表征车辆横向换道轨迹的换道多项式，并通过位移函数式表征车辆纵向换道轨迹，根据换道多项式和车辆行驶信息获取换道时间目标函数后，根据满足预设约束条件的换道时间目标函数获取最优换道时间，基于最优换道时间，根据换道多项式和位移函数式确认的目标车辆换道轨迹生成控制信号，并发送至执行机构，以实现车辆的自动换道，从而满足了自动驾驶车辆高实时性和可靠性的要求。

Description

自动换道方法、系统、设备及存储介质
技术领域
本申请涉及车辆驾驶技术，尤其涉及一种自动换道方法、系统、设备及存储介质。
背景技术
随着社会和科技的进步发展，自动驾驶技术在封闭区域、半开放道路的场景应用越来越广泛，如矿区、港口、封闭物流园等场景，因此对于自动驾驶时遭遇障碍物时能够及时的车辆换道进行自主避让，以控制车辆安全驾驶就尤为重要。
而随着驾驶辅助系统的进步发展，现有车辆换道的技术方案一般是基于搜索算法的换道规划方法如栅格算法、扩展随机树算法等，基于优化的算法有模型预测算法、滚动窗口算法等，而这两种算法方案所得解为局部最优解，实时性较差，因此不能满足自动驾驶车辆高实时性要求，而基于参数化曲线换道规划方法如等速偏移曲线法、贝塞尔曲线法在面对复杂环境时的轨迹曲率连续性和换道灵活性上存在不足。
因此现有技术在封闭区域的复杂环境下车辆换道的实时性较低、连续性和换道灵活性方面仍有所欠缺。
发明内容
本申请提供一种自动换道方法、系统、设备及存储介质，用以解决现有技术在封闭区域的复杂环境下车辆换道的实时性较低、连续性和换道灵活性方面仍有所欠缺的问题。
第一方面，本申请提供一种自动换道方法，包括：
通过各车载传感器和路侧传感器获取车辆状态信息，所述车辆状态信息包括目标距离和车辆行驶信息，若所述目标距离大于预设安全距离，获取满足道路边界约束条件的换道多项式，所述换道多项式用于表征车辆横向换道轨迹，通过位移函数式表征车辆纵向换道轨迹，所述车辆在纵向上匀速移动，其中，所述目标距离用于指示当前车辆与前方障碍车辆的距离，所述车辆行驶信息包括车辆纵向速度、车辆横向速度和前轮转角；
根据所述换道多项式和所述车辆行驶信息获取换道时间目标函数，根据满足预设约束条件的所述换道时间目标函数获取最优换道时间，基于所述最优换道时间，根据所述换道多项式和所述位移函数式获取目标车辆换道轨迹；
根据所述目标车辆换道轨迹生成控制信号，并发送至执行机构，以实现车辆的自动换道。
在一种可能的设计中，所述获取满足道路边界约束条件的换道多项式，包括：
所述道路边界约束条件为对车辆初始位置状态和车辆结束位置状态的限定，以保证车辆运动的安全性，所述车辆初始位置状态包括车辆各方向初始位置的位移、加速度和速度，以及经过换道时间后，车辆各方向结束位置的位移、加速度和速度；
其中，车辆初始纵向位移和车辆初始纵向加速度为零，车辆初始纵向速度不变，经过所述换道时间后，车辆结束纵向位移为所述车辆初始纵向速度和所述换道时间的乘积，车辆结束纵向加速度保持为零，车辆结束纵向速度与所述车辆初始纵向速度相同；
车辆初始横向位移、车辆初始横向加速度和车辆初始横向速度均为零，经过所述换道时间后，车辆结束横向位移为预设车道宽度，车辆结束横向加速度和车辆结束横向速度均为零，其中，所述换道多项式基于所述预设车道宽度和所述换道时间指示获取。
在一种可能的设计中，所述根据所述换道多项式和所述车辆行驶信息获取换道时间目标函数，包括：
获取所述换道多项式的二阶导数，用于指示车辆横向加速度，获取所述二阶导数的一阶导数，用于指示横向加速度变化率，通过所述一阶导数为零时对应的所述二阶导数，获取最大车辆横向加速度；
根据所述最大车辆横向加速度和预设转换关系获取横摆角速度，其中，所述预设转换关系用于指示根据所述车辆纵向速度和所述前轮转角，获取所述车辆横向加速度和横摆角速度，其中，所述横摆角速度处于预设区间范围；
根据所述车辆横向加速度、换道时间和所述横摆角速度获取换道时间目标函数。
在一种可能的设计中，所述根据所述车辆横向加速度、换道时间和所述横摆角速度获取换道时间目标函数，包括：
获取所述车辆横向加速度与所述最大车辆横向加速度的绝对值的第一商值，获取换道时间与最大换道时间绝对值的第二商值，获取所述横摆角速度与最大横摆角速度的第三商值，将用于获取所述第一商值、第二商值与第三商值的最小和值的函数式，作为最小和值函数；
根据所述最小和值函数获取所述换道时间目标函数，并根据满足所述预设约束条件的所述换道时间目标函数获取最优换道时间；
其中，所述预设约束条件包括所述车辆横向加速度小于所述最大车辆横向加速度，所述换道时间处于预设时间区间，所述横摆角速度小于最大横摆角速度。
在一种可能的设计中，所述根据所述最小和值函数获取所述换道时间目标函数，并根据满足所述预设约束条件的所述换道时间目标函数获取最优换道时间，包括：
通过所述车辆横向加速度和所述横摆角速度分别与所述换道时间的所述预设转换关系，将所述最小和值函数转化为关于换道时间的函数，并作为所述换道时间目标函数，将预设约束条件转化为关于换道时间的约束条件，作为换道时间约束条件；
根据满足所述换道时间约束条件的所述换道时间目标函数获取所述最优换道时间；
根据所述最优换道时间和所述换道多项式获取目标车辆横向换道函数，将所述位移函数式作为所述目标车辆纵向换道函数，通过所述目标车辆横向换道函数和所述目标车辆纵向换道函数获取所述目标车辆换道轨迹。
第二方面，本申请提供一种自动换道系统，包括：信息采集单元、通信单元和车载终端单元；
所述信息采集单元用于获取本车和周围车辆的状态信息，并将所述状态信息发送至所述通信单元，所述状态信息包括位置、速度和航向；
所述通信单元用于通过车路通信V2I获取路侧传感器发送的路况信息，并将所述状态信息和所述路况信息发送至所述车载终端单元；
所述车载终端单元用于执行自动换道方法。
第三方面，本申请提供一种自动换道装置，包括：
获取模块，用于通过各车载传感器和路侧传感器获取车辆状态信息，所述车辆状态信息包括目标距离和车辆行驶信息，若所述目标距离大于预设安全距离，获取满足道路边界约束条件的换道多项式，所述换道多项式用于表征车辆横向换道轨迹，通过位移函数式表征车辆纵向换道轨迹，所述车辆在纵向上匀速移动，其中，所述目标距离用于指示当前车辆与前方障碍车辆的距离，所述车辆行驶信息包括车辆纵向速度、车辆横向速度和前轮转角；
处理模块，用于根据所述换道多项式和所述车辆行驶信息获取换道时间目标函数，根据满足预设约束条件的所述换道时间目标函数获取最优换道时间，基于所述最优换道时间，根据所述换道多项式和所述位移函数式获取目标车辆换道轨迹；
执行模块，用于根据所述目标车辆换道轨迹生成控制信号，并发送至执行机构，以实现车辆的自动换道。
第四方面，本申请提供一种电子设备，包括：处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器；
所述存储器存储计算机执行指令；
所述处理器执行所述存储器存储的计算机执行指令，以实现自动换道方法。
第五方面，本申请提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令，所述计算机执行指令被处理器执行时用于实现自动换道方法。
本申请提供的自动换道方法、系统、设备及存储介质，通过各车载传感器和路侧传感器获取包括目标距离和车辆行驶信息的车辆状态信息后，在检测到目标距离大于预设安全距离时，获取满足道路边界约束条件的用于表征车辆横向换道轨迹的换道多项式，并通过位移函数式表征车辆纵向换道轨迹，根据换道多项式和车辆行驶信息获取换道时间目标函数后，根据满足预设约束条件的所述换道时间目标函数获取最优换道时间，基于最优换道时间，根据换道多项式和位移函数式确认的目标车辆换道轨迹生成控制信号，并发送至执行机构，以实现车辆的自动换道，从而满足了自动驾驶车辆高实时性和可靠性的要求，并且通过车路通信V2I实现车路协同，避免了各车载传感器在复杂场景下感知受限的缺陷。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本申请实施例提供的自动换道方法的流程示意图一；
图2为本申请实施例提供的自动换道方法的流程示意图二；
图3为本申请实施例提供的自动换道系统的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的自动换道示意图；
图5为本申请实施例提供的自动换道装置的结构示意图；
图6为本申请实施例提供的电子设备的硬件结构示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子，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作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。
自动驾驶系统作为一个集合环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，在封闭区域或者半开放道路的场景中得到了广泛地应用，而在面对道路中出现故障车辆或者障碍物等情况时，车辆需要通过自动驾驶系统进行提前换道以规避前方的障碍车辆。
对于车辆行驶在雨天、大雾或者存在严重灰尘的应用场景中时，此时车辆容易出现侧滑、甩尾和由于识别预警距离低，而现有技术对于这种复杂应用环境并不能够及时的准确获取相关参数，亦即对于该工况的危险性不能准确识别，从而导致车辆的行驶发生安全风险，并且现有技术的车辆换道规划方案通常是基于搜索算法的换道规划方法或者基于优化的模型预测算法，而这种车辆换道规划方案存在实时性较差的缺陷，因此不能满足自动驾驶车辆高实时性要求，而对于基于参数化曲线换道规划方法在车辆轨迹曲率连续性和换道灵活性上有一定欠缺，亦即在车辆换道时的可靠性上存在不足。
本申请提供了一种自动换道方法，通过各车载传感器和路侧传感器获取包括目标距离和车辆行驶信息的车辆状态信息后，在检测到目标距离大于预设安全距离时，获取满足道路边界约束条件的用于表征车辆横向换道轨迹的换道多项式，并通过位移函数式表征车辆纵向换道轨迹，根据换道多项式和车辆行驶信息获取换道时间目标函数后，根据满足预设约束条件的所述换道时间目标函数获取最优换道时间，基于最优换道时间，根据换道多项式和位移函数式确认的目标车辆换道轨迹生成控制信号，并发送至执行机构，以实现车辆的自动换道，从而满足了自动驾驶车辆高实时性和可靠性的要求，并且通过车路通信V2I实现车路协同，避免了各车载传感器在复杂场景下感知受限的缺陷。
下面采用具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。
实施例一
图1为本申请实施例提供的自动换道方法流程示意图一。图4为本申请实施例提供的自动换道示意图。结合图1和图4所示，该方法包括：
S101、通过各车载传感器和路侧传感器获取车辆状态信息，所述车辆状态信息包括目标距离和车辆行驶信息，若所述目标距离大于预设安全距离，获取满足道路边界约束条件的换道多项式，所述换道多项式用于表征车辆横向换道轨迹，通过位移函数式表征车辆纵向换道轨迹，所述车辆在纵向上匀速移动，其中，所述目标距离用于指示当前车辆与前方障碍车辆的距离，所述车辆行驶信息包括车辆纵向速度、车辆横向速度和前轮转角；
具体来说，在封闭的道路区域中，通过车辆的信息采集单元中各车载传感器如车载相机、毫米波雷达和激光雷达获取周围环境信息，并通过通信单元获取路侧传感器发送的V2I(Vehicle to Infrastructure)消息，根据V2I消息获取车辆的位置、速度、加速度以及路况信息，基于各车载传感器获取的周围环境信息和路侧传感器的车辆相关信息进行数据融合，以获取包括目标距离和车辆行驶信息的车辆状态信息，并检测当前车辆与前方障碍车辆的距离是否大于预设安全距离，若检测到大于预设安全距离，则进行车辆换道动作，以规避前方障碍车辆，避免危险事故发生，若检测到小于或者等于预设安全距离，则维持当前车辆行驶动作，不进行车辆换道动作。
S102、根据所述换道多项式和所述车辆行驶信息获取换道时间目标函数，根据满足预设约束条件的所述换道时间目标函数获取最优换道时间，基于所述最优换道时间，根据所述换道多项式和所述位移函数式获取目标车辆换道轨迹；
具体来说，在检测到当前车辆与前方障碍车辆的距离大于预设安全距离，亦即检测到目标距离大于预设安全距离时，进行车辆换道动作，使得当前车辆在行驶方向的速度匀速行驶，亦即在换到过程中纵向速度保持不变，在换道方向以初始速度为零进行加速动作，并在换道动作完成后的换道方向的结束速度为零，将换道前后的车辆速度位移状态作为道路边界约束条件，从而通过满足道路边界约束条件的换道多项式表征车辆横向换道轨迹，并基于换道多项式获取最优换道时间，根据最优换道时间转化换道多项式，以获取表征目标车辆横向换道轨迹的多项式，根据转化后的换道多项式和位移函数式获取目标车辆换道轨迹。
S103、根据所述目标车辆换道轨迹生成控制信号，并发送至执行机构，以实现车辆的自动换道。
具体来说，在根据换道多项式和位移函数式获取到目标车辆换道轨迹后，将生成的目标车辆换道轨迹发送至车辆控制器，使得车辆控制器能够根据标车辆换道轨迹生成相应的控制信号后，将控制信号发送至对应的执行机构中，进行相应的车辆动作，以实现车辆在检测到与前方障碍车辆的目标距离小于预设安全距离时进行自动换道，避免了由于距离过近造成危险事故发生。
本实施例提供了一种自动换道方法，通过各车载传感器和路侧传感器获取包括目标距离和车辆行驶信息的车辆状态信息后，在检测到目标距离大于预设安全距离时，获取满足道路边界约束条件的用于表征车辆横向换道轨迹的换道多项式，并通过位移函数式表征车辆纵向换道轨迹，根据换道多项式和车辆行驶信息获取换道时间目标函数后，根据满足预设约束条件的所述换道时间目标函数获取最优换道时间，基于最优换道时间，根据换道多项式和位移函数式确认的目标车辆换道轨迹生成控制信号，并发送至执行机构，以实现车辆的自动换道，从而满足了自动驾驶车辆高实时性和可靠性的要求，并且通过车路通信V2I实现车路协同，避免了各车载传感器在复杂场景下感知受限的缺陷。
下面采用一个具体的实施例，对本申请的自动换道方法进行详细说明。
实施例二
图2为本申请实施例提供的自动换道方法流程示意图二。如图2所示，所述方法包括：
S201、通过各车载传感器和路侧传感器获取车辆状态信息，所述车辆状态信息包括目标距离和车辆行驶信息；
具体来说，步骤S201与步骤S101的实现方式类似，本实施例此处不做赘述。
S202、若所述目标距离大于预设安全距离，获取满足道路边界约束条件的换道多项式，所述换道多项式用于表征车辆横向换道轨迹；
具体来说，在检测到当前车辆与前方障碍车辆的距离大于预设安全距离，亦即检测到目标距离大于预设安全距离时，进行车辆换道动作，通过初始多项式表征换道轨迹，通过如下函数公式表示：
其中，x(t)为换道过程中纵向位移，y(t)为换道过程中横向位移，ai、bi(i＝0,1,...5)为待定系数，通过车辆换道的初始状态和车辆换道的结束状态确认换道轨迹满足的道路边界约束条件；
其中，道路边界约束条件为对车辆初始位置状态和车辆结束位置状态的限定，以保证车辆运动的安全性，车辆初始位置状态包括车辆各方向初始位置的位移、加速度和速度，以及经过换道时间后，车辆各方向结束位置的位移、加速度和速度；
进一步地，车辆初始纵向位移和车辆初始纵向加速度为零，车辆初始纵向速度不变，经过换道时间后，车辆结束纵向位移为车辆初始纵向速度和换道时间的乘积，车辆结束纵向加速度保持为零，车辆结束纵向速度与车辆初始纵向速度相同，亦即车辆纵向速度在换道前后保持不变；
进一步地，车辆初始横向位移、车辆初始横向加速度和车辆初始横向速度均为零，经过换道时间后，车辆结束横向位移为预设车道宽度，车辆结束横向加速度和车辆结束横向速度均为零，其中，换道多项式基于预设车道宽度和所述换道时间指示获取，道路边界约束条件通过如下表示：
其中，t0为换道开始时刻，通常取t0＝0；tf为换道时长；W为常量如4m通常与车道宽度相等；D为车辆在纵向上行驶的位移；
进一步地，在换道过程中纵向速度保持不变，则有D＝vxtf，根据道路边界约束条件对初始多项式进行求解，以获取各系数，并通过如下公式表示：
其中，Vx为纵向上的行驶速度；tf为换道时长；W为常量如4m通常与车道宽度相等；D为车辆在纵向上行驶的位移，并将获取的各系数代入初始多项式中，获取满足道路边界约束条件的换道多项式，通过如下公式表示：
其中，x(t)为换道过程中纵向位移；y(t)为换道过程中满足道路边界约束条件的横向位移，亦即用于表征车辆横向换道轨迹的换道多项式，因此换道过程中唯一的独立变量为换道时长tf，确定换道时长，即可确定换道轨迹。
S203、获取所述换道多项式的二阶导数，用于指示车辆横向加速度，获取所述二阶导数的一阶导数，用于指示横向加速度变化率，通过所述一阶导数为零时对应的所述二阶导数，获取最大车辆横向加速度；
具体来说，在车辆进行换道时，如果横向加速度太大，车辆会发生侧滑或者侧翻，所以要对车辆换道时的横向加速度进行约束，以避免危险的发生，车辆的横向力应限制在轮胎附着力约束范围内，因此轮胎所能达到的最大附着力通过如下公式表示：
Fmax＝μg，
其中，μ为路面附着系数，为常量，根据场景确定；g为重力加速度，由此可得车辆纵向加速度ax和横向加速度ay约束为由于换道时纵向速度不变，可得ay max≤μg，其中，ay max为最大横向加速度；
进一步地，通过换道时间亦即换道时长对最大横向加速度进行约束，获取用于指示车辆横向加速度的换道多项式的二阶导数，通过如下公式表示：
其中，tf为换道时长；W为车道宽度常量；获取指示横向加速度变化率的该二阶导数的一阶导数，通过如下公式表示：
其中，当jy(t)＝0时，ay(t)取极值，可得最大横向加速度，并通过如下公式表示：
其中，ay(max)为最大横向加速度，进一步地，基于最大横向加速度获取最小换道时间，并通过如下公式表示：
其中，tf(min)为最小换道时间，tf为换道时长；W为车道宽度常量。
S204、根据所述最大车辆横向加速度和预设转换关系获取横摆角速度，其中，所述预设转换关系用于指示根据所述车辆纵向速度和所述前轮转角，获取所述车辆横向加速度和横摆角速度；
具体来说，在获取到最大横向加速度，实现通过横向加速度对车辆换道过程的约束后，需要通过横摆角速度对车辆换道过程作进一步约束，以保证车辆换道过程的稳定性，使得横摆角速度处于预设区间范围，亦即通过换道时间亦即换道时长对横摆角速度进行约束，使得此时的约束条件为-0.15rad/s＜wr(t)＜0.15rad/s，wr为横摆角速度；
进一步地，根据线性二自由度车辆模型，在线性区域内，车辆横向加速度与前轮转角、车辆纵向速度的关系通过如下公式表示：
其中，δ为前轮转角，Lc为车辆轴距，K为稳定性因子，ay为车辆横向加速度；进一步地，横摆角速度与前轮转角、车辆纵向速度的关系通过如下公式表示：
其中，δ为前轮转角，Lc为车辆轴距，K为稳定性因子，wr为横摆角速度，基于车辆横向加速度和横摆角速度，分别与前轮转角、车辆纵向速度的关系亦即预设转换关系，获取通过换道时间表征横摆角速度的公式，亦即通过如下公式表示：
其中，tf为换道时长，W为车道宽度常量，Vx为车辆纵向速度。
S205、获取所述车辆横向加速度与所述最大车辆横向加速度的绝对值的第一商值，获取换道时间与最大换道时间绝对值的第二商值，获取所述横摆角速度与最大横摆角速度的第三商值，将用于获取所述第一商值、第二商值与第三商值的最小和值的函数式，作为最小和值函数；
具体来说，再通过最大横向加速度和横摆角速度对车辆换道过程进行约束后，为得到合理换道时长下的最优轨迹，引入轨迹评价函数进行最优化选取，选择最大横向加速度、换道时间和横摆角速度为优化变量，亦即获取最小和值函数，通过如下公式表示：
其中，ay为横向加速度，tf为换道时长，wr为横摆角速度。
S206、通过所述车辆横向加速度和所述横摆角速度分别与所述换道时间的所述预设转换关系，将所述最小和值函数转化为关于换道时间的函数，并作为所述换道时间目标函数；
具体来说，在获取到最小和值函数后，基于获取的通过换道时间表征车辆横向加速度，以及通过换道时间表征横摆角速度的预设转换关系，将最小和值函数转化为关于换道时间的函数，并作为换道时间目标函数，通过如下公式表示：
其中，tf为换道时长，W为车道宽度常量，Vx为车辆纵向行驶速度，μ为路面附着系数，g为重力加速度。
S207、根据满足所述换道时间约束条件的所述换道时间目标函数获取所述最优换道时间；
具体来说，在获取到换道时间目标函数后，根据满足预设约束条件的换道时间目标函数获取最优换道时间，并将预设约束条件转化为关于换道时间的约束条件，作为换道时间约束条件，换道时间约束条件包括车辆横向加速度小于最大车辆横向加速度，换道时间处于预设时间区间，横摆角速度小于最大横摆角速度，通过如下公式表示：
其中，ay为车辆横向加速度，tf为换道时长，wr为横摆角速度。
S208、根据所述最优换道时间和所述换道多项式获取目标车辆横向换道函数；
具体来说，在获取到最优换道时间后，将最优换道时间代入至满足道路边界约束条件的换道多项式中的换道时间，以获取关于运动时间的横向换道轨迹，并将代入最优换道时间后的换道多项式作为目标车辆横向换道函数。
S209、通过位移函数式表征车辆纵向换道轨迹，所述车辆在纵向上匀速移动，将所述位移函数式作为所述目标车辆纵向换道函数；
具体来说，在将最优换道时间代入换道多项式，获取到目标车辆横向换道函数后，由于车辆在换道过程中的纵向速度保持不变，将表征车辆纵向换道轨迹的位移函数式作为目标车辆纵向换道函数，使得通过目标车辆横向换道函数和目标车辆纵向换道函数获取目标车辆换道轨迹。
S210、通过所述目标车辆横向换道函数和所述目标车辆纵向换道函数获取所述目标车辆换道轨迹，根据所述目标车辆换道轨迹生成控制信号，并发送至执行机构，以实现车辆的自动换道；
具体来说，在通过目标车辆横向换道函数和目标车辆纵向换道函数获取目标车辆换道轨迹后，获取得到目标车辆换道轨迹的计算时间，若检测到计算时间小于预设时间，则将目标车辆换道轨迹发送至车辆控制器中生成相应的控制信号后，将控制信号发送至对应的执行机构中，以实现车辆的自动换道，若检测到计算时间大于或者等于预设时间，则发出提示信息，以提醒后端操作人员及时介入。
本实施例提供了一种自动换道方法，通过各车载传感器和路侧传感器获取包括目标距离和车辆行驶信息的车辆状态信息后，在检测到目标距离大于预设安全距离时，获取满足道路边界约束条件的用于表征车辆横向换道轨迹的换道多项式，并通过位移函数式表征车辆纵向换道轨迹，根据换道多项式和车辆行驶信息获取换道时间目标函数后，根据满足预设约束条件的所述换道时间目标函数获取最优换道时间，基于最优换道时间，根据换道多项式和位移函数式确认的目标车辆换道轨迹生成控制信号，并发送至执行机构，以实现车辆的自动换道，从而满足了自动驾驶车辆高实时性和可靠性的要求，并且通过车路通信V2I实现车路协同，避免了各车载传感器在复杂场景下感知受限的缺陷。
本发明实施例可以根据上述方法示例对电子设备或主控设备进行功能模块的划分，例如，可以对应各个功能划分各个功能模块，也可以将两个或两个以上的功能集成在一个处理单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。需要说明的是，本发明实施例中对模块的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。
图3为本申请实施例提供的自动换道系统的结构示意图，本实施例中的自动换道系统可以实现自动换道方法，如图3所示，该自动换道系统包括信息采集单元、通信单元和车载终端单元；
其中，信息采集单元用于获取本车和周围车辆的状态信息亦即周围车辆信息和本车信息，并将所述状态信息发送至所述通信单元，所述状态信息包括位置、速度和航向；
通信单元用于通过车路通信V2I获取信息采集单元中路侧传感器发送的路况信息，并将所述状态信息和所述路况信息发送至所述车载终端单元；
车载终端单元用于执行自动换道方法，其中，车载终端单元中的终端处理器在接收到通信单元发送的状态信息和路况信息后，进行数据处理，并将数据处理后的信息通过换道辅助亦即实现自动换道方法，获取目标车辆换道轨迹，并将目标车辆换道轨迹发送至控制器进行执行，实现车辆的自动换道；
进一步地，通信单元中的车路通信V2I通过图像识别当前距离最近的车辆是否为目标车辆，若检测到当前距离最近的车辆为目标车辆，则将检测获得的当前路段的所述路况信息发送至所述的所述目标车辆的通信单元，否则不发送所述路况信息。
图5为本申请实施例提供的自动换道装置的结构示意图。如图5所示，该装置50包括：
获取模块501，用于通过各车载传感器和路侧传感器获取车辆状态信息，所述车辆状态信息包括目标距离和车辆行驶信息，若所述目标距离大于预设安全距离，获取满足道路边界约束条件的换道多项式，所述换道多项式用于表征车辆横向换道轨迹，通过位移函数式表征车辆纵向换道轨迹，所述车辆在纵向上匀速移动，其中，所述目标距离用于指示当前车辆与前方障碍车辆的距离，所述车辆行驶信息包括车辆纵向速度、车辆横向速度和前轮转角；
处理模块502，用于根据所述换道多项式和所述车辆行驶信息获取换道时间目标函数，根据满足预设约束条件的所述换道时间目标函数获取最优换道时间，基于所述最优换道时间，根据所述换道多项式和所述位移函数式获取目标车辆换道轨迹；
执行模块503，用于根据所述目标车辆换道轨迹生成控制信号，并发送至执行机构，以实现车辆的自动换道。
进一步的，获取模块501中的道路边界约束条件为对车辆初始位置状态和车辆结束位置状态的限定，以保证车辆运动的安全性，所述车辆初始位置状态包括车辆各方向初始位置的位移、加速度和速度，以及经过换道时间后，车辆各方向结束位置的位移、加速度和速度：
其中，车辆初始纵向位移和车辆初始纵向加速度为零，车辆初始纵向速度不变，经过所述换道时间后，车辆结束纵向位移为所述车辆初始纵向速度和所述换道时间的乘积，车辆结束纵向加速度保持为零，车辆结束纵向速度与所述车辆初始纵向速度相同；
车辆初始横向位移、车辆初始横向加速度和车辆初始横向速度均为零，经过所述换道时间后，车辆结束横向位移为预设车道宽度，车辆结束横向加速度和车辆结束横向速度均为零，其中，所述换道多项式基于所述预设车道宽度和所述换道时间指示获取。
进一步的，处理模块502，具体用于获取所述换道多项式的二阶导数，用于指示车辆横向加速度，获取所述二阶导数的一阶导数，用于指示横向加速度变化率，通过所述一阶导数为零时对应的所述二阶导数，获取最大车辆横向加速度；
根据所述最大车辆横向加速度和预设转换关系获取横摆角速度，其中，所述预设转换关系用于指示根据所述车辆纵向速度和所述前轮转角，获取所述车辆横向加速度和横摆角速度，其中，所述横摆角速度处于预设区间范围；
根据所述车辆横向加速度、换道时间和所述横摆角速度获取换道时间目标函数。
进一步的，处理模块502，具体用于获取所述车辆横向加速度与所述最大车辆横向加速度的绝对值的第一商值，获取换道时间与最大换道时间绝对值的第二商值，获取所述横摆角速度与最大横摆角速度的第三商值，将用于获取所述第一商值、第二商值与第三商值的最小和值的函数式，作为最小和值函数；
根据所述最小和值函数获取所述换道时间目标函数，并根据满足所述预设约束条件的所述换道时间目标函数获取最优换道时间；
其中，所述预设约束条件包括所述车辆横向加速度小于所述最大车辆横向加速度，所述换道时间处于预设时间区间，所述横摆角速度小于最大横摆角速度。
进一步的，处理模块502，具体用于通过所述车辆横向加速度和所述横摆角速度分别与所述换道时间的所述预设转换关系，将所述最小和值函数转化为关于换道时间的函数，并作为所述换道时间目标函数，将预设约束条件转化为关于换道时间的约束条件，作为换道时间约束条件；
根据满足所述换道时间约束条件的所述换道时间目标函数获取所述最优换道时间；
根据所述最优换道时间和所述换道多项式获取目标车辆横向换道函数，将所述位移函数式作为所述目标车辆纵向换道函数，通过所述目标车辆横向换道函数和所述目标车辆纵向换道函数获取所述目标车辆换道轨迹。
本实施例提供的自动换道装置，可执行上述实施例的自动换道方法，其实现原理和技术效果类似，本实施例此处不再赘述。
在前述的自动换道装置的具体实现中，各模块可以被实现为处理器，处理器可以执行存储器中存储的计算机执行指令，使得处理器执行上述的自动换道方法。
图6为本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。如图6所示，该电子设备60包括：至少一个处理器601和存储器602。该电子设备60还包括通信部件603。其中，处理器601、存储器602以及通信部件603通过总线604连接。
在具体实现过程中，至少一个处理器601执行所述存储器602存储的计算机执行指令，使得至少一个处理器601执行如上电子设备侧所执行的自动换道方法。
处理器601的具体实现过程可参见上述方法实施例，其实现原理和技术效果类似，本实施例此处不再赘述。
在上述实施例中，应理解，处理器可以是中央处理单元(英文：CentralProcessing Unit，简称：CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(英文：DigitalSignal Processor，简称：DSP)、专用集成电路(英文：Application Specific IntegratedCircuit，简称：ASIC)等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合发明所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。
存储器可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储NVM，例如至少一个磁盘存储器。
总线可以是工业标准体系结构(Industry Standard Architecture，ISA)总线、外部设备互连(Peripheral Component，PCI)总线或扩展工业标准体系结构(ExtendedIndustry Standard Architecture，EISA)总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，本申请附图中的总线并不限定仅有一根总线或一种类型的总线。
上述针对电子设备以及主控设备所实现的功能，对本发明实施例提供的方案进行了介绍。可以理解的是，电子设备或主控设备为了实现上述功能，其包含了执行各个功能相应的硬件结构和/或软件模块。结合本发明实施例中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，本发明实施例能够以硬件或硬件和计算机软件的结合形式来实现。某个功能究竟以硬件还是计算机软件驱动硬件的方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同的方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明实施例的技术方案的范围。
本申请还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令，当处理器执行所述计算机执行指令时，实现如上自动换道方法。
上述的计算机可读存储介质，上述可读存储介质可以是由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，可编程只读存储器(PROM)，只读存储器(ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。可读存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。
一种示例性的可读存储介质耦合至处理器，从而使处理器能够从该可读存储介质读取信息，且可向该可读存储介质写入信息。当然，可读存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和可读存储介质可以位于专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuits，简称：ASIC)中。当然，处理器和可读存储介质也可以作为分立组件存在于电子设备或主控设备中。
本申请还提供了一种计算机程序产品，计算机程序产品包括：计算机程序，计算机程序存储在可读存储介质中，电子设备的至少一个处理器可以从可读存储介质读取计算机程序，至少一个处理器执行计算机程序使得电子设备执行上述任一实施例提供的方案。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种自动换道方法，其特征在于，所述方法包括：
通过各车载传感器和路侧传感器获取车辆状态信息，所述车辆状态信息包括目标距离和车辆行驶信息，若所述目标距离大于预设安全距离，获取满足道路边界约束条件的换道多项式，所述换道多项式用于表征车辆横向换道轨迹，通过位移函数式表征车辆纵向换道轨迹，所述车辆在纵向上匀速移动，其中，所述目标距离用于指示当前车辆与前方障碍车辆的距离，所述车辆行驶信息包括车辆纵向速度、车辆横向速度和前轮转角；
根据所述换道多项式和所述车辆行驶信息获取换道时间目标函数，根据满足预设约束条件的所述换道时间目标函数获取最优换道时间，基于所述最优换道时间，根据所述换道多项式和所述位移函数式获取目标车辆换道轨迹；
根据所述目标车辆换道轨迹生成控制信号，并发送至执行机构，以实现车辆的自动换道。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取满足道路边界约束条件的换道多项式，包括：
所述道路边界约束条件为对车辆初始位置状态和车辆结束位置状态的限定，以保证车辆运动的安全性，所述车辆初始位置状态包括车辆各方向初始位置的位移、加速度和速度，以及经过换道时间后，车辆各方向结束位置的位移、加速度和速度；
其中，车辆初始纵向位移和车辆初始纵向加速度为零，车辆初始纵向速度不变，经过所述换道时间后，车辆结束纵向位移为所述车辆初始纵向速度和所述换道时间的乘积，车辆结束纵向加速度保持为零，车辆结束纵向速度与所述车辆初始纵向速度相同；
车辆初始横向位移、车辆初始横向加速度和车辆初始横向速度均为零，经过所述换道时间后，车辆结束横向位移为预设车道宽度，车辆结束横向加速度和车辆结束横向速度均为零，其中，所述换道多项式基于所述预设车道宽度和所述换道时间指示获取。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述换道多项式和所述车辆行驶信息获取换道时间目标函数，包括：
获取所述换道多项式的二阶导数，用于指示车辆横向加速度，获取所述二阶导数的一阶导数，用于指示横向加速度变化率，通过所述一阶导数为零时对应的所述二阶导数，获取最大车辆横向加速度；
根据所述最大车辆横向加速度和预设转换关系获取横摆角速度，其中，所述预设转换关系用于指示根据所述车辆纵向速度和所述前轮转角，获取所述车辆横向加速度和横摆角速度，其中，所述横摆角速度处于预设区间范围；
根据所述车辆横向加速度、换道时间和所述横摆角速度获取换道时间目标函数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述车辆横向加速度、换道时间和所述横摆角速度获取换道时间目标函数，包括：
获取所述车辆横向加速度与所述最大车辆横向加速度的绝对值的第一商值，获取换道时间与最大换道时间绝对值的第二商值，获取所述横摆角速度与最大横摆角速度的第三商值，将用于获取所述第一商值、第二商值与第三商值的最小和值的函数式，作为最小和值函数；
根据所述最小和值函数获取所述换道时间目标函数，并根据满足所述预设约束条件的所述换道时间目标函数获取最优换道时间；
其中，所述预设约束条件包括所述车辆横向加速度小于所述最大车辆横向加速度，所述换道时间处于预设时间区间，所述横摆角速度小于最大横摆角速度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述最小和值函数获取所述换道时间目标函数，并根据满足所述预设约束条件的所述换道时间目标函数获取最优换道时间，包括：
通过所述车辆横向加速度和所述横摆角速度分别与所述换道时间的所述预设转换关系，将所述最小和值函数转化为关于换道时间的函数，并作为所述换道时间目标函数，将预设约束条件转化为关于换道时间的约束条件，作为换道时间约束条件；
根据满足所述换道时间约束条件的所述换道时间目标函数获取所述最优换道时间；
根据所述最优换道时间和所述换道多项式获取目标车辆横向换道函数，将所述位移函数式作为所述目标车辆纵向换道函数，通过所述目标车辆横向换道函数和所述目标车辆纵向换道函数获取所述目标车辆换道轨迹。
6.一种自动换道系统，其特征在于，包括：信息采集单元、通信单元和车载终端单元；
所述信息采集单元用于获取本车和周围车辆的状态信息，并将所述状态信息发送至所述通信单元，所述状态信息包括位置、速度和航向；
所述通信单元用于通过车路通信V2I获取路侧传感器发送的路况信息，并将所述状态信息和所述路况信息发送至所述车载终端单元；
所述车载终端单元用于执行如权利要求1至5任一项的所述方法。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述车路通信V2I通过图像识别当前距离最近的车辆是否为目标车辆，若检测到当前距离最近的车辆为目标车辆，则将检测获得的当前路段的所述路况信息发送至所述的所述目标车辆的通信单元，否则不发送所述路况信息。
8.一种自动换道装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于通过各车载传感器和路侧传感器获取车辆状态信息，所述车辆状态信息包括目标距离和车辆行驶信息，若所述目标距离大于预设安全距离，获取满足道路边界约束条件的换道多项式，所述换道多项式用于表征车辆横向换道轨迹，通过位移函数式表征车辆纵向换道轨迹，所述车辆在纵向上匀速移动，其中，所述目标距离用于指示当前车辆与前方障碍车辆的距离，所述车辆行驶信息包括车辆纵向速度、车辆横向速度和前轮转角；
处理模块，用于根据所述换道多项式和所述车辆行驶信息获取换道时间目标函数，根据满足预设约束条件的所述换道时间目标函数获取最优换道时间，基于所述最优换道时间，根据所述换道多项式和所述位移函数式获取目标车辆换道轨迹；
执行模块，用于根据所述目标车辆换道轨迹生成控制信号，并发送至执行机构，以实现车辆的自动换道。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器；
所述存储器存储计算机执行指令；
所述处理器执行所述存储器存储的计算机执行指令，以实现如权利要求1至7中任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令，所述计算机执行指令被处理器执行时用于实现如权利要求1至7任一项所述的方法。
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