基于車車通信的多車協(xié)同換道控制系統(tǒng)及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于車輛控制領(lǐng)域，具體涉及一種在車車無線通信環(huán)境下針對車輛換道場 景，通過車車信息交互融合換道車輛及其周圍車輛運動信息，實現(xiàn)自車及其周圍車輛協(xié)同 換道的智能車輛控制系統(tǒng)及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著路網(wǎng)運行車輛數(shù)量爆發(fā)式增長，交通安全與效率問題日益嚴峻，其中換道行 為是導致交通事故和交通擁堵的重要致因之一，尤其在城市區(qū)域，車流密度大，極易發(fā)生換 道碰撞事故，甚至導致連環(huán)追尾碰撞。絕大多數(shù)換道碰撞事故是由于換道車輛（以下簡稱 "自車"）或其周圍車輛內(nèi)駕駛員對其周圍車輛運動狀態(tài)及位置信息感知不準確并進行了錯 誤的駕駛決策。同時，自車的換道行為，尤其是自車從當前所在車道（以下簡稱"原車道"） 突然換道切入相鄰車道（以下簡稱"目標車道"），往往引起目標車道中與自車相鄰的跟隨 車輛（以下簡稱"目標車道后車"）被迫減速，對目標車道后車內(nèi)駕駛員舒適性產(chǎn)生消極影 響，并導致目標車道上游車輛依次減速，在交通密度較大情況下，甚至引發(fā)交通堵塞。另一 方面，自車的換道行為往往受原車道自車前方車輛（以下簡稱"原車道前車"）、目標車道后 車、目標車道內(nèi)自車前方車輛（以下簡稱"目標車道前車"）阻礙而無法進行。可見，換道過 程中，自車及其周圍車輛間存在強烈的相互作用，但車車之間信息感知不全面、不準確，車 輛之間無法主動協(xié)作導致?lián)Q道過程存在上述諸多問題，因此，基于全面、實時、準確的多車 信息，實現(xiàn)換道過程中自車與周圍車輛的協(xié)同動作，對提升交通安全與效率、改善換道過程 駕駛員舒適性、提高換道可行性具有重要意義。
[0003] 目前，在換道輔助及控制技術(shù)上，絕大多數(shù)系統(tǒng)依靠自車裝載的自主式傳感器 (雷達、攝像頭等）識別周圍車輛運動及位置信息，存在信息感知不全面、延時高、不準確、 范圍有限等缺陷。在換道輔助方面，絕大多數(shù)換道輔助系統(tǒng)僅根據(jù)車載傳感器獲取的周圍 車輛信息，向自車提供換道預警及建議，在換道控制方面，決策過程中大都僅考慮自車的換 道控制上，在控制策略設(shè)計中往往忽略了周圍車輛的運動變化。車車通信技術(shù)發(fā)展迅速并 已得到實際應用，車車間可實現(xiàn)主動的大范圍信息交互，全面、精確、實時的信息感知得以 實現(xiàn)。但是車車通信往往被弱化為一種獲取更豐富信息的手段，目前在基于車車通信的換 道場景中，仍少有以多車協(xié)同合作方式完成換道的研宄和應用。
[0004] 綜上所述，現(xiàn)有換道輔助及控制相關(guān)技術(shù)存在的主要問題是：
[0005] (1)采用傳統(tǒng)自主式傳感器，信息感知不全面、不準確、實時性差；
[0006] (2)僅針對自車提供換道預警或控制，未充分考慮自車周圍車輛運動變化及其換 道行為對周圍車輛的影響；
[0007] (3)車車通信未得到充分利用，在換道過程中，車車間仍相互獨立，未形成有效的 主動協(xié)作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明針對傳統(tǒng)換道過程中，換道車輛與周圍車輛相互獨立且相互被動影響，從 而導致交通安全與效率降低的問題，提供了一種基于車車通信的多車協(xié)同換道控制系統(tǒng)及 其方法。本發(fā)明通過匯集自車、原車道前車、目標車道前車、目標車道后車運動狀態(tài)和位置 信息，以提高換道可行性、安全、舒適、交通效率為目標，集中規(guī)劃存在相互作用的四輛車在 換道過程中的運動狀態(tài)，通過四輛車的主動協(xié)同，順利完成換道。
[0009] 本發(fā)明提供的基于車車通信的多車協(xié)同換道控制系統(tǒng)包括感知單元、通信單元、 控制單元和人機交互單元。
[0010] 感知單元包括車輛總線、前輪轉(zhuǎn)角傳感器、縱向加速度傳感器、橫擺傳感器和高精 度差分GPS。其中，高精度差分GPS天線安置于車頂，垂直方向上與車輛質(zhì)心重合。感知單 元用于實時獲取自車信息，包括自車車速、油門開度、制動壓力、前輪轉(zhuǎn)角、縱向加速度、橫 向加速度、橫擺角速度、經(jīng)煒度位置以及航向角。
[0011] 通信單元采用專用短程通信設(shè)備，用于車車間信息實時交互。自車通過通信單元 獲取協(xié)同車輛和非協(xié)同車輛的信息，并實時由自車向周圍協(xié)同車輛發(fā)送期望控制指令。協(xié) 同車輛和非協(xié)同車輛的信息包括車輛ID、車速、縱向加速度、經(jīng)煒度位置、車長、車頭及車尾 距質(zhì)心的距離。
[0012] 控制單元包括主控器、油門/制動執(zhí)行器和前輪轉(zhuǎn)角執(zhí)行器。主控器從感知單元 獲取自車信息，從通信單元獲取協(xié)同車輛和非協(xié)同車輛的信息，進行協(xié)同換道可行性判斷， 當協(xié)同換道可行時，實時獲取自車與協(xié)同車輛的期望控制量，并將協(xié)同車輛的期望控制量 通過通信單元發(fā)送出去。主控器根據(jù)自車的期望控制量控制油門/制動執(zhí)行器和前輪轉(zhuǎn)角 執(zhí)行器執(zhí)行實現(xiàn)對車輛的控制運動。自車的期望控制量為當前時刻的期望縱向加速度和期 望橫向加速度；協(xié)同車輛的期望控制量為當前時刻的期望縱向加速度。
[0013] 人機交互單元用于實現(xiàn)人機交互，駕駛員通過人機交互單元開啟或關(guān)閉控制系 統(tǒng)、發(fā)送換道意圖；人機交互單元通知駕駛員協(xié)同換道可行性以及駕駛員控制系統(tǒng)的介入 及退出。
[0014] 本發(fā)明提供的基于車車通信的多車協(xié)同換道控制方法，在自車、原車道前車、目標 車道前車和目標車道后車上裝備本發(fā)明的控制系統(tǒng)，在原車道前車和目標車道前車前方的 兩輛非協(xié)同車輛上裝備車車通信設(shè)備、GPS和縱向加速度傳感器。原車道前車、目標車道前 車和目標車道后車為協(xié)同車輛。本發(fā)明的多車協(xié)同換道控制方法具體實現(xiàn)步驟如下：
[0015] 步驟1 :自車通過人機交互單元獲得駕駛員換道意圖；
[0016] 步驟2 :主控器通過感知單元獲取自車信息，通過通信單元獲取周圍三輛協(xié)同車 輛及兩輛非協(xié)同車輛的信息，從而確定應用場景中當前時刻六輛車的相對位置及每輛車的 車速、縱向加速度。三輛協(xié)同車輛是指原車道前車、目標車道前車和目標車道后車。
[0017] 步驟3 :令換道過程中自車的橫向加速度以正反梯形曲線變化，確定自車換道用 時L為：
[0019] 其中，a胃x為駕駛員可接受的最大舒適橫向加速度，J胃x為駕駛員可接受的最大舒 適橫向加速度率，d w為車輛換道過程的橫向位移，與車道寬度一致。
[0020] 步驟4:進行協(xié)同換道可行性判斷，若協(xié)同換道不可行，則通過人機交互單元通知 駕駛員協(xié)同換道不可行；若協(xié)同換道可行，則通過人機交互單元通知自車及協(xié)同車輛駕駛 員換道可行并繼續(xù)執(zhí)行步驟5。
[0021] 設(shè)本次接收到駕駛員換道意圖的時刻為初始時刻，初始時刻時進行協(xié)同換道可行 性判斷。在協(xié)同換道可行性判斷中，為了保證安全換道，初始時刻，當非協(xié)同前車的縱向加 速度不小于0時，設(shè)非協(xié)同前車在IY c內(nèi)進行勻速運動，當非協(xié)同前車的縱向加速度小于0 時，設(shè)非協(xié)同前車在IYc內(nèi)按初始時刻1. 5倍的縱向加速度做勻減速運動。
[0022] 在換道中間時刻，自車恰駛離原車道開始進入目標車道，自車與原車道前車、原車 道前車與原車道非協(xié)同前車、自車與目標車道后車、自車與目標車道前車、自車與目標車道 后車需滿足車間安全距離約束，在換道結(jié)束時刻，自車與目標車道后車、自車與目標車道前 車、目標車道前車與目標車道非協(xié)同前車需滿足車間安全距離約束。車間安全距離約束如 下：
[0023] Gapfl^ Gap s= max (DT · V f+sf，TTC · (Vf-V1)+sf)
[0024] 其中，GapflS前后兩車的車間距，Gap 3為前后兩車的臨界安全距離，DT為安全臨 界車間時距，TTC為安全臨界碰撞時間，Sf為最小安全車間距，V f為后車車速，^為前車車 速。
[0025] 判斷換道可行性時，設(shè)各協(xié)同車輛的縱向加速度以駕駛員可接受的最大舒適縱向 加速度率變化，g卩加速時按J xmax變化，減速時按-Jxmax變化；假設(shè)原車道前車縱向加速度變 化至目標縱向加速度'4,繼而保持勻加速行駛，并在換道中間時刻與原車道非協(xié)同前車達 到臨界安全距離；設(shè)目標車道前車縱向加速度變化至目標縱向加速度繼而保持勻加速 行駛，在換道結(jié)束時刻目標車道前車與目標車道非協(xié)同前車達到臨界安全距離；若或 Al:無可行解則協(xié)同換道不可行。設(shè)目標車道后車縱向加速度變化至駕駛員可接受的最大 舒適制動減速度abmin后勻減速行駛。在假設(shè)以上三輛協(xié)同車輛在換道過程中的運動狀態(tài) 后，設(shè)自車在換道過程中縱向加速度按照駕駛員可接受的最大舒適縱向加速度率變化至目 標加速度5SV，求解5SV的范圍，要求5SV在駕駛員可接受的舒適縱向加速度上下限的范圍 內(nèi)，并在換道中間時刻和結(jié)束時刻，自車與原車道前車、目標車道前車、目標車道后車滿足 車間安全距離約束。若可求得Usv范圍，則協(xié)同換道可行，若S sv范圍無解，則協(xié)同換道不可 行。
[0026] 步驟5 :實時確定換道過程中自車與協(xié)同車輛的期望目標縱向加速度。
[0027] 令各車的縱向加速度以駕駛員可接受的最大舒適縱向加速度率變化至期望目標 縱向加速度后勻加速度行駛。
[0028] 分如下兩個時間段來確定期望目標縱向加速度：
[0029] (1)若當前時刻t < IYc/2,四輛車參與協(xié)同，通過求解如下最優(yōu)規(guī)劃問題，從而確 定自車與三輛協(xié)同車輛的期望目標縱向加速度。
[0030] 目標函數(shù)：mjn·/ = ? +知lms2l +&TLi4 +ATFi4，u為要求解的自車與三輛協(xié)同 車輛的期望目標縱向加速度矩陣，u = [Usv, Usu Utu UTF]'UsvAUsl^Ulx和Utf分別為自車、原車 道前車、目標車道前車與目標車道后車的期望目標縱向加速度；ksv、ka、k。和kTF分別為對 應車輛期望目標縱向加速度的權(quán)重系數(shù)；
[0031] 約束條件：
[0032