CN110949383A - 一种自动驾驶车辆跟车行驶的控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种自动驾驶车辆跟车行驶的控制方法及装置，所述控制方法包括获取前车的瞬时速度、本车的瞬时速度以及本车与前车的实际相对距离；获取前车的瞬时加速度，并根据前车的瞬时加速度判断前车行驶状态；根据前车行驶状态以及所述前车的瞬时速度计算本车与前车的期望相对距离；根据上述参数计算本车的期望加速度；控制本车以所述本车的期望加速度进行行驶。本发明通过对前车的加速度进行判断，确定前车行驶状态，根据不同的前车行驶状态，对相同参数设定不同的参数值来计算出本车的期望加速度，根据本车的期望加速度控制本车行驶，解决了现有技术导致的有超车或者紧急制动等情况下的跟车安全以及乘客体验差的问题。

Description

一种自动驾驶车辆跟车行驶的控制方法及装置
技术领域
本发明涉及汽车控制技术领域，尤其涉及一种自动驾驶车辆跟车行驶的控制方法及装置。
背景技术
跟车行驶是自动驾驶的基本功能，而自动驾驶车辆的运动控制在满足行车安全性的同时，应尽可能考虑驾驶员的驾驶习惯以及给乘客带来的舒适性；现有技术提供的自动驾驶跟车行驶控制方案都是基于前车与本车的相对速度或者相对距离进行加减速进行判断，忽略前车加速度提供的行驶状态信息，不满足在有超车或者紧急制动等情况下的跟车安全，而且也不考虑到乘客舒适性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种自动驾驶车辆跟车行驶的控制方法及装置。
本发明提供的一种自动驾驶车辆跟车行驶的控制方法，所述控制方法包括：：
获取前车的瞬时速度、本车的瞬时速度以及本车与前车的实际相对距离；
获取前车的瞬时加速度，并根据所述前车的瞬时加速度判断前车行驶状态；
根据前车行驶状态以及所述前车的瞬时速度计算本车与前车的期望相对距离；
根据所述本车的瞬时速度、所述本车与前车的实际相对距离和期望相对距离、所述前车的瞬时速度和瞬时加速度计算本车的期望加速度；
控制本车以所述本车的期望加速度进行行驶。
进一步地，所述获取前车的瞬时加速度，并根据所述前车的瞬时加速度判断前车行驶状态的步骤具体为：
周期性地获取前车的瞬时加速度；
根据在预设的时间内获取的前车的瞬时加速度，计算出前车的平均加速度，所述预设的时间为周期的倍数；
根据所述前车的平均加速度所处的取值范围，判断前车行驶状态。
进一步地，根据所述前车的平均加速度所处的取值范围，判断前车行驶状态具体步骤为：
如果所述前车的平均加速度大于第一阈值，则判断前车处于加速行驶状态；
如果所述前车的平均加速度大于等于第二阈值，同时小于等于所述第一阈值，则判断前车处于匀速行驶状态；
如果所述前车的平均加速度大于等于第三阈值，同时小于所述第二阈值，则判断前车处于减速行驶状态；
如果所述前车的平均加速度小于所述第三阈值，则判断前车处于减速制动状态。
进一步地，所述第一阈值为第一判断阈值系数与重力加速度的乘积，所述第一判断阈值系数的取值范围为0～0.05；所述第二阈值为第二判断阈值系数与重力加速度的乘积，所述第二判断阈值系数的取值范围为-0.05～0；所述第三阈值为第三判断阈值系数与重力加速度的乘积，所述第三判断阈值系数的取值范围为-0.5～-0.3。
进一步地，所述本车与前车的期望相对距离按照下述公式计算：
ddes＝(1.5+λ)vp+d0；
其中，ddes为本车与前车的期望相对距离，vp为前车的瞬时速度，d0为本车完全停车时与前车的相对距离，d0的取值范围为[5.0m，6.0m]；
当前车处于加速行驶状态时，λ取值为[-0.5，-0.1)；
当前车处于匀速行驶状态时，λ取值为[-0.1，0.1)；
当前车处于减速行驶状态时，λ取值为[0.1，0.2)；
当前车处于减速制动状态时，λ取值为[0.2，0.5]。
进一步地，计算所述本车的期望加速度具体步骤为:
根据两个状态量建立***状态方程，所述两个状态量包括：本车与前车的实际相对距离与期望相对距离之差、本车与前车瞬时速度之差；
选取具有一定比例关系的权重系数分别作为三个状态量的系数，建立控制指标方程，所述三个状态量包括：本车与前车的实际相对距离与期望相对距离之差、本车与前车瞬时速度之差两个状态量以及本车的期望加速度；
根据***状态方程和控制指标方程，构建函数求解最优的本车的期望加速度和前车的瞬时加速度带来的稳态误差；
根据最优的本车的期望加速度和前车的瞬时加速度带来的稳态误差求取本车的期望加速度。
进一步地，所述对本车的期望加速度进行限制幅度处理具体步骤为：
当本车的期望加速度大于第一加速度时，将本车的期望加速度限制为第一加速度；
当本车的期望加速度小于第二加速度时，将本车的期望加速度限制为第二加速度。
本发明提供的一种自动驾驶车辆跟车行驶的控制装置，所述控制装置包括：：
检测单元，用于获取前车的瞬时速度和瞬时加速度、本车的瞬时速度以及本车与前车的实际相对距离；
判断单元，用于根据前车的瞬时加速度判断前车行驶状态；
第一计算单元，用于根据前车行驶状态以及所述前车的瞬时速度计算本车与前车的期望相对距离；
第二计算单元，用于根据所述本车的瞬时速度、所述本车与前车的实际相对距离和期望相对距离、所述前车的瞬时速度和瞬时加速度计算本车的期望加速度；
控制单元，用于控制本车以所述本车的期望加速度进行行驶。
进一步地，所述检测单元具体用于周期性地获取前车的瞬时加速度；所述判断单元具体用于根据在预设的时间内获取的前车的瞬时加速度，计算前车的平均加速度，所述预设的时间为周期的倍数；根据所述前车的平均加速度所处的取值范围，判断前车行驶状态。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明通过获取前车的加速度判断前车行驶状态，根据前车行驶状态为相同参数设置不同的取值，使得计算出的本车的期望加速度充分考虑了前车的状态，为本车超前车或者前车处于制动状态时，提供了更加安全的解决方案，同时考虑了乘客舒适感和体验，在非前车制动减速等特殊情况下，对本车的加速度进行一定程度限制幅度，避免车辆反复不停地加速减速，解决了现有技术导致的自动驾驶跟车情况下，超车和前车制动时不安全，以及乘客体验很差的问题。
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，下面将对实施例或现有技术描述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是本发明实施例提供的自动驾驶车辆跟车行驶的控制方法的流程图。
图2是本发明实施例提供的自动驾驶车辆跟车行驶的控制装置的结构图。
具体实施方式
本专利核心内容为根据前车的加速度判断前车行驶状态，基于前车行驶状态和其他参数进行本车加速度决策，以下结合附图和实施例对该方法和***具体实施方式做进一步说明。
下面将详细描述本发明提供的一种自动驾驶车辆跟车行驶的控制方法及装置的实施例。
如图1所示，本发明实施例提供了一种自动驾驶车辆跟车行驶的控制方法，所述控制方法包括：
步骤S101、获取前车的瞬时加速度、本车的瞬时速度以及本车与前车的实际相对距离。
在本实施例中，上述前车的瞬时加速度、本车的瞬时速度以及本车与前车的实际相对距离，通过雷达、传感器等手段获取，本车与前车的相对距离是指本车的车头到前车的车尾之间的距离，实际相对距离指通过测量得到的本车的车头到前车的车尾之间的距离。
步骤S102、获取前车的瞬时加速度，根据所述前车的瞬时加速度判断前车行驶状态。
在本实施例中，前车行驶状态包括加速行驶状态、匀速行驶状态、减速行驶状态和减速制动状态四种状态，也可以根据实际需要做更详细的划分。
在本实施例中，通过前车加速度来判断前车行驶状态，为后期进行本车加速度计算提供了同一参数不同取值的评判基础；根据前车的瞬时加速度来判断前车行驶状态有两种方式：一种方式是仅根据当前前车的瞬时加速度进行判断，但是该判断方式具有缺陷，即行驶状态在变化时，仅凭前车的瞬时加速度进行判断，对于后面进行计算可能会带来错误的信息；另一种方式是取短时间内一系列的前车瞬时加速度进行平均，这样得到平均加速度更能反应前车真实的行驶状态；对于另一种方式具体实施方式具体为：
周期性地获取前车的瞬时加速度，且存储在记忆时窗内，获取的时间周期为T，所述T取值为0.01s至0.1s任一数值，需要说明的是存储在记忆时窗内为可选的一种方式，也可以通过其他方式进行存储或者记忆，记忆时窗为存储空间。
根据在预设的时间内获取的前车的瞬时加速度，计算出前车的平均加速度，所述预设的时间为周期的倍数，例如调用记忆时窗内n个连续的前车的瞬时加速度求平均加速度av，
Figure RE-GDA0001956432870000051
所述at为记忆视窗中最后一个前车的瞬时加速度，这里预设的时间为nT，所述nT大于等于0.5s。
进一步根据前车的平均加速度所处的取值范围，判断前车行驶状态，具体步骤为：
如果所述前车的平均加速度大于第一阈值，则判断前车处于加速行驶状态；
如果所述前车的平均加速度大于等于第二阈值，同时小于等于所述第一阈值，则判断前车处于匀速行驶状态；
如果所述前车的平均加速度大于等于第三阈值，同时小于所述第二阈值，则判断前车处于减速行驶状态；
如果所述前车的平均加速度小于所述第三阈值，则判断前车处于减速制动状态；
所述第一阈值为第一判断阈值系数与重力加速度的乘积，所述第一判断阈值系数的取值范围为0～0.05；所述第二阈值为第二判断阈值系数与重力加速度的乘积，所述第二判断阈值系数的取值范围为-0.05～0；所述第三阈值为第三判断阈值系数与重力加速度的乘积，所述第三判断阈值系数的取值范围为 -0.5～-0.3。
为了更容易地理解判断前车行驶状态的过程，具体以实际例子进行说明，av 为前车的平均加速度：
当av＞ka1g，则判断前车处于加速行驶状态；
当ka2g≤av≤ka1g，则判断前车处于匀速行驶状态；
当ka3g≤av＜ka2g，则判断前车处于减速行驶状态；
当av＜ka3g，则判断前车处于减速制动状态；
所述ka1g、ka3g和ka2g分别对应上述第一阈值、第二阈值和第三阈值，ka1、ka2和ka3分别为前车的第一判断阈值、第二判断阈值和第三判断阈值，ka1的取值范围为[0，0.05]，ka2的取值范围为[-0.05，0]，ka3的取值范围为[-0.5，-0.3]，所述g为重力加速度，取值9.8m/s2，根据第一阈值、第二阈值和第三阈值就确定了前车的平均加速度所处的取值范围。
步骤S103、根据前车行驶状态以及所述前车的瞬时速度计算出本车与前车的期望相对距离。
需要说明的是，根据相关文献，为保证行车安全，跟车距离不应低于1.4vp， vp为前车的瞬时速度，即使是自动驾驶比人操控反应更快，也不应低于这一距离或者保持一定的安全距离，因为紧急制动给乘客也会带来不好的体验。
在本实施例中，根据前车行驶状态以及前车的瞬时速度计算出本车与前车的期望相对距离按照下述公式计算：
ddes＝(1.5+λ)vp+d0；
所述ddes为本车与前车的期望相对距离，所述vp为前车的瞬时速度，d0为本车完全停车时与前车的相对距离，所述d0取值范围为[5.0m，6.0m]；
当前车处于加速行驶状态时，λ取值为[-0.5，-0.1)；
当前车处于匀速行驶状态时，λ取值为[-0.1，0.1)；
当前车处于减速行驶状态时，λ取值为[0.1，0.2)；
当前车处于减速制动状态时，λ取值为[0.2，0.5]。
步骤S104、根据所述本车的瞬时速度、所述本车与前车的实际相对距离和期望相对距离、所述前车的瞬时速度和瞬时加速度计算本车的期望加速度。
需要说明的是，实现求解本车的期望加速度步骤为：
根据两个状态量建立***状态方程，两个状态量包括本车与前车的实际相对距离与期望相对距离之差、本车与前车瞬时速度之差；
选取具有一定比例关系的权重系数分别作为三个状态量的系数，建立控制指标方程，所述三个状态量包括：本车与前车的实际相对距离与期望相对距离之差、本车与前车瞬时速度之差以及本车的期望加速度；
根据***状态方程和控制指标方程，构建函数求解最优的本车的期望加速度和前车的瞬时加速度带来的稳态误差；
根据最优的本车的期望加速度和前车的瞬时加速度带来的稳态误差求取本车的期望加速度。
在本实施例中，进一步实现求解本车的期望加速度的步骤具体为：
根据状态量x＝[d-ddes v-vp]T，建立***状态方程
Figure RE-GDA0001956432870000071
所述d为本车与前车的实际相对距离，所述v为本车的瞬时速度，所述a为本车的期望加速度，所述ap为前车的瞬时加速度；
设定
Figure RE-GDA0001956432870000072
选取权重系数q1、q2和r分别作为状态量d-ddes、v-vp和a的系数，设定 8q2≤q1≤15q2,r＝q2，得到控制指标
Figure RE-GDA0001956432870000073
即
Figure RE-GDA0001956432870000074
其中
Figure RE-GDA0001956432870000075
需要说明的是，q1作为d-ddes的系数，q2作为v-vp系数，r作为a的系数；
构建哈密顿函数：
Figure RE-GDA0001956432870000076
引入参数P，设控制指标达到最小值时，
Figure RE-GDA0001956432870000077
所述J*为J 的最优值，P由方程
Figure RE-GDA0001956432870000078
求解得到；
由极值条件得到
Figure RE-GDA0001956432870000079
求得a*(t)＝-r-1(t)BT(t)P(t)x(t)，所述a*(t)为最优的本车的期望加速度；
设定K＝r-1(t)BT(t)P(t)＝[k1k2]，得到最优的本车的期望加速度为a*(t)＝-Kx(t)，所述k1为(d-ddes)的增益，k2为(v-vp)的增益；
根据ap得到反馈afeedback＝ap(1-k2(λ-1))，所述afeedback用于消除ap带来的稳态误差；
根据最优的本车的期望加速度a*(t)和afeedback，求取本车的期望加速度 a＝a*(t)+afeedback＝-k1(d-ddes)-k2(v-vp)+ap(1-k2(λ-1))。
步骤S105、根据所述本车的期望加速度，控制本车以所述本车的期望加速度进行行驶。
在本实施例中，上述步骤可以实现跟车情况下超车以及前车紧急制动的安全性，为了进一步提高用户舒适感，对本车的期望加速度进行限制幅度，但是当前车处于减速制动状态下，优先考虑安全问题，并不采取对本车的期望加速度进行限制幅度处理的操作，在前车处于加速行驶状态、匀速行驶状态和减速行驶状态中任一种状态时，对本车的期望加速度进行限制幅度处理。
具体地，当本车的期望加速度大于第一加速度时，将本车的期望加速度限制为第一加速度，当本车的期望加速度小于第二加速度时，将本车的期望加速度限制为第二加速度，当本车的期望加速度小于等于第一加速度且大于等于第二加速度时，保持现有状态；所述第一加速度为正，所述第二加速度为负。例如第一加速度为1.5m/s2，第二加速度为-2.0m/s2；只要不在减速制动状态下，加速太快了会被限制到第一加速度，减速太快了会被限制到第二加速度；进一步为了方便驾驶员和乘客，第一加速度和第二加速度可以手动调节和更改，其目的是为了在自动驾驶状态下根据不同乘客的身体状态进行设置，保障不会太快地加速或者减速，导致乘客乘坐的舒适感下降。
如图2所示，本发明实施例提供了一种自动驾驶车辆跟车行驶的控制装置，所述控制装置包括：
检测单元21，用于获取前车的瞬时速度和瞬时加速度、本车的瞬时速度以及本车与前车的实际相对距离；
判断单元22，用于根据前车的瞬时加速度判断前车行驶状态；
第一计算单元23，用于根据前车行驶状态以及所述前车的瞬时速度计算本车与前车的期望相对距离；
第二计算单元24，用于根据所述本车的瞬时速度、所述本车与前车的实际相对距离和本车与前车的期望相对距离、所述前车的瞬时速度和瞬时加速度计算本车的期望加速度；
控制单元25，用于控制本车以所述本车的期望加速度进行行驶。
进一步地，所述检测单元21具体用于周期性地获取前车的瞬时加速度；所述判断单元22具体用于根据在预设的时间内获取的前车的瞬时加速度，计算前车的平均加速度，所述预设的时间为周期的倍数；根据所述前车的平均加速度所处的取值范围，判断前车行驶状态。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明通过获取前车的加速度判断前车行驶状态，根据前车行驶状态为相同参数设置不同的取值，使得计算出的本车的期望加速度充分考虑了前车的状态，为本车超前车或者前车处于制动状态时，提供了更加安全的解决方案，同时考虑了乘客舒适感和体验，在非前车制动减速等特殊情况下，尽量对本车的加速度进行一定程度限制幅度，避免车辆反复不停地加速减速，解决了现有技术导致的自动驾驶跟车情况下，超车和前车制动时不安全，以及乘客体验很差的问题。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种自动驾驶车辆跟车行驶的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
获取前车的瞬时速度、本车的瞬时速度以及本车与前车的实际相对距离；
获取前车的瞬时加速度，并根据所述前车的瞬时加速度判断前车行驶状态；
根据前车行驶状态以及所述前车的瞬时速度计算本车与前车的期望相对距离；
根据所述本车的瞬时速度、所述本车与前车的实际相对距离和期望相对距离、所述前车的瞬时速度和瞬时加速度计算本车的期望加速度；
控制本车以所述本车的期望加速度进行行驶。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述获取前车的瞬时加速度，并根据所述前车的瞬时加速度判断前车行驶状态的步骤具体为：
周期性地获取前车的瞬时加速度；
根据在预设的时间内获取的前车的瞬时加速度，计算前车的平均加速度，所述预设的时间为周期的倍数；
根据所述前车的平均加速度所处的取值范围，判断前车行驶状态。
3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，根据所述前车的平均加速度所处的取值范围，判断前车行驶状态具体步骤为：
如果所述前车的平均加速度大于第一阈值，则判断前车处于加速行驶状态；
如果所述前车的平均加速度大于等于第二阈值，同时小于等于所述第一阈值，则判断前车处于匀速行驶状态；
如果所述前车的平均加速度大于等于第三阈值，同时小于所述第二阈值，则判断前车处于减速行驶状态；
如果所述前车的平均加速度小于所述第三阈值，则判断前车处于减速制动状态。
4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述第一阈值为第一判断阈值系数与重力加速度的乘积，所述第一判断阈值系数的取值范围为0～0.05；所述第二阈值为第二判断阈值系数与重力加速度的乘积，所述第二判断阈值系数的取值范围为-0.05～0；所述第三阈值为第三判断阈值系数与重力加速度的乘积，所述第三判断阈值系数的取值范围为-0.5～-0.3。
5.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述本车与前车的期望相对距离按照下述公式计算：
ddes＝(1.5+λ)vp+d0；
其中，ddes为本车与前车的期望相对距离，vp为前车的瞬时速度，d0为本车完全停车时与前车的相对距离，d0的取值范围为[5.0m，6.0m]；
当前车处于加速行驶状态时，λ取值为[-0.5，-0.1)；
当前车处于匀速行驶状态时，λ取值为[-0.1，0.1)；
当前车处于减速行驶状态时，λ取值为[0.1，0.2)；
当前车处于减速制动状态时，λ取值为[0.2，0.5]。
6.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，计算所述本车的期望加速度具体步骤为:
根据两个状态量建立***状态方程，所述两个状态量包括：本车与前车的实际相对距离与期望相对距离之差、本车与前车瞬时速度之差；
选取具有一定比例关系的权重系数分别作为三个状态量的系数，建立控制指标方程，所述三个状态量包括：本车与前车的实际相对距离与期望相对距离之差、本车与前车瞬时速度之差以及本车的期望加速度；
根据***状态方程和控制指标方程，构建函数求解最优的本车的期望加速度和前车的瞬时加速度带来的稳态误差；
根据最优的本车的期望加速度和前车的瞬时加速度带来的稳态误差求取本车的期望加速度。
7.如权利要求3或5所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
当前车行驶状态为加速行驶状态、匀速行驶状态和减速行驶状态中任一状态时，对本车的期望加速度进行限制幅度处理。
8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述对本车的期望加速度进行限制幅度处理具体步骤为：
当本车的期望加速度大于第一加速度时，将本车的期望加速度限制为第一加速度；
当本车的期望加速度小于第二加速度时，将本车的期望加速度限制为第二加速度。
9.一种自动驾驶车辆跟车行驶的控制装置，其特征在于，所述控制装置包括：
检测单元，用于获取前车的瞬时速度和瞬时加速度、本车的瞬时速度以及本车与前车的实际相对距离；
判断单元，用于根据前车的瞬时加速度判断前车行驶状态；
第一计算单元，用于根据前车行驶状态以及所述前车的瞬时速度计算本车与前车的期望相对距离；
第二计算单元，用于根据所述本车的瞬时速度、所述本车与前车的实际相对距离和期望相对距离、所述前车的瞬时速度和瞬时加速度计算本车的期望加速度；
控制单元，用于控制本车以所述本车的期望加速度进行行驶。
10.如权利要求9所述的控制装置，其特征在于，所述检测单元具体用于周期性地获取前车的瞬时加速度；所述判断单元具体用于根据在预设的时间内获取的前车的瞬时加速度，计算前车的平均加速度，所述预设的时间为周期的倍数；根据所述前车的平均加速度所处的取值范围，判断前车行驶状态。
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