CN112040392A - 一种基于车车通信的多车协同换道控制***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于车车通信的多车协同换道控制***及方法，多车协同换道控制***包括感知单元、通信单元、决策单元、控制单元和提示单元。本方法主要设计上层决策层在设定场景下的多车协同换道控制方法，在该方法中，设定场景内的所有车辆通过车车通信共享行驶信息，换道车辆在发出请求后根据所述信息进行可行性判断，判断可行后通过求解本发明设计的一个二次规划问题确定三辆协同车辆的期望控制输入即纵向期望加速度，并共享给协同车辆。本发明假设每辆车的控制单元能够根据所需的控制输入实现精确的纵向和横向车辆控制，不详细设计控制的实现，充分利用了车车通信技术，改善了车辆换道时的安全性与舒适性。

Description

一种基于车车通信的多车协同换道控制***及方法

技术领域

本发明属于智能网联汽车主动安全控制领域，具体涉及一种基于车车通信的多车协同换道控制***及方法。

背景技术

车辆换道汇入行为作为最基本也是最危险的驾驶行为之一，它要求驾驶员在换道汇入时要充分考虑车辆所处道路环境信息与周围车辆行驶状况，决策过程复杂。随着近几年我国高速公路及城市公路网的不断发展，因车辆换道汇入而导致的交通安全事故数量不断上升。这其中绝大部分事故是由于换道车辆及周围车辆在换道汇入时不能及时全面地获取其他车辆行驶信息从而使驾驶员做出错误决策行为而造成的。同时由于换道行为的突发性，周围车辆不能及时获取换道车辆换道信号及其行驶信息，从而被迫迅速改变本车行驶状态，严重影响了驾驶员驾驶效率及舒适性。因此，基于车车通信技术，实现换道车辆与周围车辆在换道汇入过程中的信息共享与协同配合，对降低车辆换道安全隐患，提高车辆行驶效率及驾驶员舒适性具有重要意义。

随着近年来车辆无线通信网络技术的发展，智能网联汽车能够实时获取周围车辆信息，这为实现车辆在换道汇入过程中的协同配合提供了通信基础。但是，目前基于车车通信，针对换道场景下的多车协同决策方法的研究仍较少，且存在以下不足：大多研究与应用能利用车车通信技术实现换道车辆与周围车辆的信息同享，但却只针对换道车辆进行轨迹规划与控制，而忽略了利用这些信息同时对周围车辆也进行决策优化与控制，实现车车协同变道；同时许多研究仅在换道开始时刻对车辆进行安全评估与规划决策，未能在换道过程中实现对车辆的动态优化与调整；除此之外，已有研究主要关注换道过程的安全性，而忽略了驾驶员舒适性等其他因素。

目前，关于多车协同换道方面的研究工作，中国专利文献号CN 109035862 B，公开日2018.12.18，公开了一种基于车车通信的多车协同换道控制方法，提出了多车协同换道的控制策略，建立了直行车辆变加速工况下的安全距离模型及两个换道车辆之间的安全距离模型。采用五次多项式换道轨迹，以轨迹长度及舒适性为目标函数、以车辆纵横向速度等作为约束条件，利用优化求解的方法得到期望换道轨迹。但却只针对换道车辆进行轨迹规划与控制，而忽略了利用这些信息同时对周围车辆也进行决策优化与控制，实现车车协同变道，同时仅在换道开始时刻对车辆进行安全评估与轨迹规划，未能在换道过程中实现对车辆的动态优化与调整。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于车车通信的多车协同换道控制***及方法，依靠车辆间的信息传递，解决车辆在换道汇入过程中由于缺乏有效及时的信息而造成的安全事故，同时提高车辆在换道汇入过程中的行驶效率及驾驶员舒适性。具体采用如下技术方案：

一种基于车车通信的多车协同换道控制***，包含设置在各个车辆上的协同换道模块，所述协同换道模块包含感知单元、通信单元、决策单元、控制单元和提示单元；

所述感知单元包含差分全球定位***DGPS、CAN总线、轮速传感器、横向加速度传感器和纵向加速度传感器，DGPS、轮速传感器、横向加速度传感器、纵向加速度传感器均通过所述CAN总线和所述决策单元相连；其中，差分全球定位***DGPS用于实时定位车辆位置并将其传递给所述决策单元；轮速传感器安装在车轮上，用于实时获取自车速度并将其传递给所述决策单元；纵向加速度传感器、横向加速度传感器分别用于实时获取自车纵向加速度、横向加速度，并将其传递给所述决策单元；

所述通信单元用于通过DSRC设备实现预设距离内车辆间信息的交换；

所述决策单元分别和所述感知单元、通信单元、控制单元、提示单元、以及车辆的ECU电气相连，用于控制通信单元将自车位置、自车速度、自车纵向加速度、自车横向加速度以周期性广播形式发送至周围预设距离内的车辆，同时接收周围预设距离内车辆的自车位置、自车速度、自车纵向加速度、自车横向加速度、换道信号；在接收到车辆ECU的变道信号后判断能否换道，如果不能够换道、控制提示单元提醒驾驶员换道不安全，如果能够换道，分别计算出当前时刻自车及协同车辆的横向期望加速度和纵向期望加速度，将自车的横向期望加速度和纵向期望加速度传递给控制单元、将协同车辆的横向期望加速度和纵向期望加速度通过通信单元发送至协同车辆；在接收到其他车辆的换道信号后，将换道车辆传来的纵向期望加速度传递给控制单元；所述换道车辆为发出换道信号的车辆SV，所述协同车辆包括目标车道的相邻前车PV和相邻后车FV，所述非协同车辆包括目标车道上相邻前车PV的前车NPV和相邻后车FV的后车NFV；

所述控制单元用于根据接收到的纵向期望加速度、横向期望加速度控制车辆行驶，使车辆的纵向加速度、横向加速度分别等于接收到的纵向期望加速度、横向期望加速度。

所述提示单元用于通过车载显示器提示驾驶员换道是否可行及换道是否结束；

本发明还公开了一种该基于车车通信的多车协同换道控制***的协同换道控制方法，包含以下步骤：

步骤1)，DGPS、轮速传感器、横向加速度传感器、纵向加速度传感器分别获得自车位置、自车速度、自车纵向加速度、自车横向加速度并将其处传递给决策单元；

步骤2)，决策单元控制通信单元将自车位置、自车速度、自车纵向加速度、自车横向加速度以周期性广播形式发送至周围预设距离内的车辆，同时接收周围预设距离内的车辆发送回的各自的位置、速度、纵向加速度和横向加速度；

步骤3)，如果决策单元接收到自车ECU的变道信号，自车进入所述换道状态，自车为换道车辆：

步骤3.1)，换道车辆SV的决策单元判断多车协同换道的可行性：

步骤3.1.1)，令自车横向加速度按预设正弦函数变化规律，根据预设标准车道宽度阈值计算换道车辆换道时间T_lc，所述换道时间为车辆从开始换道到结束换道的时间；

预设的横向加速度变化规律为：

式中，a_sv，y(t)为换道车辆横向加速度，a_y，max为预设的最大横向加速度阈值，T_lc为变道时间；

步骤3.1.2)，令变道过程中非协同车辆保持初始时刻速度匀速行驶，协同车辆FV、PV分别以预设的最大安全减速度阈值和预设的最大安全加速度阈值做匀减速和匀加速运动；令换道车辆以最小纵向加速度a_SV，min匀加速至换道中间时刻与FV之间恰好满足所述第一安全距离模型，以最大纵向加速度a_SV，max匀加速至结束时刻T_lc与PV之间恰好满足所述第一安全距离模型，求出a_SV，min和a_SV，max，所述换道中间时刻为从开始换道后

时刻；

所述第一安全距离模型即换道车辆与协同车辆间的安全距离模型为：

所述第二安全距离模型即协同车辆与非协同车辆间的安全距离模型为：

ΔX2≥ΔX2_S＝T_s*v_f+L+d_s

式中，ΔX1为换道车辆与协同车辆质心纵向位置差，ΔX1_S为换道车辆与协同车辆的临界安全距离，v_f为换道车辆和协同车辆中后车的车速，T_s为预设的驾驶员最大反应时间，L为预设标准车身长度，d_s为预设的最小安全停车距离，θ为车体横摆角，ΔX2为非协同车辆与协同车辆质心纵向位置差，ΔX1_S为非协同车辆与协同车辆的临界安全距离；

步骤3.1.3)，若a_SV，min＜a_SV，max，即换道车辆纵向期望加速度存在可行范围，这时判断多车协同换道可行，执行步骤3.2)，否则判断换道不可行，执行步骤3.7)；

步骤3.2)，换道车辆SV通过自车通信单元向协同及非协同车辆发出换道信号，换道车辆与协同车辆开始进行协同换道，非协同车辆进入匀速行驶状态，当前时刻为初始时刻t₀；

步骤3.3)，换道车辆的决策单元利用当前时刻NFV、FV、SV、PV、NPV的位置、速度、纵向加速度、横向加速度通过求解最优规划问题确定自车及协同车辆的纵向期望输入，即纵向期望加速度：

所述最优规划问题，采用如下目标函数及约束条件：

所述目标函数为以总相对动能密度作为多车协同换道控制的优化目标，将换道过程以换道中间时刻

为界分成两个阶段，第一阶段即从开始到中间时刻，所述第一阶段目标函数J1为：

第二阶段即从中间时间到换道结束时刻，所述第二阶段目标函数J2为：

式中，F_j，j+1(T_lc)为换道车辆与协同车辆以所求期望加速度匀加速行驶至换道结束时刻时第j+1辆车与第j辆车的相对能量密度，m_j+1为第j+1辆车质量，L_j为第j辆车车身长，x_j(T_lc)为换道车辆与协同车辆以所求期望加速度匀加速行驶至换道结束时刻时第j辆车位置，v_j(T_lc)为换道车辆与协同车辆以所求期望加速度匀加速行驶至换道结束时刻时第j辆车纵向j塞度；当v_j(T_lc)＞v_j+1(T_lc)时，取v_j(T_lc)＝v_j+1(T_lc)；

为换道车辆与协同车辆以所求期望加速度匀加速行驶至换道中间时刻时第j+1辆车与第j辆车的相对能量密度，

为换道车辆与协同车辆以所求期望加速度匀加速行驶至换道中间时刻时第j辆车位置，

为换道车辆与协同车辆以所求期望加速度匀加速行驶至换道中间时刻时第j辆车纵向速度；

约束条件包括四个部分：一是加速度约束，要求期望加速度在预设的最佳舒适加速度范围内；二是加速度率约束，要求假设车辆以匀加速率加速至期望加速度，该加速度率在预设的最佳舒适加速度率范围内；三是协同车辆与非协同车辆安全距离约束，要求假设协同车辆以各自期望加速度匀加速行驶，在换道结束时刻协同车辆与非协同车辆间满足第一、第二安全距离模型的条件；四是换道车辆与非协同车辆安全距离约束：令换道车辆与协同车辆以各自期望加速度匀加速行驶，在换道结束时刻换道车辆与非协同车辆间满足第一、第二安全距离模型的条件；

步骤3.4)，所述换道车辆通过通信单元将计算得到的纵向期望加速度传给协同车辆，协同车辆获得相应的纵向期望加速度；

步骤3.5)，所述换道车辆的控制单元在当前控制期间内自动控制车辆纵向加速度以匀加速度率变化至纵向期望加速度，同时自动控制车辆横向加速度以预设的横向加速度变化规律至对应时刻的横向期望加速度；

步骤3.6)，所述换道车辆决策***判断换道时间是否到，如果未到，则从步骤3.3)循环继续到步骤3.6)，如果换道时间已到，则开始执行步骤3.7)；

步骤3.7)，多车协同换道结束，***停止控制车辆，通信单元将结束信息传给协同与非协同车辆，提示单元通知驾驶员再次操作车辆；

步骤4)，如果决策单元接收到其他车辆的换道信号：

步骤4.1)，自车根据通信单元接收到的换道车辆和预设范围内其他车辆的位置信息判断自车的位置状态：若自车为PV或FV，则通信单元不断接收来自换道车辆发送的纵向期望输入，控制单元根据所述纵向期望输入精确控制自车行驶；若自车为NPV或NFV，则继续保持初始时刻速度进行匀速行驶；

步骤4.2)，自车通信***若接收到来自换道车辆的结束信息，提示单元提示驾驶员再次操作车辆。

本发明的积极效果在于：

1、充分利用车车通信技术实现换道车辆与周围车辆的信息共享，不仅针对目标车辆即换道车辆进行轨迹规划与控制，同时对周围车辆即协同车辆也进行决策优化与控制，实现车车协同变道；

2、能在换道过程中实现对车辆的实时动态优化与调整；

3、除关注换道过程的安全性外，兼顾考虑了驾驶员舒适性等其他因素。

附图说明

图1是本发明应用的目标场景示意图；

图2是本发明中协同换道控制方法车辆处于换道状态的运行流程图；

图3是本发明中车辆处于协同与非协同状态的运行流程图；

图4是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

以图1的换道汇入场景为例：假设车辆的行驶方向向右，右侧车道中的换道车辆(以下简称SV)打算切入目标车道前车(以下简称PV)和目标车道后车(以下简称FV)之间的目标车道，SV、PV和FV是在整个换道过程中根据所提出的方法相互协作并在换道后恢复为人驾驶车辆的主动车辆，PV为换道车辆，FV、PV为协同车辆，FV的后车NFV和PV的前车NPV为非协同车辆，该策略规定其始终保持换道初始时刻速度行驶。每辆车之间均可以通过车车通信技术发送和接收各自车辆及其他车辆的行驶信息，包括当前时刻的位置、速度、加速度等，每辆车的位置由质心位置表示。

如图4所示，本发明公开了一种基于车车通信的多车协同换道控制***，包含设置在各个车辆上的协同换道模块，所述协同换道模块包含感知单元、通信单元、决策单元、控制单元和提示单元；

所述感知单元包含差分全球定位***DGPS、CAN总线、轮速传感器、横向加速度传感器和纵向加速度传感器，DGPS、轮速传感器、横向加速度传感器、纵向加速度传感器均通过所述CAN总线和所述决策单元相连；其中，差分全球定位***DGPS用于实时定位车辆位置并将其传递给所述决策单元；轮速传感器安装在车轮上，用于实时获取自车速度并将其传递给所述决策单元；纵向加速度传感器、横向加速度传感器分别用于实时获取自车纵向加速度、横向加速度，并将其传递给所述决策单元；

所述通信单元用于通过DSRC设备实现预设距离内车辆间信息的交换；

所述决策单元分别和所述感知单元、通信单元、控制单元、提示单元、以及车辆的ECU电气相连，用于控制通信单元将自车位置、自车速度、自车纵向加速度、自车横向加速度以周期性广播形式发送至周围预设距离内的车辆，同时接收周围预设距离内车辆的自车位置、自车速度、自车纵向加速度、自车横向加速度、换道信号；在接收到车辆ECU的变道信号后判断能否换道，如果不能够换道、控制提示单元提醒驾驶员换道不安全，如果能够换道，分别计算出当前时刻自车及协同车辆的横向期望加速度和纵向期望加速度，将所述横向期望加速度和纵向期望加速度传递给控制单元和通信单元；在接收到其他车辆的换道信号后，判断所处行驶状态，将换道车辆传来的纵向期望加速度传递给控制单元；所述换道车辆为发出换道信号的车辆，所述协同车辆包括目标车道相邻前车和后车，所述非协同车辆包括目标车道上非相邻前车和后车；

所述控制单元用于根据接收到的纵向期望加速度、横向期望加速度控制车辆行驶，使车辆的纵向加速度、横向加速度分别等于接收到的纵向期望加速度、横向期望加速度；

所述提示单元用于通过车载显示器提示驾驶员换道是否可行及换道是否结束；

如图2所示，本发明还公开了一种该基于车车通信的多车协同换道控制***的协同换道控制方法，车辆包括换道、协同换道与非协同换道三种状态，包含以下步骤：

步骤1)，DGPS、轮速传感器、横向加速度传感器、纵向加速度传感器分别获得自车位置、自车速度、自车纵向加速度、自车横向加速度并将其处传递给决策单元；

步骤2)，决策单元控制通信单元将自车位置、自车速度、自车纵向加速度、自车横向加速度以周期性广播形式发送至周围预设距离内的车辆，同时接收周围预设距离内的车辆发送回的各自的位置、速度、纵向加速度和横向加速度；

步骤3)，如果决策单元接收到自车ECU的变道信号，自车进入所述换道状态，自车为换道车辆：

步骤3.1)，换道车辆SV的决策单元根据自车位置、自车速度、自车纵向加速度、自车横向加速度判断多车协同换道的可行性：

步骤3.1.1)，在进行换道可行性的判断前先计算换道时间T_lc，所述换道时间T_lc是指换道车辆从开始起步换道到结束换道的时间，其与本发明提出的换道车辆SV横向控制策略有关；

在所述换道车辆横向控制策略策略中，我们令变道车辆的横向加速度按照正弦函数变化：

其中a_sv，y(t)为换道车辆SV横向加速度，a_y，max为最大横向加速度，T_lc即为变道时间；

将上式积分两次，即可得到换道车辆SV的横向位置变化规律：

取标准车道宽为3.5m，即令y_sv，y(t)＝3.5，则可求得换道时间

步骤3.1.2)，确定车间安全距离模型；

定义换道车辆与协同车辆间的安全距离模型，即第一安全距离模型为：

协同车辆与非协同车辆间的安全距离模型，即第二安全距离模型为：

ΔX2≥ΔX2_S＝T_s*v_f+L+d_s (4)

式中，ΔX1为换道车辆与协同车辆质心纵向位置差，ΔX1_S为换道车辆与协同车辆的临界安全距离，v_f为后车车速，T_s为预设的驾驶员最大反应时间，L为预设标准车身长度，d_s为预设最小安全停车距离，θ为车体横摆角，ΔX2为非协同车辆与协同车辆质心纵向位置差，ΔX1_S为非协同车辆与协同车辆的临界安全距离；

步骤3.1.3)，计算换道车辆SV纵向期望加速度可行范围；

令变道过程中非协同车辆保持初始时刻速度匀速行驶，协同车辆FV、PV分别以预设的最大安全减速度阈值和预设的最大安全加速度阈值做匀减速和匀加速运动，换道车辆以最小纵向加速度a_SV，min匀加速至换道中间时刻

与FV之间恰好满足所述第一安全距离模型，以最大纵向加速度a_SV，max匀加速至结束时刻T_lc与PV之间恰好满足所述第一安全距离模型，求出a_SV，min和a_SV，max；根据所述计算方案，a_SV，min，a_SV，max可通过下列方程组求解：

步骤3.1.4)，换道可行性判断；

若在步骤3.1.3所述假设情况下，存在换道车辆SV纵向期望加速度可行范围，即所求a_SV，min＜a_SV，max，这时可行性判断合格，否则不合格；

步骤3.2)，SV通过通信单元向PV、FV、NFV、NPV发出换道信号，换道车辆SV与协同车辆PV、FV开始进行协同换道，非协同车辆NFV、NPV进入匀速行驶状态，同时，换道车辆SV再次收集当前时刻t0下与步骤2相同的信息，作为初始时刻参数；

步骤3.3)，换道车辆利用当前时刻三辆车的参数信息，通过求解最优规划问题，确定三辆车的期望纵向加速度，这一步是整个过程的关键，也是最重要的一步；

所述最优规划问题以总相对动能密度作为多车协同换道控制的优化目标，将换道过程以中间时刻

为界分成两个阶段，第一阶段即在开始到中间时刻目标函数为：

第二阶段即从中间时刻到换道结束时刻目标函数为：

式中，F_j，j+1(T_lc)为换道车辆与协同车辆以所求期望加速度匀加速行驶至换道结束时刻时第j+1辆车与第j辆车的相对能量密度，m_j+1为第j+1辆车质量，L_j为第j辆车车身长，x_j(T_lc)为换道车辆与协同车辆以所求期望加速度匀加速行驶至换道结束时刻时第j辆车位置，v_j(T_lc)为换道车辆与协同车辆以所求期望加速度匀加速行驶至换道结束时刻时第j辆车纵向速度，特别的，当v_j(T_lc)＞v_j+1(T_lc)时，取v_j(T_lc)＝v_j+1(T_lc)，

为换道车辆与协同车辆以所求期望加速度匀加速行驶至换道中间时刻时第j+1辆车与第j辆车的相对能量密度，

为换道车辆与协同车辆以所求期望加速度匀加速行驶至换道中间时刻时第j辆车位置，

为换道车辆与协同车辆以所求期望加速度匀加速行驶至换道中间时刻时第j辆车纵向速度；

所述目标函数中参数x_j(T_lc)-x_j+1(T_lc)、v_j(T_lc)-v_j+1(T_lc)具体计算方法如下：

其中，u_X(i)即为所求车辆X第i个控制周期内的纵向期望加速度，x_X(t_i)为车辆X在t_i时刻的纵向位置，v_X(t_i)为车辆X在t_i时刻的纵向速度；

所述最优规划问题的约束条件包括以下四个部分；

一是加速度约束：

其中u_cmin、u_cmax为预设的最佳舒适加速度范围的最小值和最大值，u_bmin为预设的最大减速度；

二是加速度率约束：

其中，J_cmax为预设的最佳舒适加速度率范围的最大值；

三是协同车辆与非协同车辆安全距离约束(所述约束是在假设协同车辆以该期望加速度匀加速行驶，在换道结束时刻两车间满足安全距离模型的条件下建立的)：

其中ΔX_NF(T_lc)、ΔX_NP(T_lc)表示假设FV、PV以该期望加速度匀加速行驶，在换道结束时刻时刻NFV与FV、NPV与PV纵向间距，具体计算见公式8；

四是换道车辆与非协同车辆安全距离约束：

其中ΔX_SF(T_lc)、ΔX_SP(T_lc)表示假设协同车辆与换道车辆以各自期望加速度匀加速行驶，在换道结束时刻时刻SV与FV、SV与PV纵向间距具体计算见公式(8)；

步骤3.4)，所述换道车辆通过通信单元将计算得到的纵向期望加速度传给协同车辆，协同车辆获得相应的纵向期望加速度；

步骤3.5)，所述换道车辆的控制单元在当前控制期间内自动控制车辆纵向加速度以预设最大纵向加速度率变化至纵向期望加速度，同时自动控制车辆横向加速度以预设正弦函数规律变化至对应时刻的横向期望加速度；

步骤3.6)，所述换道车辆决策***判断换道时间是否到，如果未到，则从步骤3.2)循环继续到步骤3.6)，如果换道时间已到，则开始执行步骤3.7)；

步骤3.7)，多车协同换道结束，***停止控制车辆，通信单元将结束信息传给协同与非协同车辆，提示单元通知驾驶员再次操作车辆；

步骤4)，如图3所示，如果决策单元接收到其他车辆的换道信号，车辆进入所述协同或非协同状态，此时发出换道信号的车辆为换道车辆，自车为协同或非协同车辆，当前时刻为换道初始时刻：

步骤4.1)，自车根据通信单元接收到的换道车辆和预设范围内其他车辆的位置信息判断自车行驶状态：若自车与换道车辆相邻，则进入协同状态；若自车处于换道车辆相邻车辆的前、后方，则进入非协同状态；

步骤4.2)，自车若处于所述协同状态，则通信单元不断接收来自换道车辆发送的纵向期望输入，控制单元根据所述纵向期望输入精确控制自车行驶；若处于协同状态，则继续保持初始时刻速度进行匀速行驶；

步骤4.3)，自车通信***若接收到来自换道车辆的结束信息，提示单元提示驾驶员再次操作车辆；

以上提供的控制方法中的可行性判断、参数计算、方程求解等内容可以通过软件编程实现。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于车车通信的多车协同换道控制***，其特征在于：包含设置在各个车辆上的协同换道模块，所述协同换道模块包含感知单元、通信单元、决策单元、控制单元和提示单元；

所述感知单元包含差分全球定位***DGPS、CAN总线、轮速传感器、横向加速度传感器和纵向加速度传感器，DGPS、轮速传感器、横向加速度传感器、纵向加速度传感器均通过所述CAN总线和所述决策单元相连；其中，差分全球定位***DGPS用于实时定位车辆位置并将其传递给所述决策单元；轮速传感器安装在车轮上，用于实时获取自车速度并将其传递给所述决策单元；纵向加速度传感器、横向加速度传感器分别用于实时获取自车纵向加速度、横向加速度，并将其传递给所述决策单元；

所述通信单元用于通过DSRC设备实现预设距离内车辆间信息的交换；

所述决策单元分别和所述感知单元、通信单元、控制单元、提示单元、以及车辆的ECU电气相连，用于控制通信单元将自车位置、自车速度、自车纵向加速度、自车横向加速度以周期性广播形式发送至周围预设距离内的车辆，同时接收周围预设距离内车辆的自车位置、自车速度、自车纵向加速度、自车横向加速度、换道信号；在接收到车辆ECU的变道信号后判断能否换道，如果不能够换道、控制提示单元提醒驾驶员换道不安全，如果能够换道，分别计算出当前时刻自车及协同车辆的横向期望加速度和纵向期望加速度，将自车的横向期望加速度和纵向期望加速度传递给控制单元、将协同车辆的横向期望加速度和纵向期望加速度通过通信单元发送至协同车辆；在接收到其他车辆的换道信号后，将换道车辆传来的纵向期望加速度传递给控制单元；所述换道车辆为发出换道信号的车辆SV，所述协同车辆包括目标车道的相邻前车PV和相邻后车FV，所述非协同车辆包括目标车道上相邻前车PV的前车NPV和相邻后车FV的后车NFV；

所述控制单元用于根据接收到的纵向期望加速度、横向期望加速度控制车辆行驶，使车辆的纵向加速度、横向加速度分别等于接收到的纵向期望加速度、横向期望加速度。

所述提示单元用于通过车载显示器提示驾驶员换道是否可行及换道是否结束。

2.基于权利要求1所述的基于车车通信的多车协同换道控制***的协同换道控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1)，DGPS、轮速传感器、横向加速度传感器、纵向加速度传感器分别获得自车位置、自车速度、自车纵向加速度、自车横向加速度并将其处传递给决策单元；

步骤2)，决策单元控制通信单元将自车位置、自车速度、自车纵向加速度、自车横向加速度以周期性广播形式发送至周围预设距离内的车辆，同时接收周围预设距离内的车辆发送回的各自的位置、速度、纵向加速度和横向加速度；

步骤3)，如果决策单元接收到自车ECU的变道信号，自车进入所述换道状态，自车为换道车辆：

步骤3.1)，换道车辆SV的决策单元判断多车协同换道的可行性：

步骤3.1.1)，令自车横向加速度按预设正弦函数变化规律，根据预设标准车道宽度阈值计算换道车辆换道时间T_lc，所述换道时间为车辆从开始换道到结束换道的时间；

预设的横向加速度变化规律为：

式中，a_sv,y(t)为换道车辆横向加速度，a_y,max为预设的最大横向加速度阈值，T_lc为变道时间；

步骤3.1.2)，令变道过程中非协同车辆保持初始时刻速度匀速行驶，协同车辆FV、PV分别以预设的最大安全减速度阈值和预设的最大安全加速度阈值做匀减速和匀加速运动；令换道车辆以最小纵向加速度a_SV,min匀加速至换道中间时刻与FV之间恰好满足所述第一安全距离模型，以最大纵向加速度a_SV,max匀加速至结束时刻T_lc与PV之间恰好满足所述第一安全距离模型，求出a_SV,min和a_SV,max，所述换道中间时刻为从开始换道后

时刻；

所述第一安全距离模型即换道车辆与协同车辆间的安全距离模型为：

所述第二安全距离模型即协同车辆与非协同车辆间的安全距离模型为：

ΔX2≥ΔX2_S＝T_s*v_f+L+d_s

式中，ΔX1为换道车辆与协同车辆质心纵向位置差，ΔX1_S为换道车辆与协同车辆的临界安全距离，v_f为换道车辆和协同车辆中后车的车速，T_s为预设的驾驶员最大反应时间，L为预设标准车身长度，d_s为预设的最小安全停车距离，θ为车体横摆角，ΔX2为非协同车辆与协同车辆质心纵向位置差，ΔX1_S为非协同车辆与协同车辆的临界安全距离；

步骤3.1.3)，若a_SV,min＜a_SV,max，即换道车辆纵向期望加速度存在可行范围，这时判断多车协同换道可行，执行步骤3.2)，否则判断换道不可行，执行步骤3.7)；

步骤3.2)，换道车辆SV通过自车通信单元向协同及非协同车辆发出换道信号，换道车辆与协同车辆开始进行协同换道，非协同车辆进入匀速行驶状态，当前时刻为初始时刻t₀；

步骤3.3)，换道车辆的决策单元利用当前时刻NFV、FV、SV、PV、NPV的位置、速度、纵向加速度、横向加速度通过求解最优规划问题确定自车及协同车辆的纵向期望输入，即纵向期望加速度：

所述最优规划问题，采用如下目标函数及约束条件：

所述目标函数为以总相对动能密度作为多车协同换道控制的优化目标，将换道过程以换道中间时刻

为界分成两个阶段，第一阶段即从开始到中间时刻，所述第一阶段目标函数J1为：

第二阶段即从中间时间到换道结束时刻，所述第二阶段目标函数J2为：

式中，F_j,j+1(T_lc)为换道车辆与协同车辆以所求期望加速度匀加速行驶至换道结束时刻时第j+1辆车与第j辆车的相对能量密度，m_j+1为第j+1辆车质量，L_j为第j辆车车身长，x_j(T_lc)为换道车辆与协同车辆以所求期望加速度匀加速行驶至换道结束时刻时第j辆车位置，v_j(T_lc)为换道车辆与协同车辆以所求期望加速度匀加速行驶至换道结束时刻时第j辆车纵向速度；当v_j(T_lc)>v_j+1(T_ic)时，取v_j(T_lc)＝v_j+1(T_lc)；

为换道车辆与协同车辆以所求期望加速度匀加速行驶至换道中间时刻时第j+1辆车与第j辆车的相对能量密度，

为换道车辆与协同车辆以所求期望加速度匀加速行驶至换道中间时刻时第j辆车位置，

为换道车辆与协同车辆以所求期望加速度匀加速行驶至换道中间时刻时第j辆车纵向速度；

约束条件包括四个部分：一是加速度约束，要求期望加速度在预设的最佳舒适加速度范围内；二是加速度率约束，要求假设车辆以匀加速率加速至期望加速度，该加速度率在预设的最佳舒适加速度率范围内；三是协同车辆与非协同车辆安全距离约束，要求假设协同车辆以各自期望加速度匀加速行驶，在换道结束时刻协同车辆与非协同车辆间满足第一、第二安全距离模型的条件；四是换道车辆与非协同车辆安全距离约束：令换道车辆与协同车辆以各自期望加速度匀加速行驶，在换道结束时刻换道车辆与非协同车辆间满足第一、第二安全距离模型的条件；

步骤3.4)，所述换道车辆通过通信单元将计算得到的纵向期望加速度传给协同车辆，协同车辆获得相应的纵向期望加速度；

步骤3.5)，所述换道车辆的控制单元在当前控制期间内自动控制车辆纵向加速度以匀加速度率变化至纵向期望加速度，同时自动控制车辆横向加速度以预设的横向加速度变化规律至对应时刻的横向期望加速度；

步骤3.6)，所述换道车辆决策***判断换道时间是否到，如果未到，则从步骤3.3)循环继续到步骤3.6)，如果换道时间已到，则开始执行步骤3.7)；

步骤3.7)，多车协同换道结束，***停止控制车辆，通信单元将结束信息传给协同与非协同车辆，提示单元通知驾驶员再次操作车辆；

步骤4)，如果决策单元接收到其他车辆的换道信号：

步骤4.1)，自车根据通信单元接收到的换道车辆和预设范围内其他车辆的位置信息判断自车的位置状态：若自车为PV或FV，则通信单元不断接收来自换道车辆发送的纵向期望输入，控制单元根据所述纵向期望输入精确控制自车行驶；若自车为NPV或NFV，则继续保持初始时刻速度进行匀速行驶；

步骤4.2)，自车通信***若接收到来自换道车辆的结束信息，提示单元提示驾驶员再次操作车辆。

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