CN114516331B - 车辆换道控制方法、装置和电子设备 - Google Patents

车辆换道控制方法、装置和电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种车辆换道控制方法、装置和电子设备，如果确认自车处于可换道状态，构建纵向轨迹约束条件；结合预先获取到的纵向轨迹运动模型，生成纵向换道轨迹；构建横向轨迹约束条件；结合预先获取到的横向轨迹运动模型，生成横向换道轨迹；进而确定自车的目标换道轨迹，控制自车按照目标换道轨迹换道。该方式通过构建纵向轨迹约束条件，对纵向轨迹运动模型进行求解，通过构建横线轨迹约束条件，对横向轨迹运动模型进行求解，在求解过程中，能够计算出全局最优的换道轨迹，这种通过优化求解换道轨迹的方式可以减少使用采样方式过程中的大量调参工作，从而有效降低人力成本和时间成本，同时提升轨迹规划的泛化能力，可以适应各种的交通场景。

Description

车辆换道控制方法、装置和电子设备
技术领域
本发明涉及自动驾驶技术领域，尤其是涉及一种车辆换道控制方法、装置和电子设备。
背景技术
近年来，自动驾驶技术得到了较快发展，在空旷的高速公路上自动驾驶车辆相对容易，在车流复杂更拥挤的交通场景中自动驾驶车道需要考虑的问题更加复杂，其中一个问题是，在复杂交通流环境中***自动驾驶汽车时，需要根据对交通参与者的预测信息，规划自车车道变换路径规划算法，在不影响其他交通参与者，以及避免交通堵塞的情况下，控制自车从自车道换道至目标车道。相关技术中，一般采用采样方式生成自动换道轨迹，通过代价函数筛选最优换道轨迹，以应对换道过程中各种工况，该方式需要设计代价函数，还需要对代价函数的权重进行调试，参数调试过程中，需要根据经验多次进行实验以选取最优参数，因此，人力成本和时间成本较高，并且，难以保证可以收敛到最优状态，另外，代价函数泛化能力较差，难以处理复杂的交通场景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种车辆换道控制方法、装置和电子设备，以降低车辆换道参数调试过程中的人力成本和时间成本，同时提升轨迹规划的泛化能力。
本发明提供的一种车辆换道控制方法，方法包括：判断自车是否处于可换道状态；如果自车处于可换道状态，基于自车的纵向速度、纵向加速度、纵向加加速度，以及自车与障碍车的纵向距离，构建纵向轨迹约束条件；基于纵向轨迹约束条件，以及预先获取到的纵向轨迹运动模型，生成符合纵向轨迹约束条件的纵向换道轨迹；基于自车的横向速度、横向加速度和横向加加速度，以及自车与自车道边界的横向距离，构建横向轨迹约束条件；基于横向轨迹约束条件，以及预先获取到的横向轨迹运动模型，生成符合横向轨迹约束条件的横向换道轨迹；根据纵向换道轨迹和横向换道轨迹，确定自车的目标换道轨迹，控制自车按照目标换道轨迹从自车道换道至目标车道。
进一步的，判断自车是否处于可换道状态的步骤包括：检测是否存在指示可换道的车道线；计算自车与自车道前方车辆之间的第一碰撞时间，如果第一碰撞时间小于预设时间，发出第一信号；其中，第一信号用于提示驾驶员确认是否换道；如果接收到确认换道的第二信号，计算自车分别与目标车道前方车辆和目标车道后方车辆之间的碰撞时间；如果存在指示可换道的车道线，且每个碰撞时间均大于或等于预设碰撞时间，确认自车处于可换道状态。
进一步的，方法还包括：在换道过程中，如果接收到取消换道指示，且自车的后轴中心点未进入目标车道，确认能取消换道，控制自车从当前位置返回至自车道；如果自车的后轴中心点已进入目标车道，确认不能取消换道，如果根据当前位置确认自车处于可换道状态，控制自车继续换道至目标车道；如果根据当前位置确认自车处于不可换道状态，控制自车减速避让。
进一步的，构建纵向轨迹约束条件如下：
xmink≤xk≤xmaxk
其中，xk为矩阵形式，表示在时间采样点k时，自车与自车道前车之间的第一纵向距离，自车与目标车道前车之间的第二纵向距离，自车与自车道后车之间的第三纵向距离，以及自车与目标车道后车之间的第四纵向距离；xmaxk为在时间采样点k时对应的第一目标安全距离阈值；xmink为在时间采样点k时对应的第二目标安全距离阈值；vxk表示自车在时间采样点k时的纵向速度；axk表示自车在时间采样点k时的纵向加速度；表示自车在时间采样点k时的纵向加加速度；/>vmink、vmink、amin、amax、Δamin和Δamax均为预设值。
进一步的，目标换道轨迹对应多个时间采样点；第一目标安全距离阈值通过下述方式确定：获取在时间采样点k时，自车与自车道前车之间的第一纵向距离和第一安全距离，自车与目标车道前车之间的第二纵向距离和第二安全距离；计算第一纵向距离与第一安全距离的差，得到自车与自车道前车之间的第一安全距离阈值；计算第二纵向距离与第二安全距离的差，得到自车与目标车道前车之间的第二安全距离阈值；从第一安全距离阈值和第二安全距离阈值中取最小值，将最小值确定为在时间采样点k时对应的第一目标安全距离阈值。
进一步的，第二目标安全距离阈值通过下述方式确定：获取在时间采样点k时，自车与自车道后车之间的第三纵向距离和第三安全距离，自车与目标车道后车之间的第四纵向距离和第四安全距离；计算第三纵向距离与第三安全距离的差，得到自车与自车道后车之间的第三安全距离阈值；计算第四纵向距离与第四安全距离的差，得到自车与目标车道后车之间的第四安全距离阈值；从第三安全距离阈值和第四安全距离阈值中取最小值，将最小值确定为在时间采样点k时对应的第二目标安全距离阈值。
进一步的，在时间采样点k时，自车与自车道前车之间的第一安全距离，以及自车与目标车道前车之间的第二安全距离通过下述方式确定：获取预设安全距离、自车与障碍车保持安全距离的预设时间、自车道前车在时间采样点k时的第一车辆速度、目标车道前车在时间采样点k时的第二车辆速度；计算预设时间与第一车辆速度的乘积，得到第一结果；从预设安全距离和第一结果中取最小值，得到第一安全距离；计算预设时间与第二车辆速度的乘积，得到第二结果；从预设安全距离和第二结果中取最小值，得到第二安全距离。
进一步的，在时间采样点k时，自车与自车道后车之间的第三安全距离，以及自车与目标车道后车之间的第四安全距离通过下述方式确定：获取预设安全距离、自车与障碍车保持安全距离的预设时间、自车道后车在时间采样点k时的第三车辆速度、目标车道后车在时间采样点k时的第四车辆速度；计算预设时间与第三车辆速度的乘积，得到第三结果；从预设安全距离和第三结果中取最小值，得到第三安全距离；计算预设时间与第四车辆速度的乘积，得到第四结果；从预设安全距离和第四结果中取最小值，得到第四安全距离。
进一步的，基于纵向轨迹约束条件，以及预先获取到的纵向轨迹运动模型，生成符合纵向轨迹约束条件的纵向换道轨迹的步骤包括：基于纵向轨迹约束条件，以及预先获取到的纵向轨迹运动模型，确定纵向轨迹数学模型；求解纵向轨迹数学模型的最优解，得到符合纵向轨迹约束条件的纵向换道轨迹。
进一步的，构建横向轨迹约束条件如下：
ymink≤yk≤ymaxk
其中，yk为矩阵形式，表示在时间采样点k时，自车距离自车道左侧边界的距离，以及自车距离自车道右侧边界的距离；ymaxk为在时间采样点k时对应的第一横向距离阈值；ymink为在时间采样点k时对应的第二横向距离阈值；vyk表示自车在时间采样点k时的横向速度；ayk表示自车在时间采样点k时的横向加速度；表示自车在时间采样点k时的横向加加速度；/>vmink、vmink、amin、amax、Δamin和Δamax均为预设值。
进一步的，目标换道轨迹对应多个时间采样点；第一横向距离阈值和第二横向距离阈值通过下述方式确定：如果目标车道为左车道，第一横向距离阈值为自车距离左车道的左侧边界的距离，第二横向距离阈值为自车距离自车道的右侧边界的距离；如果目标车道为右车道，第一横向距离阈值为自车距离自车道的左侧边界的距离，第二横向距离阈值为自车距离右车道的右侧边界的距离。
进一步的，基于横向轨迹约束条件，以及预先获取到的横向轨迹运动模型，生成符合横向轨迹约束条件的横向换道轨迹的步骤包括：基于横向轨迹约束条件，以及预先获取到的横向轨迹运动模型，确定横向轨迹数学模型；求解纵向轨迹数学模型的最优解，得到符合横向轨迹约束条件的横向换道轨迹。
本发明提供的一种车辆换道控制装置，其特征在于，装置包括：判断模块，用于判断自车是否处于可换道状态；第一构建模块，用于如果自车处于可换道状态，基于自车的纵向速度、纵向加速度、纵向加加速度，以及自车与障碍车的纵向距离，构建纵向轨迹约束条件；第一生成模块，用于基于纵向轨迹约束条件，以及预先获取到的纵向轨迹运动模型，生成符合纵向轨迹约束条件的纵向换道轨迹；第二构建模块，用于基于自车的横向速度、横向加速度和横向加加速度，以及自车与自车道边界的横向距离，构建横向轨迹约束条件；第二生成模块，用于基于横向轨迹约束条件，以及预先获取到的横向轨迹运动模型，生成符合横向轨迹约束条件的横向换道轨迹；控制模块，用于根据纵向换道轨迹和横向换道轨迹，确定自车的目标换道轨迹，控制自车按照目标换道轨迹从自车道换道至目标车道。
本发明提供的一种电子设备，包括处理器和存储器，存储器存储有能够被处理器执行的机器可执行指令，处理器执行机器可执行指令以实现上述任一项的车辆换道控制方法。
本发明提供的一种机器可读存储介质，机器可读存储介质存储有机器可执行指令，机器可执行指令在被处理器调用和执行时，机器可执行指令促使处理器实现上述任一项的车辆换道控制方法，
本发明提供的车辆换道控制方法、装置和电子设备，如果经判断确认自车处于可换道状态，基于自车的纵向速度、纵向加速度、纵向加加速度，以及自车与障碍车的纵向距离，构建纵向轨迹约束条件；基于纵向轨迹约束条件，以及预先获取到的纵向轨迹运动模型，生成符合纵向轨迹约束条件的纵向换道轨迹；基于自车的横向速度、横向加速度和横向加加速度，以及自车与自车道边界的横向距离，构建横向轨迹约束条件；基于横向轨迹约束条件，以及预先获取到的横向轨迹运动模型，生成符合横向轨迹约束条件的横向换道轨迹；根据纵向换道轨迹和横向换道轨迹，确定自车的目标换道轨迹，控制自车按照目标换道轨迹从自车道换道至目标车道。该方式通过构建纵向轨迹约束条件，对纵向轨迹运动模型进行求解，通过构建横线轨迹约束条件，对横向轨迹运动模型进行求解，在求解过程中，能够计算出全局最优的换道轨迹，这种通过优化求解换道轨迹的方式可以减少使用采样方式过程中的大量调参工作，从而有效降低人力成本和时间成本，同时提升轨迹规划的泛化能力，可以适应各种的交通场景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的一种车辆换道控制方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种路况示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种车辆换道控制方法的流程图；
图4为本发明实施例提供的一种车辆自动换道的流程图；
图5为本发明实施例提供的一种自动换道状态机的流程图。
图6为本发明实施例提供的一种自动换道轨迹生成流程图；
图7为本发明实施例提供的一种车辆换道控制装置的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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做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。
自动驾驶汽车在过去几年中，许多SAE(国际汽车工程学会)2级驾驶自动化***已部署在商用车辆，它能够提供更舒适的驾驶体验，通过对环境的动态感知，提前做出决策，能够减少交通事故。世界各地的汽车制造商和高科技公司都在努力更高级别的自动驾驶***的开发，在空旷的高速公路上自动驾驶车辆相对容易，但车流复杂更拥挤的交通场景也需要考虑到。其中一个问题是，在复杂交通流环境中***自动驾驶汽车需要根据对交通参与者预测信息，规划自车车道变换路径规划算法，在不影响其他交通参与者，以及避免交通堵塞的情况下，换道至目标车道。
然而，现有自动换道功能并不能处理在复杂交通场景时自动换道功能，例如在换道过程中目标车道障碍车Cut in时，相关技术并不能处理在换道过程中取消换道、换道失败等异常情况。
另外，现有的自动换道轨迹生成采用采样方式，通过代价函数进行最优换道轨迹的筛选，以应对换道过程中各种工况。这类方式需要设计代价函数及代价函数权重调试，参数调试需要大量的实验，并根据经验进行最优参数的选取，该方式人工成本和时间成本较高，并且很难收敛到最优状态，同时代价函数泛化能力较差，难以处理复杂的交通场景。例如相关专利方案中，设计了代价函数、换道完成时间、换道横摆角度等评价项，但是并未考虑碰撞的代价以及代价函数并未设计调试参数，泛化能力差。
此外，现有自动换道并未考虑在合理超车换道场景，换道至目标车道完成之后回到当前车道的驾驶行为。基于此，本发明实施例提供了一种车辆换道控制方法、装置和电子设备，该技术可以应用于在自动驾驶中需要进行车辆换道控制的应用中。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种车辆换道控制方法进行详细介绍；如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤S102，判断自车是否处于可换道状态。
自动驾驶车辆在自动行驶过程中处于巡航状态，可以获取当前自车道及相邻车道的障碍物信息，根据当前自车道路况以及相邻车道路况，判断自车是否处于可换道状态，比如，如果自车前方有障碍物阻塞道路或有障碍物缓速通过，并且目标车道的通行车辆较少，通行效率较高，同时存在指示可换道的车道线，则可以确认自车处于可换道状态等。
步骤S104，如果自车处于可换道状态，基于自车的纵向速度、纵向加速度、纵向加加速度，以及自车与障碍车的纵向距离，构建纵向轨迹约束条件。
上述纵向速度可以理解为与自车行驶方向同向的自车行驶速度；上述纵向加速度可以用于指示纵向速度的变化快慢；上述纵向加加速度可以用于指示纵向加速度的变化快慢；上述障碍车通常包括同车道前车、同车道前车、目标车道前车和目标车道后车；上述纵向距离通常包括自车与自车道前车之间的纵向距离，自车与自车道后车之间的纵向距离，自车与目标车道前车之间的纵向距离，以及自车与目标车道后车之间的纵向距离。在实际实现时，可以分别对上述纵向速度、纵向加速度、纵向加加速度以及纵向距离构建各自对应约束条件，将这些约束条件确定为纵向轨迹约束条件。
步骤S106，基于纵向轨迹约束条件，以及预先获取到的纵向轨迹运动模型，生成符合纵向轨迹约束条件的纵向换道轨迹。
上述纵向轨迹运动模块可以根据实际场景进行设计，当确定上述纵向轨迹约束条件后，可以基于该纵向轨迹约束条件，对预先获取到的纵向轨迹运动模型求解最优解，最终生成符合该纵向轨迹约束条件的纵向换道轨迹。
步骤S108，基于自车的横向速度、横向加速度和横向加加速度，以及自车与自车道边界的横向距离，构建横向轨迹约束条件。
上述横向速度可以理解为与自车行驶方向的垂直方向所对应的自车行驶速度；上述横向加速度可以用于指示横向速度的变化快慢；上述横向加加速度可以用于指示横向加速度的变化快慢；上述自车与自车道边界的横向距离通常包括自车与自车道左边界的横向距离，以及自车与自车道右边界的横向距离。在实际实现时，可以分别对上述横向速度、横向加速度、横向加加速度以及横向距离构建各自对应约束条件，将这些约束条件确定为横向轨迹约束条件。
步骤S110，基于横向轨迹约束条件，以及预先获取到的横向轨迹运动模型，生成符合横向轨迹约束条件的横向换道轨迹。
上述横向轨迹运动模块可以根据实际场景进行设计，当确定上述横向轨迹约束条件后，可以基于该横向轨迹约束条件，对预先获取到的横向轨迹运动模型求解最优解，最终生成符合该横向轨迹约束条件的横向换道轨迹。
步骤S112，根据纵向换道轨迹和横向换道轨迹，确定自车的目标换道轨迹，控制自车按照目标换道轨迹从自车道换道至目标车道。
当确定上述纵向换道轨迹和横向换道轨迹后，可以对该纵向换道轨迹和横向换道轨迹进行整合处理，得到一条最优的目标换道轨迹，可以控制自车按照该目标换道轨迹从自车道换道至目标车道。
上述车辆换道控制方法，如果经判断确认自车处于可换道状态，基于自车的纵向速度、纵向加速度、纵向加加速度，以及自车与障碍车的纵向距离，构建纵向轨迹约束条件；基于纵向轨迹约束条件，以及预先获取到的纵向轨迹运动模型，生成符合纵向轨迹约束条件的纵向换道轨迹；基于自车的横向速度、横向加速度和横向加加速度，以及自车与自车道边界的横向距离，构建横向轨迹约束条件；基于横向轨迹约束条件，以及预先获取到的横向轨迹运动模型，生成符合横向轨迹约束条件的横向换道轨迹；根据纵向换道轨迹和横向换道轨迹，确定自车的目标换道轨迹，控制自车按照目标换道轨迹从自车道换道至目标车道。该方式通过构建纵向轨迹约束条件，对纵向轨迹运动模型进行求解，通过构建横线轨迹约束条件，对横向轨迹运动模型进行求解，在求解过程中，能够计算出全局最优的换道轨迹，这种通过优化求解换道轨迹的方式可以减少使用采样方式过程中的大量调参工作，从而有效降低人力成本和时间成本，同时提升轨迹规划的泛化能力，可以适应各种的交通场景。
本发明实施例还提供了另一种车辆换道控制方法，该方法在上述实施例方法的基础上实现；该方法包括如下步骤：
步骤一，检测是否存在指示可换道的车道线。
比如，如果自车道与目标车道之间的车道线是白色虚线，表示该路况可以换道，如果自车道与目标车道之间的车道线是白色实线或黄色实线，表示该路况不可以换道。
步骤二，计算自车与自车道前方车辆之间的第一碰撞时间，如果第一碰撞时间小于预设时间，发出第一信号；其中，第一信号用于提示驾驶员确认是否换道。
上述第一碰撞时间可以理解为自车撞上自车道前方车辆的时间；上述预设时间可以根据实际需求进行设置，如果第一碰撞时间小于预设时间，可以认为自车与自车道前方车辆之间的距离较近，或者前方有障碍物阻塞道路，或者前方有障碍物缓速通过等，此时，可以认为满足超车、避障换道条件，可以发出换道触发信号，即上述第一信号，该第一信号可以通过驾驶状态管理模块显示给驾驶员，驾驶员确认是否可以换道。
步骤三，如果接收到确认换道的第二信号，计算自车分别与目标车道前方车辆和目标车道后方车辆之间的碰撞时间。
如果驾驶员确认可以换道，则可以响应上述第一信号，以发出确认换道的第二信号，当接收到该第二信号后，可以进一步确认目标车道是否满足换道条件，具体的，可以分别计算自车与目标车道前方车辆之间的碰撞时间，以及自车与目标车道后方车辆之间的碰撞时间。
步骤四，如果存在指示可换道的车道线，且每个碰撞时间均大于或等于预设碰撞时间，确认自车处于可换道状态。
上述预设碰撞时间可以根据实际需求进行设置，如果上述每个碰撞时间均大于或等于预设碰撞时间，可以认为自车与目标车道前方车辆之间的距离较远，或者目标车道前方无障碍物阻塞道路，或者目标车道前方无障碍物缓速通过等，即目标车道的通行效率较高，换道比较安全；如果自车道与目标车道之间的车道线为指示可换道的车道线，且自车与目标车道前方车辆的碰撞时间，以及与目标车道后方车辆之间的碰撞时间均大于或等于预设碰撞时间，可以认为目标车道满足换道条件，确认自车处于可换道状态，另外，为了更加准确判断目标车道是否满足换道条件，还可以分别获取自车与目标车道前方车辆之间的距离，以及与目标车道后方车辆之间的距离，根据距离和碰撞时间进行综合判断。
步骤五，如果自车处于可换道状态，基于自车的纵向速度、纵向加速度、纵向加加速度，以及自车与障碍车的纵向距离，构建纵向轨迹约束条件。
步骤六，基于纵向轨迹约束条件，以及预先获取到的纵向轨迹运动模型，生成符合纵向轨迹约束条件的纵向换道轨迹。
步骤七，基于自车的横向速度、横向加速度和横向加加速度，以及自车与自车道边界的横向距离，构建横向轨迹约束条件。
步骤八，基于横向轨迹约束条件，以及预先获取到的横向轨迹运动模型，生成符合横向轨迹约束条件的横向换道轨迹。
步骤九，根据纵向换道轨迹和横向换道轨迹，确定自车的目标换道轨迹，控制自车按照目标换道轨迹从自车道换道至目标车道。
步骤十，在换道过程中，如果接收到取消换道指示，且自车的后轴中心点未进入目标车道，确认能取消换道，控制自车从当前位置返回至自车道。
在换道过程中可能存在目标车道有障碍物切入，或人为取消换道的情况，这时可以接收到取消换道指示，在接收到该取消换道指示后，需要根据自车所处的当前位置，判断是否能够取消换道，具体的，如果自车的后轴中心点未进入目标车道，即自车的后轴中心还未越过自车道与目标车道之间的虚线车道线，这种情况下，可以取消换道，取消换道后，自车重新回到自车道，并继续保持巡航状态。
步骤十一，如果自车的后轴中心点已进入目标车道，确认不能取消换道，如果根据当前位置确认自车处于可换道状态，控制自车继续换道至目标车道；如果根据当前位置确认自车处于不可换道状态，控制自车减速避让。
如果自车的后轴中心点已进入目标车道，即自车的后轴中心已越过自车道与目标车道之间的虚线车道线，这种情况下，通常不能取消换道，需要根据自车的当前位置以及路况，确认是否可以继续换道，比如，如果自车与目标车道前方车辆之间的距离，以及与目标车道后方车辆之间的距离都较远，碰撞时间较长，此时可以认为自车处于可换道状态，可以控制自车从当前位置继续换道至目标车道；如果自车与目标车道前方车辆之间的距离较近，或者与目标车道后方车辆之间的距离较近，或者碰撞时间较短，继续换道可能会发生碰撞，此时可以认为自车处于不可换道状态，这种情况下，可以控制自车减速避让，如直接控制自车刹车等。
上述车辆换道控制方法，通过对自车道及目标车道车辆通行状态进行分析，能够生成合理安全的换道决策，能够实现自动换道、换道取消等功能，使自动换道行为更加符合人类驾驶行为。同时增加了自车在当前车道及目标车道位置的状态判断。根据对换道过程中的决策及规划结果，以及自车位置状态的判断，实现各个状态的切换，该方式可以实现正常的自动换道、换道过程中由于障碍车的干扰取消换道或者驾驶者主动取消，以及换道失败后根据自车的位置触发AEB(Autonomous Emergency Braking，自动紧急制动***)进行减速避让或者回到当前车道。该方式中，自车在自动换道过程中可以适应复杂的交通环境，在换道过程中不对周围车造成干扰，减少接管率，增加***的安全性。
本发明实施例还提供了另一种车辆换道控制方法，该方法在上述实施例方法的基础上实现；该方法包括如下步骤：。
步骤十五，判断自车是否处于可换道状态。
步骤十六，如果自车处于可换道状态，基于自车的纵向速度、纵向加速度、纵向加加速度，以及自车与障碍车的纵向距离，构建纵向轨迹约束条件。
构建纵向轨迹约束条件如下：
xmink≤xk≤xmaxk
其中，xk为矩阵形式，表示在时间采样点k时，自车与自车道前车之间的第一纵向距离，自车与目标车道前车之间的第二纵向距离，自车与自车道后车之间的第三纵向距离，以及自车与目标车道后车之间的第四纵向距离；xmaxk为在时间采样点k时对应的第一目标安全距离阈值；xmink为在时间采样点k时对应的第二目标安全距离阈值；vxk表示自车在时间采样点k时的纵向速度；axk表示自车在时间采样点k时的纵向加速度；表示自车在时间采样点k时的纵向加加速度；/>vmink、vmink、amin、amax、Δamin、Δamin和Δamax均为预设值。
目标换道轨迹对应多个时间采样点；第一目标安全距离阈值通过下述步骤A至步骤D确定：
步骤A，获取在时间采样点k时，自车与自车道前车之间的第一纵向距离和第一安全距离，自车与目标车道前车之间的第二纵向距离和第二安全距离。
为方便说明，参见图2所示的一种路况示意图，其中，ego为自车标识ID，自车道前车ID为a1，以目标车道为左车道为例，则目标车道前车ID为a3，则在时间采样点k时，自车与自车道前车之间的第一纵向距离可以以xa1k表示，第一安全距离可以以sd(va1k)，自车与目标车道前车之间的第二纵向距离可以以xa3k表示，第二安全距离可以以sd(va3k)表示，图2中，以车道方向作为x轴方向，且车辆行驶方向对应为x轴正方向，与车道垂直的方向作为y轴，且自车的左车道方向为y轴正方向。
在时间采样点k时，自车与自车道前车之间的第一安全距离，以及自车与目标车道前车之间的第二安全距离通过下述步骤1至步骤5确定：
步骤1，获取预设安全距离、自车与障碍车保持安全距离的预设时间、自车道前车在时间采样点k时的第一车辆速度、目标车道前车在时间采样点k时的第二车辆速度。
上述预设安全距离可以根据实际需求进行设置，该预设安全距离通常是预先设置的一个固定的最小安全距离，可以以dmin表示；上述预设时间也可以根据实际需求进行设置，通常为预先设置的一个固定值，可以以T表示；参照图2，则上述第一车辆速度可以以va1k表示，上述第二车辆速度可以以va3k表示；在实际实现时，当需要计算上述第一安全距离和第二安全距离时，需要先获取上述预设安全距离、预设时间、第一车辆速度和第二车辆速度。
步骤2，计算预设时间与第一车辆速度的乘积，得到第一结果。
步骤3，从预设安全距离和第一结果中取最小值，得到第一安全距离。
上述第一结果即为T与va1k的乘积，即T*va1k；定义第一安全距离sd(va1k)＝min(dmin，T*va1k)，即从dmin与第一结果中取最小值，得到该第一安全距离，该第一安全距离也可以理解为在时间采样点k时，自车与同车道前车之间的最小安全距离。在规划纵向轨迹时，需要保证自车与周围障碍车保持行驶安全距离。
步骤4，计算预设时间与第二车辆速度的乘积，得到第二结果。
步骤5，从预设安全距离和第二结果中取最小值，得到第二安全距离。
上述第二结果即为T与va3k的乘积，即T*va3k；定义第二安全距离sd(va3k)＝min(dmin，T*va3k)，即从dmin与第二结果中取最小值，得到该第二安全距离，该第二安全距离也可以理解为在时间采样点k时，自车与目标车道前车之间的最小安全距离。
步骤B，计算第一纵向距离与第一安全距离的差，得到自车与自车道前车之间的第一安全距离阈值。
步骤C，计算第二纵向距离与第二安全距离的差，得到自车与目标车道前车之间的第二安全距离阈值。
步骤D，从第一安全距离阈值和第二安全距离阈值中取最小值，将最小值确定为在时间采样点k时对应的第一目标安全距离阈值。
将第一安全距离阈值以x(maxk)1表示，可以理解为在时间采样点k时，自车与同车道前车之间的安全距离上限阈值，第二安全距离阈值以x(maxk)2表示，可以理解为在时间采样点k时，自车与目标车道前车之间的安全距离上限阈值，则x(maxk)1＝xa1k-sd(va1k)；x(maxk)2＝xa3k-sd(va3k)；将第一目标安全距离阈值以xmaxk表示，则xmaxk＝min(x(maxk)1，x(maxk)2)，即从x(maxk)1和x(maxk)2中取最小值，得到该第一目标安全距离阈值，该第一目标安全距离阈值也可以称为安全距离上限阈值，超出这个阈值就可能发生碰撞。其中，x表示纵向距离。
第二目标安全距离阈值通过下述步骤H至步骤K确定：
步骤H，获取在时间采样点k时，自车与自车道后车之间的第三纵向距离和第三安全距离，自车与目标车道后车之间的第四纵向距离和第四安全距离。
如图2所示，自车道后车ID为a2，目标车道后车ID为a4，则在时间采样点k时，自车与自车道后车之间的第三纵向距离可以以xa2k表示，第三安全距离可以以sd(va2k)，自车与目标车道后车之间的第四纵向距离可以以xa4k表示，第四安全距离可以以sd(va4k)表示。
在时间采样点k时，自车与自车道后车之间的第三安全距离，以及自车与目标车道后车之间的第四安全距离通过下述步骤8至步骤12确定：
步骤8，获取预设安全距离、自车与障碍车保持安全距离的预设时间、自车道后车在时间采样点k时的第三车辆速度、目标车道后车在时间采样点k时的第四车辆速度。
参照图2，则上述第三车辆速度可以以va2k表示，上述第四车辆速度可以以va4k表示；在实际实现时，当需要计算上述第三安全距离和第四安全距离时，需要先获取上述预设安全距离、预设时间、第三车辆速度和第四车辆速度。
步骤9，计算预设时间与第三车辆速度的乘积，得到第三结果。
步骤10，从预设安全距离和第三结果中取最小值，得到第三安全距离。
上述第三结果即为T与va2k的乘积，即T*va2k；定义第三安全距离sd(va2k)＝min(dmin，T*va2k)，即从dmin与第三结果中取最小值，得到该第三安全距离，该第三安全距离也可以理解为在时间采样点k时，自车与自车道后车之间的最小安全距离。
步骤11，计算预设时间与第四车辆速度的乘积，得到第四结果。
步骤12，从预设安全距离和第四结果中取最小值，得到第四安全距离。
上述第四结果即为T与va4k的乘积，即T*va4k；定义第四安全距离sd(va4k)＝min(dmin，T*va4k)，即从dmin与第四结果中取最小值，得到该第四安全距离，该第四安全距离也可以理解为在时间采样点k时，自车与目标车道后车之间的最小安全距离。
步骤I，计算第三纵向距离与第三安全距离的差，得到自车与自车道后车之间的第三安全距离阈值。
步骤J，计算第四纵向距离与第四安全距离的差，得到自车与目标车道后车之间的第四安全距离阈值。
步骤K，从第三安全距离阈值和第四安全距离阈值中取最小值，将最小值确定为在时间采样点k时对应的第二目标安全距离阈值。
将第三安全距离阈值以x(mink)1表示，第四安全距离阈值以x(mink)2表示，则x(mink)1＝xa2k-sd(va2k)；x(mink)2＝xa4k-sd(va4k)；将第二目标安全距离阈值以xmink表示，则xmink＝min(x(mink)1，x(mink)2)，即从x(mink)1和x(mink)2中取最小值，得到该第二目标安全距离阈值。该第二目标安全距离阈值也可以称为安全距离下限阈值。
步骤十七，基于纵向轨迹约束条件，以及预先获取到的纵向轨迹运动模型，确定纵向轨迹数学模型。
在实际实现时，可以设计自动换道纵向轨迹运动模型如下：
其中，ti为离散时间采样点；结合上述纵向轨迹约束条件，将上述纵向轨迹运动模型转换为纵向轨迹数学模型如下：
Heqw＝K1；
Hinw≤K2
其中，H是二次型函数的矩阵，Heq是等式约束的矩阵，Hin是不等式约束的矩阵。具体可以参考相关技术中的转换方式，在此不再赘述。
步骤十八，求解纵向轨迹数学模型的最优解，得到符合纵向轨迹约束条件的纵向换道轨迹。
求解上述纵向轨迹数学模型，即可得到xk+1和vk+1，即得到采样时间点k+1时，自车与障碍车之间的纵向距离以及自车纵向速度。
步骤十九，基于自车的横向速度、横向加速度和横向加加速度，以及自车与自车道边界的横向距离，构建横向轨迹约束条件；
构建横向轨迹约束条件如下：
ymink≤yk≤ymaxk
其中，yk为矩阵形式，表示在时间采样点k时，自车距离自车道左侧边界的距离，以及自车距离自车道右侧边界的距离；ymaxk为在时间采样点k时对应的第一横向距离阈值；ymink为在时间采样点k时对应的第二横向距离阈值；vyk表示自车在时间采样点k时的横向速度；表示自车在时间采样点k时的横向加速度；/>表示自车在时间采样点k时的横向加加速度；/>vmink、vmink、amin、amax、Δamin和Δamax均为预设值。
目标换道轨迹对应多个时间采样点；第一横向距离阈值和第二横向距离阈值通过下述方式确定：
步骤O，如果目标车道为左车道，第一横向距离阈值为自车距离左车道的左侧边界的距离，第二横向距离阈值为自车距离自车道的右侧边界的距离。
为方便说明，将第一横向距离阈值以ymaxk表示，第二横向距离阈值以ymink表示，如果目标车道为左车道，则可以理解为，自车在从自车道向左车道换道时，换道轨迹的范围不能超出左车道的左侧边界，以及自车道的右侧边界。
步骤P，如果目标车道为右车道，第一横向距离阈值为自车距离自车道的左侧边界的距离，第二横向距离阈值为自车距离右车道的右侧边界的距离。
如果目标车道为右车道，则可以理解为，自车在从自车道向右车道换道时，换道轨迹的范围不能超出右车道的右侧边界，以及自车道的左侧边界。在规划横向轨迹是，需要保证自车与周围障碍车保持行驶安全距离及在车道范围内生成安全轨迹。
步骤二十，基于横向轨迹约束条件，以及预先获取到的横向轨迹运动模型，确定横向轨迹数学模型。
在实际实现时，可以设计自动换道横向轨迹运动模型如下：
结合上述横向轨迹约束条件，将上述横向轨迹运动模型转换为横向轨迹数学模型如下：
Heqw＝K3
Hinw≤K4
其中，具体可以参考相关技术中的转换方式，在此不再赘述。
步骤二十一，求解纵向轨迹数学模型的最优解，得到符合横向轨迹约束条件的横向换道轨迹。
求解上述横向轨迹数学模型，即可得到yk+1和vk+1，即得到采样时间点k+1时，自车与障碍车之间的横向距离以及自车横向速度。
步骤二十二，根据纵向换道轨迹和横向换道轨迹，确定自车的目标换道轨迹，控制自车按照目标换道轨迹从自车道换道至目标车道。
上述车辆换道控制方法，基于纵向障碍物距离、速度以及车辆速度、加速度、加加速度建立纵向轨迹约束条件，通过建立车辆纵向运动模型，能够生成符合约束条件的纵向轨迹。基于横向道路路宽、横向速度、加速度、加加速度建立横向轨迹约束条件，通过建立车辆横向向运动模型，能够生成符合约束条件的横向轨迹。该方式在自动换道过程中，生成的纵向轨迹考虑了自车当前车道及目标车道与障碍物的前后方障碍物的安全距离约束，生成的换道轨迹能够避免碰撞，实现换道安全性；通过对轨迹的速度、加速度、加加速度进行约束，生成的轨迹符合车辆运动模型；通过求解约束方程，避免了基于采样方式设置代价函数大量调试参数的，减少了人力成本。
为进一步理解上述实施例，下面提供如图3所示的另一种车辆换道控制方法的流程图，首先，获取自车道及相邻车道环境信息及车辆状态，根据获取到的信息触发换道状态机，通过换道状态机管理自动换道行为，确认换道后，构建车辆纵向轨迹优化求解器，以及构建车辆横向轨迹优化求解器，通过求解生成自动换道横、纵向轨迹，控制车辆按照生成的横、纵向轨迹完成自动换道。
具体实现时，可以获取当前车道(对应上述自车道)及相邻车道障碍车信息，主要包括障碍车ID，自车及障碍车在笛卡尔坐标系下的坐标位置信息、速度信息，障碍车在未来T时刻内的预测运动轨迹点。基于自车当前位置划分障碍物区域，如图2所示，其中，障碍车ID可以通过上游的感知和预测模块获取到，障碍物区域具体可以基于基于自车位置与障碍物位置，划分前后左右的车的位置区域。划分障碍物区域目的是在后续轨迹规划时生成轨迹需要在一个安全区域，这个安全区域就是通过障碍物区域确定的。如图2所示，划分的障碍物区域可以是包含自车的前后车，左侧车道的前后车，以及右侧车道的前后车对应的区域。
自动换道功能主要根据当前车道路况，如前方障碍物阻塞道路、障碍物缓速通过，通过对障碍车及相邻车道通行效率、变道安全判断，如相邻车道满足换道条件，换道状态机向驾驶状态管理模块发出变道信号，待驾驶员响应该信号，换道状态机开始规划换道轨迹。在换道过程中存在因为相邻车道障碍物或者人为取消换道，根据当前车辆位置，触发取消换道功能，取消换道功能之后自车进入巡航状态。整个换道过程由换道状态机进行维护，主要包含：准备换道、开始换道、换道完成、换道取消这四个状态。
参见图4所示的一种车辆自动换道的流程图，首先判断自车道路况，判断是否需要避障换道/超车换道，如果否，则保持巡航状态，如果是，则准备换道，继续判断相邻车道是否安全，即判断目标车道是否满足换道条件，如果否，则继续进行巡航，如果是，则开始换道；在换道过程中，判断是否存在人工/障碍车cut in取消换道的指令，如果否，则继续换道直至换道完成，如果是，则继续根据自车的当前位置判断是否能够取消换道，如果是，则取消换道，比如，向左换道车辆左前方过自车车道与目标车道中间虚线，右前方未过则可以取消换道，车辆返回巡航状态，如果否，则继续判断是否能继续换道，如果是，则继续换道直至换道完成，如果否，则控制车辆减速避让。
参见图5所示的一种自动换道状态机的流程图，以及表1所示的换道状态机各个状态说明表。
表1
其中，condition 7状态中，第一阶段过程指自车从当前车道到目标车道的过程，自车在目标车道车身还未摆正，可以等同于换道过程。condition 9状态下，换道准备阶段取消换道主要是人为取消换道。
参见图6所示的一种自动换道轨迹生成流程图，当需要生成横纵向轨迹时，首先构建纵向轨迹约束，结合纵向规划轨迹优化模型(对应上述纵向轨迹运动模型)，设计纵向轨迹生成优化方程(对应上述纵向轨迹数学模型)，基于该纵向轨迹生成优化方程求解纵向轨迹，如果求解成功，构建横向轨迹约束，结合横向规划轨迹优化模型(对应上述横向轨迹运动模型)，设计横向轨迹生成优化方程(对应上述横向轨迹数学模型)，基于该横向轨迹生成优化方程求解横向轨迹，如果求解成功，横纵向轨迹生成完成。如果纵向轨迹未求解成功，或横向轨迹未求解成功，则使用backup轨迹，该backup轨迹为求解规划失败之后，根据自车当前位置使用匀速运动模型规划出的轨迹。
作为另一种替换方式，还可以基于模型预测控制(Model Predictive Control，简称MPC)方法基于采样方式如Lattice、RRT(一种随机采样的规划算法)等方法实现自动换道。
上述方式通过设计自动换道状态机管理自动换道过程，该换道状态机主要包含正常换道、换道取消、换道失败及换道完成回到当前车道四个状态，处理在描述的四个状态中目标车道的选择及状态转移的决策。该方式通过对当前车道及目标车道车辆通行状态进行分析，符合自动换道条件进行换道，遇到危险情况取消换道，能够生成合理安全的换道决策。
在换道过程中目标车道障碍车Cut in，自动换道车辆的驾驶行为需要根据Cut in车辆及自车目前的车速、在道路中的位置进行继续自动换道、减速继续自动换道或者取消换道回到当前车道，可以极大提高自动驾驶过程中换道安全性及成功率。此方法实现了生成自动换道决策、换道目标车道选择、换道轨迹生成，分别解决了换道决策生成正确性，换道过程最优轨迹生成问题，极大的提高了自动驾驶过程中自动换道的安全性及可靠性。
该方式通过建立换道过程自车路径规划及速度规划模型，对自车当前车道及目标车道最近障碍车状态信息进行处理，通过障碍车预测轨迹、道路信息构造换道区间约束条件，通过对求解空间处理形成凸空间，保证优化求解过程中能够计算出全局最优的路径信息及速度信息。通过优化的方式求解换道过程中自车可以执行的轨迹，可以减少使用采样方式过程中的大量调参工作，减少大量的人力成本，同时通过构造软约束可以优化解空间，能够保证换道过程中无碰撞、车在道路边界内行驶、满足车辆自身约束条件。通过提高规划的泛化能力，能够使自车在换道过程能够按照规划速度完成换道，提升***的稳定性能，能够适应换道过程中复杂的交通环境，实现安全高效的自动换道功能。
本发明实施例提供了一种车辆换道控制装置，如图7所示，该装置包括：判断模块70，用于判断自车是否处于可换道状态；第一构建模块71，用于如果自车处于可换道状态，基于自车的纵向速度、纵向加速度、纵向加加速度，以及自车与障碍车的纵向距离，构建纵向轨迹约束条件；第一生成模块72，用于基于纵向轨迹约束条件，以及预先获取到的纵向轨迹运动模型，生成符合纵向轨迹约束条件的纵向换道轨迹；第二构建模块73，用于基于自车的横向速度、横向加速度和横向加加速度，以及自车与自车道边界的横向距离，构建横向轨迹约束条件；第二生成模块74，用于基于横向轨迹约束条件，以及预先获取到的横向轨迹运动模型，生成符合横向轨迹约束条件的横向换道轨迹；控制模块75，用于根据纵向换道轨迹和横向换道轨迹，确定自车的目标换道轨迹，控制自车按照目标换道轨迹从自车道换道至目标车道。
上述车辆换道控制装置，如果经判断确认自车处于可换道状态，基于自车的纵向速度、纵向加速度、纵向加加速度，以及自车与障碍车的纵向距离，构建纵向轨迹约束条件；基于纵向轨迹约束条件，以及预先获取到的纵向轨迹运动模型，生成符合纵向轨迹约束条件的纵向换道轨迹；基于自车的横向速度、横向加速度和横向加加速度，以及自车与自车道边界的横向距离，构建横向轨迹约束条件；基于横向轨迹约束条件，以及预先获取到的横向轨迹运动模型，生成符合横向轨迹约束条件的横向换道轨迹；根据纵向换道轨迹和横向换道轨迹，确定自车的目标换道轨迹，控制自车按照目标换道轨迹从自车道换道至目标车道。该装置通过构建纵向轨迹约束条件，对纵向轨迹运动模型进行求解，通过构建横线轨迹约束条件，对横向轨迹运动模型进行求解，在求解过程中，能够计算出全局最优的换道轨迹，这种通过优化求解换道轨迹的方式可以减少使用采样方式过程中的大量调参工作，从而有效降低人力成本和时间成本，同时提升轨迹规划的泛化能力，可以适应各种的交通场景。
进一步的，判断模块还用于：检测是否存在指示可换道的车道线；计算自车与自车道前方车辆之间的第一碰撞时间，如果第一碰撞时间小于预设时间，发出第一信号；其中，第一信号用于提示驾驶员确认是否换道；如果接收到确认换道的第二信号，计算自车分别与目标车道前方车辆和目标车道后方车辆之间的碰撞时间；如果存在指示可换道的车道线，且每个碰撞时间均大于或等于预设碰撞时间，确认自车处于可换道状态。
进一步的，该装置还用于：在换道过程中，如果接收到取消换道指示，且自车的后轴中心点未进入目标车道，确认能取消换道，控制自车从当前位置返回至自车道；如果自车的后轴中心点已进入目标车道，确认不能取消换道，如果根据当前位置确认自车处于可换道状态，控制自车继续换道至目标车道；如果根据当前位置确认自车处于不可换道状态，控制自车减速避让。
进一步的，构建纵向轨迹约束条件如下：
xmink≤xk≤xmaxk
其中，xk为矩阵形式，表示在时间采样点k时，自车与自车道前车之间的第一纵向距离，自车与目标车道前车之间的第二纵向距离，自车与自车道后车之间的第三纵向距离，以及自车与目标车道后车之间的第四纵向距离；xmaxk为在时间采样点k时对应的第一目标安全距离阈值；xmink为在时间采样点k时对应的第二目标安全距离阈值；表示自车在时间采样点k时的纵向速度；/>表示自车在时间采样点k时的纵向加速度；/>表示自车在时间采样点k时的纵向加加速度；/>vmink、vmink、amin、amax、Δamin、Δamin和Δamax均为预设值。
进一步的，目标换道轨迹对应多个时间采样点；该装置还包括第一目标安全距离阈值确定模块，该第一目标安全距离阈值确定模块用于：获取在时间采样点k时，自车与自车道前车之间的第一纵向距离和第一安全距离，自车与目标车道前车之间的第二纵向距离和第二安全距离；计算第一纵向距离与第一安全距离的差，得到自车与自车道前车之间的第一安全距离阈值；计算第二纵向距离与第二安全距离的差，得到自车与目标车道前车之间的第二安全距离阈值；从第一安全距离阈值和第二安全距离阈值中取最小值，将最小值确定为在时间采样点k时对应的第一目标安全距离阈值。
进一步的，该装置还包括第二目标安全距离阈值确定模块，该第二目标安全距离阈值确定模块用于：获取在时间采样点k时，自车与自车道后车之间的第三纵向距离和第三安全距离，自车与目标车道后车之间的第四纵向距离和第四安全距离；计算第三纵向距离与第三安全距离的差，得到自车与自车道后车之间的第三安全距离阈值；计算第四纵向距离与第四安全距离的差，得到自车与目标车道后车之间的第四安全距离阈值；从第三安全距离阈值和第四安全距离阈值中取最小值，将最小值确定为在时间采样点k时对应的第二目标安全距离阈值。
进一步的，该装置还包括第一安全距离与第二安全距离确定模块，该第一安全距离与第二安全距离确定模块用于：获取预设安全距离、自车与障碍车保持安全距离的预设时间、自车道前车在时间采样点k时的第一车辆速度、目标车道前车在时间采样点k时的第二车辆速度；计算预设时间与第一车辆速度的乘积，得到第一结果；从预设安全距离和第一结果中取最小值，得到第一安全距离；计算预设时间与第二车辆速度的乘积，得到第二结果；从预设安全距离和第二结果中取最小值，得到第二安全距离。
进一步的，该装置还包括第三安全距离与第四安全距离确定模块，该第三安全距离与第四安全距离确定模块用于：获取预设安全距离、自车与障碍车保持安全距离的预设时间、自车道后车在时间采样点k时的第三车辆速度、目标车道后车在时间采样点k时的第四车辆速度；计算预设时间与第三车辆速度的乘积，得到第三结果；从预设安全距离和第三结果中取最小值，得到第三安全距离；计算预设时间与第四车辆速度的乘积，得到第四结果；从预设安全距离和第四结果中取最小值，得到第四安全距离。
进一步的，第一生成模块还用于：基于纵向轨迹约束条件，以及预先获取到的纵向轨迹运动模型，确定纵向轨迹数学模型；求解纵向轨迹数学模型的最优解，得到符合纵向轨迹约束条件的纵向换道轨迹。
进一步的，构建横向轨迹约束条件如下：
ymink≤yk≤ymaxk
其中，yk为矩阵形式，表示在时间采样点k时，自车距离自车道左侧边界的距离，以及自车距离自车道右侧边界的距离；ymaxk为在时间采样点k时对应的第一横向距离阈值；ymink为在时间采样点k时对应的第二横向距离阈值；表示自车在时间采样点k时的横向速度；/>表示自车在时间采样点k时的横向加速度；/>表示自车在时间采样点k时的横向加加速度；/>vmink、vmink、amin、amax、Δamin和Δamax均为预设值。
进一步的，目标换道轨迹对应多个时间采样点；该装置还包括第一横向距离阈值和第二横向距离阈值确定模块，该第一横向距离阈值和第二横向距离阈值确定模块用于：如果目标车道为左车道，第一横向距离阈值为自车距离左车道的左侧边界的距离，第二横向距离阈值为自车距离自车道的右侧边界的距离；如果目标车道为右车道，第一横向距离阈值为自车距离自车道的左侧边界的距离，第二横向距离阈值为自车距离右车道的右侧边界的距离。
进一步的，第二生成模块还用于：基于横向轨迹约束条件，以及预先获取到的横向轨迹运动模型，确定横向轨迹数学模型；求解纵向轨迹数学模型的最优解，得到符合横向轨迹约束条件的横向换道轨迹。
本发明实施例所提供的车辆换道控制装置，其实现原理及产生的技术效果和前述车辆换道控制方法实施例相同，为简要描述，车辆换道控制装置实施例部分未提及之处，可参考前述车辆换道控制方法实施例中相应内容。
本发明实施例还提供了一种电子设备，参见图8所示，该电子设备包括处理器130和存储器131，该存储器131存储有能够被处理器130执行的机器可执行指令，该处理器130执行机器可执行指令以实现上述车辆换道控制方法。
进一步地，图8所示的电子设备还包括总线132和通信接口133，处理器130、通信接口133和存储器131通过总线132连接。
其中，存储器131可能包含高速随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口133(可以是有线或者无线)实现该***网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。总线132可以是ISA总线、PCI总线或EISA总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图8中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
处理器130可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器130中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器130可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DigitalSignal Processor，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。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。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器131，处理器130读取存储器131中的信息，结合其硬件完成前述实施例的方法的步骤。
本发明实施例还提供了一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质存储有机器可执行指令，该机器可执行指令在被处理器调用和执行时，该机器可执行指令促使处理器实现上述车辆换道控制方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
本发明实施例所提供的车辆换道控制方法、装置和电子设备的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、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 (13)

1.一种车辆换道控制方法，其特征在于，所述方法包括：
判断自车是否处于可换道状态；
如果所述自车处于所述可换道状态，基于所述自车的纵向速度、纵向加速度、纵向加加速度，以及所述自车与障碍车的纵向距离，构建纵向轨迹约束条件；
基于所述纵向轨迹约束条件，以及预先获取到的纵向轨迹运动模型，生成符合所述纵向轨迹约束条件的纵向换道轨迹；
基于所述自车的横向速度、横向加速度和横向加加速度，以及自车与自车道边界的横向距离，构建横向轨迹约束条件；
基于所述横向轨迹约束条件，以及预先获取到的横向轨迹运动模型，生成符合所述横向轨迹约束条件的横向换道轨迹；
根据所述纵向换道轨迹和所述横向换道轨迹，确定所述自车的目标换道轨迹，控制所述自车按照所述目标换道轨迹从自车道换道至目标车道；
构建所述纵向轨迹约束条件如下：
其中，xk为矩阵形式，表示在时间采样点k时，所述自车与所述自车道前车之间的第一纵向距离，所述自车与目标车道前车之间的第二纵向距离，所述自车与自车道后车之间的第三纵向距离，以及所述自车与目标车道后车之间的第四纵向距离；xmaxk为在时间采样点k时对应的第一目标安全距离阈值；xmink为在时间采样点k时对应的第二目标安全距离阈值；表示所述自车在时间采样点k时的纵向速度；/>表示所述自车在时间采样点k时的纵向加速度；/>表示所述自车在时间采样点k时的纵向加加速度；/>vmink、vmink、amin、amax、Δa min、Δamin和Δamax均为预设值；
所述目标换道轨迹对应多个时间采样点；所述第一目标安全距离阈值通过下述方式确定：
获取在时间采样点k时，所述自车与自车道前车之间的第一纵向距离和第一安全距离，所述自车与目标车道前车之间的第二纵向距离和第二安全距离；
计算所述第一纵向距离与所述第一安全距离的差，得到所述自车与所述自车道前车之间的第一安全距离阈值；
计算所述第二纵向距离与所述第二安全距离的差，得到所述自车与所述目标车道前车之间的第二安全距离阈值；
从所述第一安全距离阈值和所述第二安全距离阈值中取最小值，将所述最小值确定为在所述时间采样点k时对应的第一目标安全距离阈值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，判断自车是否处于可换道状态的步骤包括：
检测是否存在指示可换道的车道线；
计算所述自车与自车道前方车辆之间的第一碰撞时间，如果所述第一碰撞时间小于预设时间，发出第一信号；其中，所述第一信号用于提示驾驶员确认是否换道；
如果接收到确认换道的第二信号，计算所述自车分别与目标车道前方车辆和目标车道后方车辆之间的碰撞时间；
如果存在指示可换道的车道线，且每个所述碰撞时间均大于或等于预设碰撞时间，确认所述自车处于可换道状态。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在换道过程中，如果接收到取消换道指示，且所述自车的后轴中心点未进入所述目标车道，确认能取消换道，控制所述自车从当前位置返回至所述自车道；
如果所述自车的后轴中心点已进入所述目标车道，确认不能取消换道，如果根据所述当前位置确认所述自车处于可换道状态，控制所述自车继续换道至所述目标车道；如果根据所述当前位置确认所述自车处于不可换道状态，控制所述自车减速避让。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二目标安全距离阈值通过下述方式确定：
获取在所述时间采样点k时，所述自车与自车道后车之间的第三纵向距离和第三安全距离，所述自车与目标车道后车之间的第四纵向距离和第四安全距离；
计算所述第三纵向距离与所述第三安全距离的差，得到所述自车与所述自车道后车之间的第三安全距离阈值；
计算所述第四纵向距离与所述第四安全距离的差，得到所述自车与所述目标车道后车之间的第四安全距离阈值；
从所述第三安全距离阈值和所述第四安全距离阈值中取最小值，将所述最小值确定为在所述时间采样点k时对应的第二目标安全距离阈值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在时间采样点k时，所述自车与自车道前车之间的所述第一安全距离，以及所述自车与目标车道前车之间的第二安全距离通过下述方式确定：
获取预设安全距离、所述自车与障碍车保持安全距离的预设时间、所述自车道前车在时间采样点k时的第一车辆速度、所述目标车道前车在时间采样点k时的第二车辆速度；
计算所述预设时间与所述第一车辆速度的乘积，得到第一结果；
从所述预设安全距离和所述第一结果中取最小值，得到所述第一安全距离；
计算所述预设时间与所述第二车辆速度的乘积，得到第二结果；
从所述预设安全距离和所述第二结果中取最小值，得到所述第二安全距离。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在时间采样点k时，所述自车与自车道后车之间的所述第三安全距离，以及所述自车与目标车道后车之间的第四安全距离通过下述方式确定：
获取预设安全距离、所述自车与障碍车保持安全距离的预设时间、所述自车道后车在时间采样点k时的第三车辆速度、所述目标车道后车在时间采样点k时的第四车辆速度；
计算所述预设时间与所述第三车辆速度的乘积，得到第三结果；
从所述预设安全距离和所述第三结果中取最小值，得到所述第三安全距离；
计算所述预设时间与所述第四车辆速度的乘积，得到第四结果；
从所述预设安全距离和所述第四结果中取最小值，得到所述第四安全距离。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述纵向轨迹约束条件，以及预先获取到的纵向轨迹运动模型，生成符合所述纵向轨迹约束条件的纵向换道轨迹的步骤包括：
基于所述纵向轨迹约束条件，以及预先获取到的所述纵向轨迹运动模型，确定纵向轨迹数学模型；
求解所述纵向轨迹数学模型的最优解，得到符合所述纵向轨迹约束条件的纵向换道轨迹。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，构建所述横向轨迹约束条件如下：
其中，yk为矩阵形式，表示在时间采样点k时，所述自车距离自车道左侧边界的距离，以及所述自车距离自车道右侧边界的距离；ymaxk为在时间采样点k时对应的第一横向距离阈值；ymink为在时间采样点k时对应的第二横向距离阈值；表示所述自车在时间采样点k时的横向速度；/>表示所述自车在时间采样点k时的横向加速度；/>表示所述自车在时间采样点k时的横向加加速度；/>vmink、vmink、amin、amax、Δamin和Δamax均为预设值。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述目标换道轨迹对应多个时间采样点；所述第一横向距离阈值和所述第二横向距离阈值通过下述方式确定：
如果所述目标车道为左车道，所述第一横向距离阈值为所述自车距离所述左车道的左侧边界的距离，所述第二横向距离阈值为所述自车距离所述自车道的右侧边界的距离；
如果所述目标车道为右车道，所述第一横向距离阈值为所述自车距离所述自车道的左侧边界的距离，所述第二横向距离阈值为所述自车距离所述右车道的右侧边界的距离。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述横向轨迹约束条件，以及预先获取到的横向轨迹运动模型，生成符合所述横向轨迹约束条件的横向换道轨迹的步骤包括：
基于所述横向轨迹约束条件，以及预先获取到的所述横向轨迹运动模型，确定横向轨迹数学模型；
求解所述纵向轨迹数学模型的最优解，得到符合所述横向轨迹约束条件的横向换道轨迹。
11.一种车辆换道控制装置，其特征在于，所述装置包括：
判断模块，用于判断自车是否处于可换道状态；
第一构建模块，用于如果所述自车处于所述可换道状态，基于所述自车的纵向速度、纵向加速度、纵向加加速度，以及所述自车与障碍车的纵向距离，构建纵向轨迹约束条件；
第一生成模块，用于基于所述纵向轨迹约束条件，以及预先获取到的纵向轨迹运动模型，生成符合所述纵向轨迹约束条件的纵向换道轨迹；
第二构建模块，用于基于所述自车的横向速度、横向加速度和横向加加速度，以及自车与自车道边界的横向距离，构建横向轨迹约束条件；
第二生成模块，用于基于所述横向轨迹约束条件，以及预先获取到的横向轨迹运动模型，生成符合所述横向轨迹约束条件的横向换道轨迹；
控制模块，用于根据所述纵向换道轨迹和所述横向换道轨迹，确定所述自车的目标换道轨迹，控制所述自车按照所述目标换道轨迹从自车道换道至目标车道；
构建所述纵向轨迹约束条件如下：
其中，xk为矩阵形式，表示在时间采样点k时，所述自车与所述自车道前车之间的第一纵向距离，所述自车与目标车道前车之间的第二纵向距离，所述自车与自车道后车之间的第三纵向距离，以及所述自车与目标车道后车之间的第四纵向距离；xmaxk为在时间采样点k时对应的第一目标安全距离阈值；xmink为在时间采样点k时对应的第二目标安全距离阈值；表示所述自车在时间采样点k时的纵向速度；/>表示所述自车在时间采样点k时的纵向加速度；/>表示所述自车在时间采样点k时的纵向加加速度；/>vmink、vmink、amin、amax、Δa min、Δamin和Δamax均为预设值；
所述目标换道轨迹对应多个时间采样点；该装置还包括第一目标安全距离阈值确定模块，该第一目标安全距离阈值确定模块用于：
获取在时间采样点k时，所述自车与自车道前车之间的第一纵向距离和第一安全距离，所述自车与目标车道前车之间的第二纵向距离和第二安全距离；
计算所述第一纵向距离与所述第一安全距离的差，得到所述自车与所述自车道前车之间的第一安全距离阈值；
计算所述第二纵向距离与所述第二安全距离的差，得到所述自车与所述目标车道前车之间的第二安全距离阈值；
从所述第一安全距离阈值和所述第二安全距离阈值中取最小值，将所述最小值确定为在所述时间采样点k时对应的第一目标安全距离阈值。
12.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的机器可执行指令，所述处理器执行所述机器可执行指令以实现权利要求1-10任一项所述的车辆换道控制方法。
13.一种机器可读存储介质，其特征在于，所述机器可读存储介质存储有机器可执行指令，所述机器可执行指令在被处理器调用和执行时，所述机器可执行指令促使所述处理器实现权利要求1-10任一项所述的车辆换道控制方法。
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