CN114537380A - 网联汽车避障换道轨迹规划方法及*** - Google Patents

网联汽车避障换道轨迹规划方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种网联汽车避障换道轨迹规划方法及***，包括：获取主车的初始状态以及周围车辆的状态信息，根据状态信息确定换道主车的中转状态；将主车的初始状态和中转状态作为输入，进行第一次轨迹规划；判断第一次轨迹规划是否满足安全性和舒适性约束，且在满足安全性和舒适性约束时，根据第一次轨迹规划确定换道结束状态，否则返回第一次轨迹规划；将主车的中转状态和换道结束状态作为输入，进行第二次轨迹规划；判断第二次轨迹规划该轨迹是否满足安全性及舒适性约束，且在满足安全性和舒适性约束时，将第二次轨迹规划作为目标换道轨迹，否则返回第二次轨迹规划。本发明可以有效地进行避障换道，且曲线平滑，同时满足汽车换道的舒适性约束。

Description

网联汽车避障换道轨迹规划方法及***
技术领域
本发明涉及，具体地，涉及一种基于改进双五次多项式的网联汽车避障换道轨迹规划方法及***。
背景技术
车辆换道行为在日常生活中相当常见，同时车辆换道轨迹规划在ADAS(高级驾驶辅助***，Advanced Driving Assistance System)以及无人驾驶汽车研究中也是一个重要的组成部分。随着当前社会对自动驾驶汽车的广泛关注，以及自动驾驶研究的逐渐深入，车辆换道轨迹规划研究对行业以及社会的发展起到强大的推动作用。
多项式换道轨迹规划是目前研究车辆换道轨迹的常用手段，大量的研究表明，以五次多项式作为换道轨迹是相对合理的。然而面对避障换道的情况，普遍采用升高阶次的方法，此类方法的缺点是，计算过程更加复杂，解算时间提高，不利于实时规划。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于改进双五次多项式的网联汽车避障换道轨迹规划方法及***，采用双五次多项式的避障换道轨迹规划，不仅可以避免升高阶次的方法，并且将人工安全势场理论与其相结合，同时以侧向加速度边界确定中转状态，可以使得规划出的轨迹更加安全、舒适。
根据本发明提供的网联汽车避障换道轨迹规划方法，包括如下步骤：
步骤S1：获取主车的初始状态以及周围车辆的状态信息，根据所述状态信息确定换道主车的中转状态；
步骤S2：将主车的初始状态和中转状态作为输入，进行第一次轨迹规划；
步骤S3：判断所述第一次轨迹规划是否满足安全性和舒适性约束，且在满足所述安全性和舒适性约束时，根据所述第一次轨迹规划确定换道结束状态，否则返回步骤S2；
步骤S4：将主车的中转状态和所述换道结束状态作为输入，进行第二次轨迹规划；
步骤S5：判断所述第二次轨迹规划该轨迹是否满足安全性及舒适性约束，且在满足所述安全性和舒适性约束时，将第二次轨迹规划作为目标换道轨迹，否则返回步骤S4。
优选地，所述周围车辆的状态信息包括周围车辆的位置，航向角，速度以及加速度。
优选地，确定所述中转状态的方法包括：
首先根据前车的状态信息计算横向位移；
然后根据主车的侧向加速度边界以及主车的速度计算纵向位移，同时计算出初始换道时间。
优选地，所述第一次轨迹规划方法包括根据：
根据五次多项式时间矩阵和所述初始换道时间求得系数矩阵；
根据所述系数矩阵求出初始换道时间内任意时刻的五次多项式矩阵。
优选地，在判断所述第一次轨迹规划是否满足安全性和舒适性约束时的方法包括：
判断中转点是否满足以下不等式：
Figure BDA0003508038710000021
其中，Δx表示主车与前车的距离，
Figure BDA0003508038710000022
表示前车LV在临界势场取值下的后倾距离，
Figure BDA0003508038710000023
表示主车FV在临界势场取值下的前倾距离；
以及轨迹中任一点的侧向加速度
Figure BDA0003508038710000024
以及侧向加加速度
Figure BDA0003508038710000025
是否满足以下不等式：
Figure BDA0003508038710000026
Figure BDA0003508038710000027
其中
Figure BDA0003508038710000028
表示侧向加速度边界，
Figure BDA0003508038710000029
表示侧向加加速度边界。
优选地，所述的确定换道结束状态包括：
在进入目标车道后无前方障碍车影响，则可将结束时的速度调整至理想速度
Figure BDA00035080387100000210
使轨迹规划更加合理。
优选地，所述的生成目标换道轨迹的方法包括：
将所述第一次轨迹规划和所述第二次轨迹规划得到的状态向量序列拼接在一起，并对所述状态向量序列的速度突变点进行平滑处理，保证轨迹的安全性和可靠性。
本发明提供的网联汽车避障换道轨迹规划***，包括如下模块：
中转状态确定模块，用于获取主车的初始状态以及周围车辆的状态信息，根据所述状态信息确定换道主车的中转状态；
第一轨迹规划模块，用于将主车的初始状态和中转状态作为输入，进行第一次轨迹规划；
第一规划判断模块，用于判断所述第一次轨迹规划是否满足安全性和舒适性约束，且在满足所述安全性和舒适性约束时，根据所述第一次轨迹规划确定换道结束状态，否则返回第一轨迹规划模块；
第二轨迹规划模块：将主车的中转状态和所述换道结束状态作为输入，进行第二次轨迹规划；
第二规划判断模块：判断所述第二次轨迹规划该轨迹是否满足安全性及舒适性约束，且在满足所述安全性和舒适性约束时，将第二次轨迹规划作为目标换道轨迹，否则返回第二轨迹规划模块。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明采用双五次多项式的避障换道轨迹规划，不仅可以避免升高阶次的方法，并且将人工安全势场理论与其相结合，同时以侧向加速度边界确定中转状态，可以使得规划出的轨迹更加安全、舒适；
本发明计算得出的汽车轨迹规划可以有效地进行避障换道，并且曲线平滑，同时满足汽车换道的舒适性约束。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例中避障换道中转状态的示意图；
图2为本发明一实施例中避障换道结束状态的示意图；
图3为本发明一实施例中避障换道轨迹规划的流程图；
图4为本发明一实施例中换道轨迹图；
图5为本发明一实施例中规划轨迹横向速度随时间的变化图；
图6为本发明一实施例中规划轨迹横向加速度随时间的变化图；以及
图7为本发明一实施例中规划轨迹横向加加速度随时间的变化图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供一种网联汽车避障换道轨迹规划方法，包括如下步骤：
步骤S1：获取主车的初始状态以及周围车辆的状态信息，根据状态信息确定换道主车的中转状态；
所述周围车辆的状态信息包括周围车辆的位置，航向角，速度以及加速度。
所述状态信息通过V2X技术获取，所述状态信息包括主车状态向量
Figure BDA0003508038710000041
Figure BDA0003508038710000042
以及前车状态向量
Figure BDA0003508038710000043
其中
Figure BDA0003508038710000044
Figure BDA0003508038710000045
分别表示主车初始时刻的纵向位置、速度及加速度，
Figure BDA0003508038710000046
分别表示主车初始时刻的横向位置、速度及加速度，
Figure BDA0003508038710000047
分别表示前车初始时刻的纵向位置、速度及加速度，
Figure BDA0003508038710000048
分别表示前车初始时刻的横向位置、速度及加速度。
确定所述中转状态的方法包括：
首先根据前车的状态信息计算横向位移；
然后根据主车的侧向加速度边界以及主车的速度计算纵向位移，同时计算出初始换道时间。
所述侧向加速度为垂直于主车航向方向的加速度
利用汽车动力学原理，主车一次换道规划后的中转纵向位置的相应约束边界xr可由下式给出：
Figure BDA0003508038710000049
其中yf表示目标横向位移，其值可取汽车宽度；ui表示初始速度；
Figure BDA00035080387100000410
表示侧向加速度边界。
故主车中转状态向量可表示为
Figure BDA00035080387100000411
第一次规划时间t1可根据下式计算：
Figure BDA00035080387100000412
步骤S2：将主车的初始状态和中转状态作为输入，进行第一次轨迹规划；
所述第一次轨迹规划方法包括：
根据五次多项式时间矩阵和所述初始换道时间求得系数矩阵；
根据所述系数矩阵求出初始换道时间内任意时刻的五次多项式时间参数矩阵T。
将主车初始状态向量和中转状态向量拼接得到纵向状态向量
Figure BDA0003508038710000051
Figure BDA0003508038710000052
和横向状态向量
Figure BDA0003508038710000053
五次多项式时间参数矩阵T表示如下：
Figure BDA0003508038710000054
系数矩阵A、B由下式计算：
A＝T-1X
B＝T-1Y
在求得系数矩阵A、B后，则任意时刻主车的状态向量都可求出，从而得到主车的轨迹。
步骤S3：判断所述第一次轨迹规划是否满足安全性和舒适性约束，且在满足所述安全性和舒适性约束时，根据所述第一次轨迹规划确定换道结束状态，否则返回步骤S2；
在判断所述第一次轨迹规划是否满足安全性和舒适性约束时的方法包括：
利用基于人工安全势场理论的前倾距离和后倾距离判断中转点是否满足以下不等式：
Figure BDA0003508038710000055
其中，Δx表示主车与前车的距离，
Figure BDA0003508038710000056
表示前车LV在临界势场取值下的后倾距离，
Figure BDA0003508038710000057
表示主车FV在临界势场取值下的前倾距离；
在临界势场取值的主车前倾距离
Figure BDA0003508038710000058
前车后倾距离
Figure BDA0003508038710000059
为，
Figure BDA00035080387100000510
Figure BDA00035080387100000511
其中，λ、β为待定参数，α为与速度相关的待定参数，τ为安全距离的临界阈值，目标车辆i的等效质量Mi由下式给出：
Mi＝mi(1.566×10-14v6.687+0.3345)
以及轨迹中任一点的侧向加速度
Figure BDA00035080387100000512
以及侧向加加速度
Figure BDA00035080387100000513
是否满足以下不等式：
Figure BDA00035080387100000514
Figure BDA0003508038710000061
其中
Figure BDA0003508038710000062
表示侧向加速度边界，
Figure BDA0003508038710000063
表示侧向加加速度边界。
所述的确定换道结束状态包括：
在进入目标车道后无前方障碍车影响，则可将结束时的速度调整至理想速度
Figure BDA0003508038710000064
使轨迹规划更加合理。
由于完成第一次规划后无前方障碍车影响，则可根据具体情况考虑将结束时的速度调整至理想速度
Figure BDA0003508038710000065
使轨迹规划更加合理，其中第二次换道完成时间t2由下式计算：
Figure BDA0003508038710000066
步骤S4：将主车的中转状态和所述结束状态作为输入，进行第二次轨迹规划；
步骤S5：判断所述第二次轨迹规划该轨迹是否满足安全性及舒适性约束，且在满足所述安全性和舒适性约束时，将第二次轨迹规划作为目标换道轨迹，否则返回步骤S4。
所述的生成目标换道轨迹的方法包括：
将所述第一次轨迹规划和所述第二次轨迹规划得到的状态向量序列拼接在一起，并对所述状态向量序列的速度突变点进行平滑处理，保证轨迹的安全性和可靠性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种网联汽车避障换道轨迹规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：获取主车的初始状态以及周围车辆的状态信息，根据所述状态信息确定换道主车的中转状态；
步骤S2：将主车的初始状态和中转状态作为输入，进行第一次轨迹规划；
步骤S3：判断所述第一次轨迹规划是否满足安全性和舒适性约束，且在满足所述安全性和舒适性约束时，根据所述第一次轨迹规划确定换道结束状态，否则返回步骤S2；
步骤S4：将主车的中转状态和所述换道结束状态作为输入，进行第二次轨迹规划；
步骤S5：判断所述第二次轨迹规划该轨迹是否满足安全性及舒适性约束，且在满足所述安全性和舒适性约束时，将第二次轨迹规划作为目标换道轨迹，否则返回步骤S4。
2.根据权利要求1所述的网联汽车避障换道轨迹规划方法，其特征在于，所述周围车辆的状态信息包括周围车辆的位置，航向角，速度以及加速度。
3.根据权利要求1所述的网联汽车避障换道轨迹规划方法，其特征在于，确定所述中转状态的方法包括：
首先根据前车的状态信息计算横向位移；
然后根据主车的侧向加速度边界以及主车的速度计算纵向位移，同时计算出初始换道时间。
4.根据权利要求3所述的网联汽车避障换道轨迹规划方法，其特征在于，所述第一次轨迹规划方法包括根据：
根据五次多项式时间矩阵和所述初始换道时间求得系数矩阵；
根据所述系数矩阵求出初始换道时间内任意时刻的五次多项式矩阵。
5.根据权利要求1所述的网联汽车避障换道轨迹规划方法，其特征在于，在判断所述第一次轨迹规划是否满足安全性和舒适性约束时的方法包括：
判断中转点是否满足以下不等式：
Figure FDA0003508038700000011
其中，Δx表示主车与前车的距离，
Figure FDA0003508038700000012
表示前车LV在临界势场取值下的后倾距离，
Figure FDA0003508038700000013
表示主车FV在临界势场取值下的前倾距离；
以及轨迹中任一点的侧向加速度
Figure FDA0003508038700000014
以及侧向加速度
Figure FDA0003508038700000015
是否满足以下不等式：
Figure FDA0003508038700000016
Figure FDA0003508038700000021
其中
Figure FDA0003508038700000022
表示侧向加速度边界，
Figure FDA0003508038700000023
表示侧向加加速度边界。
6.根据权利要求1所述的网联汽车避障换道轨迹规划方法，其特征在于，所述的确定换道结束状态包括：
在进入目标车道后无前方障碍车影响，则可将结束时的速度调整至理想速度
Figure FDA0003508038700000024
使轨迹规划更加合理。
7.根据权利要求1所述的网联汽车避障换道轨迹规划方法，其特征在于，所述的生成目标换道轨迹的方法包括：
将所述第一次轨迹规划和所述第二次轨迹规划得到的状态向量序列拼接在一起，并对所述状态向量序列的速度突变点进行平滑处理，保证轨迹的安全性和可靠性。
8.一种网联汽车避障换道轨迹规划***，其特征在于，包括如下模块：
中转状态确定模块，用于获取主车的初始状态以及周围车辆的状态信息，根据所述状态信息确定换道主车的中转状态；
第一轨迹规划模块，用于将主车的初始状态和中转状态作为输入，进行第一次轨迹规划；
第一规划判断模块，用于判断所述第一次轨迹规划是否满足安全性和舒适性约束，且在满足所述安全性和舒适性约束时，根据所述第一次轨迹规划确定换道结束状态，否则返回第一轨迹规划模块；
第二轨迹规划模块：将主车的中转状态和所述换道结束状态作为输入，进行第二次轨迹规划；
第二规划判断模块：判断所述第二次轨迹规划该轨迹是否满足安全性及舒适性约束，且在满足所述安全性和舒适性约束时，将第二次轨迹规划作为目标换道轨迹，否则返回第二轨迹规划模块。
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