一种无人驾驶车辆的变道方法及系统

1.本发明涉及无人驾驶领域，特别是关于一种无人驾驶车辆的变道方法及系统。


背景技术：

2.在自动化驾驶中，一项主要的任务是判断变道的可行性以及如何具体的变道。变道的过程中发生交通事故的概率较其它场景更大，传统的变道可行性预测是模仿驾驶员的判断和结合周边的交通情况，采用学习的方法来进行预测。
3.然而，上述方法严重依赖于固定的历史数据，所以对于不同的交通场景有较大的误差，使得变道过程的安全性不高，且具体给出变道策略时往往是给出具体的逻辑门限策略。但是，逻辑门限的规则依赖于专家的经验且鲁棒性不强。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的是提供一种变道过程的安全性高且鲁棒性强的无人驾驶车辆的变道方法及系统。
5.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：第一方面，提供一种无人驾驶车辆的变道方法，包括：
6.根据预先划分的车辆的变道过程状态，对目标车辆进行变道可行性判断，若目标车辆可进行变道，则进入决策区域；
7.判断目标车辆在决策区域内的安全性，若安全，则确定目标车辆的变道路线，目标车辆根据确定的变道路线进行变道，并预测目标车辆变道完成的时间；若不安全，则目标车辆需返回原始车道；
8.判断目标车辆变道后是否会与变道后车道的前后车辆发生碰撞，确定目标车辆的安全区域，并确定目标车辆的车速。
9.进一步地，所述车辆的变道过程状态包括保持车辆状态、改变车辆状态、到达目标车道状态和车辆调整状态。
10.进一步地，所述根据预先划分的车辆的变道过程状态，对目标车辆进行变道可行性判断，若目标车辆可进行变道，则进入决策区域，包括：
11.变道过程的变道场景包括目标车辆所在的车道以及需变道的目标车道两条车道，涉及的车辆包括目标车辆所在车道的目标车辆和目标车辆的前车辆、后车辆以及需变道的目标车道中与目标车辆距离最近的前车辆和后车辆；
12.在进行变道过程前，对目标车辆进行变道可行性判断，判断目标车辆是否会与周围车辆发生碰撞，若目标车辆可进行变道，则进入决策区域。
13.进一步地，所述在进行变道过程前，对目标车辆进行变道可行性判断，判断目标车辆是否会与周围车辆发生碰撞，若目标车辆可进行变道，则进入决策区域，包括：
14.①
定义函数f(x)＝{f(x,u),u∈u}和车辆a、b、c和d之间的向量ac、ab、ba、bd、ca、cd、db和dc，其中，x为车辆的状态；u为控制变量，包括制动踏板的深度和方向盘的转角；u为
控制变量组成的集合；a为与目标车辆距离最近的前车辆；b为与目标车辆距离最近的后车辆；c为目标车辆的前车辆；d目标车辆的后车辆；
15.②
若则目标车辆保持车辆状态；若则进入步骤
③
；
16.③
若则目标车辆保持车辆状态；若则进入步骤
④
；
17.④
若则目标车辆保持车辆状态；若则进入步骤
⑤
；
18.⑤
若则目标车辆保持车辆状态；若则目标车辆可进行换道，改变车辆状态，目标车辆进入决策区域；
19.其中，a、b为满足归一化条件的权重系数；u1为控制变量。
20.进一步地，所述判断目标车辆在决策区域内的安全性，若安全，则确定目标车辆的变道路线，目标车辆根据确定的变道路线进行变道，并预测目标车辆变道完成的时间；若不安全，则目标车辆需返回原始车道，包括：
21.判断目标车辆在决策区域内的安全性，若安全，则确定目标车辆的变道路线；若不安全，则目标车辆需返回原始车道；
22.目标车辆根据确定的变道路线进行变道，并预测目标车辆变道完成的时间。
23.进一步地，所述判断目标车辆在决策区域内的安全性，若安全，则确定目标车辆的变道路线；若不安全，则目标车辆需返回原始车道，包括：
24.将决策区域设定为一个正六边形区域；
25.根据目标车辆的位置，确定正六边形区域以及以正六边形的顶点为顶点的凸锥tk(g)＝f(x,u1)，其中，k表示正六边形点集，g表示六边形的一个顶点；
26.根据正六边形的凸锥tk(g)＝f(x,u1)，判断目标车辆在一个正六边形区域内的安全性，当正六边形区域的六个点上的凸锥和函数f(x)存在交集，则目标车辆安全，确定目标车辆的变道路线；反之，则目标车辆需返回原始车道。
27.进一步地，所述判断目标车辆变道后是否会与变道后车道的前后车辆发生碰撞，确定目标车辆的安全区域，并确定目标车辆的车速，包括：
28.基于目标车辆的动力学方程，判断目标车辆变道后是否会与变道后车道的前后车辆发生碰撞，确定目标车辆的安全区域，并确定目标车辆的车速，其中，目标车辆的动力学方程为：
[0029][0030]
其中，x(t)为目标车辆的水平位移；u(t)为目标车辆制动踏板的深度；t为时间。
[0031]
第二方面，提供一种无人驾驶车辆的变道系统，包括：
[0032]
可行性判断模块，用于根据预先划分的车辆的变道过程状态，对目标车辆进行变道可行性判断，若目标车辆可进行变道，则进入决策区域；
[0033]
安全性判断模块，用于判断目标车辆在决策区域内的安全性，若安全，则确定目标车辆的变道路线，目标车辆根据确定的变道路线进行变道，并预测目标车辆变道完成的时
间；若不安全，则目标车辆需返回原始车道；
[0034]
碰撞判断模块，用于判断目标车辆变道后是否会与变道后车道的前后车辆发生碰撞，确定目标车辆的安全区域，并确定目标车辆的车速。
[0035]
第三方面，提供一种处理设备，包括计算机程序指令，其中，所述计算机程序指令被处理设备执行时用于实现上述无人驾驶车辆的变道方法对应的步骤。
[0036]
第四方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令，其中，所述计算机程序指令被处理器执行时用于实现上述无人驾驶车辆的变道方法对应的步骤。
[0037]
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
[0038]
1、本发明在变道过程中对目标车辆进行可行性判断、安全性判断和碰撞判断，具有非常强的鲁棒性和灵活性，同时考虑到了严格的逻辑门限要求。
[0039]
2、本发明的计算量小，由于在大量的行驶区域只要进行一个简单的判断，所以极大地减少了在变道过程中的计算负担。
[0040]
3、本发明的自适应性强，由于采用的新算法对变道轨迹的要求具有一定的容错性，所以不同车辆的变道均适用。
[0041]
4、本发明便于实现，由于变道轨迹的计算量小，对软硬件的要求不高，很容易在实车当中实现。
[0042]
综上所述，本发明可以广泛应用于无人驾驶领域中。
附图说明
[0043]
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
[0044]
图1是本发明一实施例提供的方法流程示意图；
[0045]
图2是本发明一实施例提供的目标车辆变道前的场景描述示意图；
[0046]
图3是本发明一实施例提供的目标车辆变道前定义向量的场景描述示意图；
[0047]
图4是本发明一实施例提供的决策区域的示意图；
[0048]
图5是本发明一实施例提供的目标车辆变道后的场景描述示意图。
具体实施方式
[0049]
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
[0050]
应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操
作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
[0051]
本发明实施例提供的无人驾驶车辆的变道方法及系统，依次进行可行性判断、安全性判断和碰撞判断，使得目标车道的变道过程据具备高安全性和强鲁棒性。
[0052]
实施例1
[0053]
如图1所示，本实施例提供一种无人驾驶车辆的变道方法，包括以下步骤：
[0054]
1)确定车辆变道的动力学方程，为描述各种的动力学场景，采用f进行表示：
[0055][0056]
其中，x为车辆的状态，包括车辆的水平位置和垂直位置；u为控制变量，包括制动踏板的深度和方向盘的转角。
[0057]
2)对车辆的变道过程状态进行划分。
[0058]
具体地，车辆的变道过程状态包括保持车辆状态、改变车辆状态、到达目标车道状态和车辆调整状态。
[0059]
3)如图2至图5所示，根据划分的变道过程状态，对目标车辆进行变道可行性判断，若目标车辆可进行变道，则进入决策区域，具体为：
[0060]
3.1)如图2所示，变道过程的变道场景包括目标车辆所在的车道以及需变道的目标车道两条车道，涉及的车辆包括目标车辆所在车道的目标车辆tv和目标车辆tv的前车辆c、后车辆d，以及需变道的目标车道中与目标车辆tv距离最近的前车辆a和后车辆b，共五辆。
[0061]
3.2)如图3所示，在进行变道过程前，对目标车辆进行变道可行性判断，判断目标车辆是否会与周围车辆发生碰撞，若目标车辆可进行变道，则进入决策区域：
[0062]
3.2.1)定义函数f(x)＝{f(x,u),u∈u}和车辆a、b、c和d之间的向量ac、ab、ba、bd、ca、cd、db和dc，其中，为控制变量组成的集合。
[0063]
3.2.2)若则目标车辆保持车辆状态；若则目标车辆保持车辆状态；若则进入步骤3.2.3)。
[0064]
3.2.3)若则目标车辆保持车辆状态；若则目标车辆保持车辆状态；若则进入步骤3.2.4)。
[0065]
3.2.4)若则目标车辆保持车辆状态；若则目标车辆保持车辆状态；若则进入步骤3.2.5)。
[0066]
3.2.5)若则目标车辆保持车辆状态；若则目标车辆保持车辆状态；若则目标车辆可进行换道，改变车辆状态，目标车辆进入决策区域。
[0067]
其中，a、b为满足归一化条件的权重系数；u1为控制变量。
[0068]
4)如图4所示，判断目标车辆在决策区域内的安全性，若安全，则进入步骤5)；若不安全，则目标车辆需返回原始车道，具体为：
[0069]
4.1)将决策区域设定为一个正六边形区域。
[0070]
4.2)根据目标车辆的位置，确定正六边形区域以及以正六边形的顶点为顶点的凸
锥，由于六边形的对称性，因此只需确定正六边形其中一点上的凸锥tk(g)＝f(x,u1)，其中，k表示正六边形点集，g表示六边形的一个顶点，tk(g)表示集合k在顶点g处的凸锥。
[0071]
4.3)根据正六边形的凸锥tk(g)＝f(x,u1)，判断目标车辆在一个正六边形区域内的安全性，当正六边形区域的六个点上的凸锥和函数f(x)存在交集即认为目标车辆安全，进入步骤5)确定目标车辆的变道路线；反之，则目标车辆需返回原始车道。
[0072]
5)目标车辆根据确定的变道路线进行变道，并预测目标车辆变道完成的时间，具体为：
[0073]
5.1)采用logistic曲线(逻辑斯谛曲线)，确定目标车辆的变道路线，目标车辆根据确定的变道路线进行变道。
[0074]
具体地，将目标车辆所在的区域分三个区域，包括自由区域、干涉区域和变道失败区域，其中，在自由区域不需要进行干涉，目标车辆按照设定的轨迹自由行驶；在干涉区域，即目标车辆偏离设定的轨迹，但可以采用轨迹追踪方法，控制回归设定的轨迹；在变道失败区域，即目标车辆失控，可以采用常规的逻辑门限控制方式，避免发生这种情况。
[0075]
5.2)根据目标车辆的变道路线，预测目标车辆变道完成的时间。
[0076]
6)判断目标车辆变道后是否会与变道后车道的前后车辆发生碰撞，确定目标车辆的安全区域，并确定目标车辆的车速，具体为：
[0077]
6.1)进入车辆调整状态阶段，由于车辆基本是在一条直线上行驶，此时的控制变量主要为踏板深度，因此目标车辆的动力学方程为：
[0078][0079]
其中，x(t)为目标车辆的水平位移；u(t)为目标车辆制动踏板的深度；t为时间。
[0080]
6.2)基于目标车辆的动力学方程，判断目标车辆变道后是否会与变道后车道的前后车辆发生碰撞，确定目标车辆tv的安全区域，并确定目标车辆的车速。
[0081]
6.2.1)如图5所示，假设目标车辆tv变道后的后车v1所在的坐标为x1，目标车辆tv所在的坐标为x2，目标车辆tv变道后的前车v2所在的坐标为x3，判断目标车辆tv是否在区间[x1,x3]内不会与前车v2和后车v1发生碰撞，并确定目标车辆tv的安全区域[c,d]。
[0082]
具体地，确定包含在区间[x1,x3]内的目标车辆tv的安全区域[c,d]，由g(x(t),u(t))和u(t)的范围确定集合g(x)＝[g1(x),g2(x)]，解不等式方程组：
[0083]
g2(c)≥0 (3)
[0084]
g2(d)≤0 (4)
[0085]
其中，
[0086]
6.2.2)根据确定的安全区域[c,d]，确定目标车辆的车速。
[0087]
具体地，如果坐标x2在安全区域[c,d]内，则目标车辆保持当前速度；如果坐标x2在区间[x1,c]内，则目标车辆需要加速前行，直至落入安全区域[c,d]内；如果坐标x2在区间[d,x3]内，则目标车辆需要减速，直至落入安全区域[c,d]内。
[0088]
实施例2
[0089]
本实施例提供一种无人驾驶车辆的变道系统，包括：
[0090]
可行性判断模块，用于根据预先划分的车辆的变道过程状态，对目标车辆进行变
道可行性判断，若目标车辆可进行变道，则进入决策区域。
[0091]
安全性判断模块，用于判断目标车辆在决策区域内的安全性，若安全，则确定目标车辆的变道路线，目标车辆根据确定的变道路线进行变道，并预测目标车辆变道完成的时间；若不安全，则目标车辆需返回原始车道。
[0092]
碰撞判断模块，用于判断目标车辆变道后是否会与变道后车道的前后车辆发生碰撞，确定目标车辆的安全区域，并确定目标车辆的车速。
[0093]
本实施例提供的系统是用于执行上述各方法实施例，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。
[0094]
实施例3
[0095]
本实施例提供一种与本实施例1所提供的无人驾驶车辆的变道方法对应的处理设备，处理设备可以适用于客户端的处理设备，例如手机、笔记本电脑、平板电脑、台式机电脑等，以执行实施例1的方法。
[0096]
所述处理设备包括处理器、存储器、通信接口和总线，处理器、存储器和通信接口通过总线连接，以完成相互间的通信。存储器中存储有可在处理设备上运行的计算机程序，处理设备运行计算机程序时执行本实施例1所提供的无人驾驶车辆的变道方法。
[0097]
在一些实现中，存储器可以是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。
[0098]
在另一些实现中，处理器可以为中央处理器(cpu)、数字信号处理器(dsp)等各种类型通用处理器，在此不做限定。
[0099]
此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过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。
[0100]
本领域技术人员可以理解，上述计算设备的结构，仅仅是与本技术方案相关的部分结构，并不构成对本技术方案所应用于其上的计算设备的限定，具体的计算设备可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
[0101]
实施例4
[0102]
本实施例提供一种与本实施例1所提供的无人驾驶车辆的变道方法对应的计算机程序产品，计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于执行本实施例1所述的无人驾驶车辆的变道方法的计算机可读程序指令。
[0103]
计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意组合。
[0104]
上述实施例提供的一种计算机可读存储介质，其实现原理和技术效果与上述方法
实施例类似，在此不再赘述。
[0105]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0106]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0107]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0108]
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。