CN114537372A - 一种铰接式车辆变道避障方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铰接式车辆变道避障方法，包括：步骤一、采集车辆的纵向速度、车辆的加速度、车辆的宽度、前车的宽度、本车与前车的距离和前车的纵向速度；步骤二、建立避障段轨迹规划模型，获取车辆紧急避障部分结束的临界纵坐标；步骤三、以贝塞尔曲线建立回正段轨迹规划模型，获得本车回正段的轨迹；步骤四、更新本车与前车之间的安全距离；步骤五、当本车与前车的距离到达车辆更新后的本车与前车之间的安全距离且目标车道无车后，车辆根据所述避障段轨迹规划模型和回正段轨迹规划模型进行变道避障。本发明具有提高车辆行驶安全性和缩短避障距离的特点。

Description

一种铰接式车辆变道避障方法

技术领域

本发明涉及智能车辆自动驾驶和变道避障技术领域，更具体的是，本发明涉及一种铰接式车辆变道避障方法。

背景技术

随着科技的发展和人民生活水平的不断提升，交通运输业得到了迅猛发展，为铰接式车辆的发展提供了广阔空间。但是铰接式车辆容易发生事故，而且事故损失大，已经成为社会关注的重点问题。其中，在高速行驶过程中，前方出现较低速行驶车辆或静止障碍是比较常见的危险工况，为了降低碰撞发生的可能性，减小碰撞造成的损失，人们设计出主动避障系统辅助驾驶。

主动避障系统可以分成基于制动的AEBS和基于转向的变道避障，其中AEBS技术简单，研究起步较早，成果很多，已经成为车辆必须安装的辅助系统。基于转向系统的变道避障技术比较复杂，随着科技水平的提高，针对乘用车的主动避障系统已经被逐渐开发出来，但是针对铰接式车辆的主动变道避障系统，目前还不成熟。而且，大多数变道避障技术选择的轨迹是单段式的，不能充分发挥车辆性能。

发明内容

本发明的目的是设计开发了一种铰接式车辆变道避障方法，采用两段式轨迹规划策略结合安全距离模型，发挥车辆转向性能，缩短避障距离，为实际驾驶提供了可靠依据。

本发明提供的技术方案为：

一种铰接式车辆变道避障方法，包括：

步骤一、采集车辆的纵向速度、车辆的加速度、车辆的宽度、前车的宽度、本车与前车的距离和前车的纵向速度；

步骤二、建立避障段轨迹规划模型，获取车辆紧急避障部分结束的临界纵坐标：

式中，(x_c,y_c)为紧急避障部分结束的临界坐标，l为回旋线上点(x,y)到原点的曲线长，x_d为前车的宽度，x_D1为本车宽度，x_safe为本车与前车的初始安全距离，θ为紧急避障部分结束的转角，a为本车质心到前轴距离；

步骤三、以贝塞尔曲线建立回正段轨迹规划模型，获得本车回正段的轨迹；

步骤四、更新本车与前车之间的安全距离：

x_safe2＝(v_x-v_1x)t_safe；

式中，x_safe2为更新后的本车与前车之间的安全距离，v_x为车辆的纵向速度，v_1x为前车的纵向速度，t_safe为车辆避障所需时间。

步骤五、当本车与前车的距离到达车辆更新后的本车与前车之间的安全距离且目标车道无车后，车辆根据所述避障段轨迹规划模型和回正段轨迹规划模型进行变道避障。

优选的是，所述避障段轨迹规划模型满足：

式中，(x,y)为车辆的坐标，A为回旋线系数。

优选的是，所述回旋线系数满足：

A²＝ρl；

式中，ρ为回旋线上点(x,y)的曲率半径。

优选的是，所述紧急避障部分结束的转角满足：

优选的是，所述车辆到达紧急避障部分结束的临界坐标时，所述回旋线上点(x_c,y_c)的曲率半径满足：

式中，ρ_c为回旋线上点(x_c,y_c)的曲率半径，a_ymax为车辆的纵向加速度。

优选的是，所述贝塞尔曲线满足：

B₃(t)＝(1-t)³P₀+3t(1-t)²P₁+3t²(1-t)P₂+t³P₃,t∈[0,1]

式中，P₀为紧急避障部分结束的临界坐标(x_c,y_c)，P₁为第一过渡坐标(x₁,y₁)，P₂为第二过渡坐标(x₂,y₂)，P₃为避障结束坐标(x_e,y_e)。

优选的是，所述第一过渡坐标满足：

式中，k_c为紧急避障部分结束的临界坐标点的斜率，D为车辆在避障过程中的横向位移。

优选的是，所述第二过渡坐标满足：

式中，r_c为紧急避障部分结束的临界坐标点的曲率。

优选的是，所述车辆避障所需时间满足：

式中，x_start为车辆避障结束时的车辆质心x轴坐标，d为挂车质心到挂车轴的距离，e为挂车质心到铰接点的距离，b为本车质心到后轴的距离。

本发明所述的有益效果：

(1)、本发明设计开发的一种铰接式车辆变道避障方法，从传统轨迹规划方法的局限性出发，提供了一种针对铰接式车辆的智能车避障方法，采用了新的两段式轨迹规划策略，并设计了相适应的安全距离模型。避障轨迹的主要目的是使车辆尽快离开本车道，在此过程中尽可能发挥车辆转向性能，回正轨迹的主要目的是使车辆从避障过程转到目标车道继续正常行驶。

(2)、本发明设计开发的一种铰接式车辆变道避障方法，能够尽快发挥转向性能极限，使避障距离更短。

(3)、本发明设计开发的一种铰接式车辆变道避障方法，配备了相应的安全距离作为避障的具体触发依据，为实际驾驶提供了可靠判据。

附图说明

图1为本发明所述铰接式车辆变道避障方法的流程示意图。

图2为本发明所述分段式轨迹的示意图。

图3为本发明所述分段式轨迹的切换点示意图。

图4为本发明所述贝塞尔曲线参数示意图。

图5为本发明所述避障过程结束时间点示意图。

具体实施方式

下面结合对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供的一种铰接式车辆变道避障方法，具体包括如下步骤：

步骤一、在车辆正常行驶时，检测周围交通环境和本车行驶状态，获得车辆的纵向速度、车辆的加速度、车辆的宽度、前车的宽度、本车与前车的距离和前车的纵向速度；

步骤二、如图2、图3所示，建立避障段轨迹规划模型：

正常驾驶员在遇到紧急变道工况时，会选择向目标车道匀速转动方向盘，因此，本发明选择了一种基于回旋线的轨迹作为车辆避障段的轨迹规划函数，其输入类似匀速变化的输入，即：

式中，(x,y)为车辆的坐标，A为回旋线系数，l为回旋线上点(x,y)到原点的曲线长；

其中，所述回旋线系数满足：

A²＝ρl；

式中，ρ为回旋线上点(x,y)的曲率半径。

对于车辆的急转过程而言，最有可能发生的是正面碰撞，首先要避免的也是正面碰撞的可能性，因此，将避免正面撞击作为紧急避撞部分的主要目的，所以考虑到车辆右前角与前车的距离作为判据来结束本阶段，此时的坐标为：

式中，(x_c,y_c)为紧急避障部分结束的临界坐标，l为回旋线上点(x,y)到原点的曲线长，x_d为前车的宽度，

为本车宽度，x_safe为本车与前车的初始安全距离，θ为紧急避障部分结束的转角，a为本车质心到前轴距离，实际实验中可为质心到前保险杠距离。

在本实施例中，本车与前车的初始安全距离为20厘米。

其中，所述紧急避障部分结束的转角满足：

联立上述公式可得：

式中，ρ_c为回旋线上点(x_c,y_c)的曲率半径；

带入回旋线轨迹方程可得：

近似令：

式中，a_ymax为车辆的纵向加速度。

快速求得x_c的值，求得的(x_c,y_c)即为下一部分回正轨迹开始时的参数。

步骤三、如图4所示，以贝塞尔曲线建立回正段轨迹规划模型，获得本车回正段的轨迹：

对于回正段而言，x_c处应该满足连续性条件，左极限等于右极限：

式中，y(x_c)为紧急避障部分结束的临界纵坐标(即y_c)，K(x_c)为紧急避障部分结束的临界坐标处的斜率，y(x_e)为车辆避障结束时的纵坐标，K(x_e)为车辆避障结束时坐标处的斜率。

这部分轨迹的目的和避障段轨迹不同，此时车辆正在两车道中间，但是已经脱离和前车碰撞的危险，故这部分轨迹目的在于使车辆在避障完成后的车道上继续行驶，本发明选择贝塞尔曲线作为回正段轨迹，其公式为：

B₃(t)＝(1-t)³P₀+3t(1-t)²P₁+3t²(1-t)P₂+t³P₃,t∈[0,1]；

需要四个点的坐标来确定轨迹的唯一性，其中的P₀为X_c点，P₃为终点(即车辆避障结束)，P₁(x₁,y₁)点则可以选取P₀处速度和目标车道中心线交点处，这样可以同时保证P₀和P₂(x₂,y₂)处的速度方向符合要求，P₂点可以也选择在P₁和P₃(x₃,y₃)连线上，这样可以保证P₃点处曲率也符合要求，即y₁＝y₂＝y₃＝D，D为整个避障过程的横向位移，其大小受到车辆所行使道路的宽度限制，

本实施例中，整个避障过程的横向位移为4m，为标准高速公路的同侧两车道中线距离。

贝塞尔曲线的一阶导数为：

贝塞尔曲线的二阶导数为：

假设设Xc处坐标(x_c,y_c)，该点斜率为k_c，曲率为r_c，则

对于x₂，可以利用K₊(x₁)＝K_-(x₁)求解：

三阶贝塞尔曲线的曲率为：

解得：

对于x₃，由于x₃影响的是贝塞尔曲线在除起点和终点外的长度和曲率，所以需要令：

K_max＝k_c；

式中，K_max为贝塞尔曲线的最大曲率；

即可解得x₃的值。

步骤四、如图5所示，建立避障安全距离模型：

车辆在避障过程中，并非全部时间都处于危险状态，可以认为只要本车后侧离目标车道较远车轮和前车的距离达到安全距离时，避障过程完全结束，此时本车的质心位置为：

式中，c为牵引车质心到铰接点的距离；

该y坐标在上文轨迹中对应的x坐标记为x_start，则安全距离为：

x＝x_start+d+e+b

式中，d为挂车质心到挂车轴的距离，e为挂车质心到铰接点的距离，b为本车质心到后轴的距离，实际驾驶过程中，可以视为质心到后保险杠的距离。

在前车静止时，其避障所需时间为：

在前车匀速行驶时，本车达到安全状态的时间不变，由于前车有脱离本车的移速，其所需安全距离下降，为：

式中，x_safe2为更新后的本车与前车之间的安全距离，v_x为车辆的纵向速度，v_1x为前车的纵向速度，当前方为静止障碍时，v_1x＝0，t_safe为车辆避障所需时间，x_start为车辆避障结束时的车辆质心x轴坐标，d为挂车质心到挂车轴的距离，e为挂车质心到铰接点的距离，b为本车质心到后轴的距离。

智能车辆在已知当前本车车速和路面附着系数、车内人员能适应的最大侧向加速度等客观环境因素的情况下，可以计算出本车的最小安全转弯半径，并按照本发明方法计算出离线轨迹和安全距离。

步骤五、当车辆和前车的距离达到安全距离且目标车道无车时，便自动向目标车道方向转向，跟随以算得的轨迹完成变道避障。

本发明设计开发的一种铰接式车辆变道避障方法，与已有的公知技术相比，至少具有如下有益效果，能够在保证车辆行驶安全性的情况下，尽可能缩短车辆避障所需的纵向距离。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。

Claims (9)

1.一种铰接式车辆变道避障方法，其特征在于，包括：

步骤一、采集车辆的纵向速度、车辆的加速度、车辆的宽度、前车的宽度、本车与前车的距离和前车的纵向速度；

步骤二、建立避障段轨迹规划模型，获取车辆紧急避障部分结束的临界纵坐标：

式中，(x_c,y_c)为紧急避障部分结束的临界坐标，l为回旋线上点(x,y)到原点的曲线长，x_d为前车的宽度，x_D1为本车宽度，x_safe为本车与前车的初始安全距离，θ为紧急避障部分结束的转角，a为本车质心到前轴距离；

步骤三、以贝塞尔曲线建立回正段轨迹规划模型，获得本车回正段的轨迹；

步骤四、更新本车与前车之间的安全距离：

x_safe2＝(v_x-v_1x)t_safe；

式中，x_safe2为更新后的本车与前车之间的安全距离，v_x为车辆的纵向速度，v_1x为前车的纵向速度，t_safe为车辆避障所需时间；

步骤五、当本车与前车的距离到达车辆更新后的本车与前车之间的安全距离且目标车道无车后，车辆根据所述避障段轨迹规划模型和回正段轨迹规划模型进行变道避障。

2.如权利要求1所述的铰接式车辆变道避障方法，其特征在于，所述避障段轨迹规划模型是：

式中，(x,y)为车辆的坐标，A为回旋线系数。

3.如权利要求2所述的铰接式车辆变道避障方法，其特征在于，所述回旋线系数满足：

A²＝ρl；

式中，ρ为回旋线上点(x,y)的曲率半径。

4.如权利要求3所述的铰接式车辆变道避障方法，其特征在于，所述紧急避障部分结束的转角满足：

5.如权利要求4所述的铰接式车辆变道避障方法，其特征在于，所述车辆到达紧急避障部分结束的临界坐标时，所述回旋线上点(x_c,y_c)的曲率半径满足：

式中，ρ_c为回旋线上点(x_c,y_c)的曲率半径，a_ymax为车辆的纵向加速度。

6.如权利要求5所述的铰接式车辆变道避障方法，其特征在于，所述回正段轨迹规划模型是：

B₃(t)＝(1-t)³P₀+3t(1-t)²P₁+3t²(1-t)P₂+t³P₃,t∈[0,1]

式中，P₀为紧急避障部分结束的临界坐标(x_c,y_c)，P₁为第一过渡坐标(x₁,y₁)，P₂为第二过渡坐标(x₂,y₂)，P₃为避障结束坐标(x_e,y_e)。

7.如权利要求6所述的铰接式车辆变道避障方法，其特征在于，所述第一过渡坐标满足：

式中，k_c为紧急避障部分结束的临界坐标点的斜率，D为车辆在避障过程中的横向位移。

8.如权利要求7所述的铰接式车辆变道避障方法，其特征在于，所述第二过渡坐标满足：

式中，r_c为紧急避障部分结束的临界坐标点的曲率。

9.如权利要求8所述的铰接式车辆变道避障方法，其特征在于，所述车辆避障所需时间满足：

式中，x_start为车辆避障结束时的车辆质心x轴坐标，d为挂车质心到挂车轴的距离，e为挂车质心到铰接点的距离，b为本车质心到后轴的距离。

Images