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高階自動(dòng)換道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

2021-11-26 12:14:16·  來源：焉知  作者：Jessie  
　
下一代自動(dòng)駕駛主要解決的功能性問題主要包括高速路駕駛的最后一公里問題，其中最重要的部分就是基于導(dǎo)航定位的自動(dòng)換道功能。這不僅是實(shí)現(xiàn)超速換道、導(dǎo)航自動(dòng)下
下一代自動(dòng)駕駛主要解決的功能性問題主要包括高速路駕駛的最后一公里問題，其中最重要的部分就是基于導(dǎo)航定位的自動(dòng)換道功能。這不僅是實(shí)現(xiàn)超速換道、導(dǎo)航自動(dòng)下匝道、導(dǎo)航自動(dòng)并道的前提，也是完善整個(gè)高速/快速路自動(dòng)駕駛功能的前提。由于換道過程涉及車輛的橫縱向控制和速度調(diào)節(jié)，同時(shí)執(zhí)行過程中亦受駕駛?cè)朔治?、駕駛技能不足及環(huán)境多變等因素的影響，因此整個(gè)換道控制具有較強(qiáng)的復(fù)雜性。系統(tǒng)在自動(dòng)發(fā)起換道過程中，一旦判斷失誤可能引發(fā)駕駛員強(qiáng)烈的抱怨甚至可能由于執(zhí)行時(shí)機(jī)及操作不當(dāng)導(dǎo)致嚴(yán)重的交通安全事故。

本文從整個(gè)自動(dòng)換道角度講解實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換道的整個(gè)過程控制原理。包括產(chǎn)生換道意圖、換道決策規(guī)劃、換道軌跡規(guī)劃和換道軌跡跟隨幾個(gè)重要的部分。重點(diǎn)在于輔助實(shí)現(xiàn)最后一公里自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的有效執(zhí)行策略。
自動(dòng)換道功能方案
換道過程首先要進(jìn)行換道決策規(guī)劃，在每個(gè)決策周期內(nèi)，需要利用導(dǎo)航定位獲取車輛定位信息，利用車載傳感器獲取周邊環(huán)境信息（包括自車道車輛、周邊環(huán)境車輛、目的地信息），判斷在當(dāng)前狀態(tài)下是否產(chǎn)生換道意圖。
若跟隨目的地信息、環(huán)境信息而產(chǎn)生換道意圖，則根據(jù)后續(xù)的換道軌跡規(guī)劃算法計(jì)算得到換道行駛軌跡，并根據(jù)軌跡跟隨策略對得到的軌跡進(jìn)行控制。
對于高速自動(dòng)換道來說，由于換道行為受到導(dǎo)航路徑規(guī)劃、道路條件、天氣情況、交通規(guī)則以及周圍交通車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等因素的影響，會(huì)區(qū)分兩種換道動(dòng)機(jī)和結(jié)果：其一是任意性換道，其二是強(qiáng)制性換道兩大類。其中，任意性換道是指從駕駛舒適性和效率上，為了追求更快的車速和更自由的行駛空間而進(jìn)行換道的行為，其特點(diǎn)是該行為不是必須進(jìn)行的。而強(qiáng)制性換道是指車輛受到匝道合流、十字路口、前方障礙物或前方并道的因素的影響而發(fā)起的換道行為。對于自主發(fā)起的換道過程需要結(jié)合滿足時(shí)間自由度和空間自由度來衡量。其中，時(shí)間自由度主要體現(xiàn)為系統(tǒng)檢測車輛速度的期望值，即前方有低速行駛的車輛時(shí)，往往會(huì)觸發(fā)換道意圖?？臻g自由度是指系統(tǒng)控制自車對本車道車輛間距的期望值，若車間距較小，影響到駕駛視線，無法保證縱向安全時(shí)，會(huì)給駕駛?cè)水a(chǎn)生一定的心理壓力，此時(shí)仍舊會(huì)發(fā)起換道意圖。如上兩種換道意圖的發(fā)起同樣會(huì)因?yàn)榄h(huán)境實(shí)際狀態(tài)（如天氣情況、車輛性能、車道數(shù)量等）的不同而發(fā)生改變。
基于上述分析，自動(dòng)換道決策機(jī)制將由5大部分組成：周圍環(huán)境信息感知、換道意圖產(chǎn)生、個(gè)性化換道最小安全距離計(jì)算、換道可行性分析、自動(dòng)換道預(yù)警提示系統(tǒng)。
這里需要考慮幾個(gè)重要的量值：自車與目標(biāo)后車、目標(biāo)車道前車和原始車道前車的實(shí)際車間距離D1、D2、D3，主車與目標(biāo)車道后車、目標(biāo)車道前車和原始車道前車的換道最小安全距離d1、d2、d3。個(gè)性化的換道最小安全距離計(jì)算需要結(jié)合自動(dòng)換道前期開發(fā)過程中駕駛員駕駛習(xí)性和周圍車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)計(jì)算出符合不同駕駛風(fēng)格的駕駛?cè)孙L(fēng)險(xiǎn)判斷水平最小安全距離。換道可行性分析與判斷模塊需要根據(jù)主車與周圍交通車之間的實(shí)際車間距離赫爾換道最小安全距離進(jìn)行比較，若安全性滿足要求，則允許發(fā)起本次換道，否則將持續(xù)性的嘗試下次換道過程。
不同駕駛習(xí)性駕駛員的換道風(fēng)險(xiǎn)判斷水平存在巨大差異，通常這個(gè)過程需要結(jié)合下一代自動(dòng)駕駛系統(tǒng)通用的“影子模式”來進(jìn)行駕駛員人工駕駛的數(shù)據(jù)采集過程，通過形成的數(shù)據(jù)閉環(huán)，模擬出駕駛員在真實(shí)場景下的實(shí)際駕駛行為進(jìn)行判斷，實(shí)際是系統(tǒng)在不斷學(xué)習(xí)該駕駛員的換道駕駛風(fēng)格。這里學(xué)習(xí)的駕駛風(fēng)格主要參考了三個(gè)重要的指標(biāo)項(xiàng)：個(gè)性化換道時(shí)間、個(gè)性化車頭時(shí)距和個(gè)性化安全裕度。這里解釋下安全裕度是指車輛停止（或保持相對靜止）后與同車道前車之鑒的安全距離。


對于自主發(fā)起的換道過程而言，軌跡規(guī)劃模塊能夠生成一系列軌跡簇，其中包括一條最優(yōu)軌跡和一條駕駛員能夠接受的極限范圍內(nèi)軌跡。以上兩者分別對應(yīng)于最優(yōu)換道時(shí)長和臨界換道時(shí)長。
基礎(chǔ)自動(dòng)換道原理
1、前車與側(cè)前車——?jiǎng)蛩倨苹驕p速換道
對于有側(cè)前方車輛的換道過程，針對駕駛員實(shí)際駕駛習(xí)慣，主要考慮其換道是否可執(zhí)行，執(zhí)行過程中是否考慮減速換道，減速度將如何計(jì)算等因素。如下圖所示，藍(lán)色線為初始最優(yōu)換道參考線，當(dāng)自車和目標(biāo)車輛的相對狀態(tài)點(diǎn)在該平面內(nèi)的初始最優(yōu)換道參考線上時(shí)，車輛可以按照最優(yōu)換道長度進(jìn)行車道切換；紅線為換道臨界線，當(dāng)車輛間相對狀態(tài)點(diǎn)在初始最優(yōu)換道參考線和換道警戒線之間時(shí)，換道時(shí)長根據(jù)狀態(tài)點(diǎn)在兩參考線之間的縱向相對位置進(jìn)行線性插值計(jì)算來獲取，當(dāng)相對狀態(tài)點(diǎn)在換道警戒線以下時(shí)，若自車進(jìn)行勻速換道，則會(huì)與原車道前方車輛發(fā)生碰撞，此時(shí)自車將進(jìn)行制動(dòng)以避撞。


2、后車與側(cè)后車——?jiǎng)蛩倨苹蚣铀贀Q道
當(dāng)自車后方和側(cè)后方有交通車輛時(shí)，可能由于其速度的不同，導(dǎo)致自車換道影響產(chǎn)生不同的結(jié)果，自車換道需要保證安全的前提下不對對方車輛造成一定的行駛干擾，這一過程涉及兩車之間的交互，為此可采用側(cè)后方車輛作用于自車的臨界驅(qū)動(dòng)加速度、自車作用于后方或側(cè)后方高的臨界制動(dòng)減速度兩個(gè)參數(shù)來評(píng)估側(cè)后方車輛對自車換道的可行性影響。如下圖，對于A點(diǎn)對應(yīng)側(cè)后方車輛在自車換道的過程中不采取任何避讓措施時(shí)，自車為避障而采取的驅(qū)動(dòng)加速度大??；而B點(diǎn)對應(yīng)于自車換道過程中兩車間速度差全部由側(cè)后車通過減速度來實(shí)現(xiàn)避撞，兩點(diǎn)在相對速度——相對距離平面上關(guān)于原點(diǎn)對稱，并分別代表了兩種極端避讓工況，任何一個(gè)參數(shù)超過允許值時(shí)都表明自車的換道行為對兩車構(gòu)成了危險(xiǎn)。
3、換道速度規(guī)劃
實(shí)際過程中，換道前始終保持勻速行駛既不夠靈活，也會(huì)影響交通效率。在換道前進(jìn)行速度調(diào)節(jié)可以充分利用換道空間資源，同時(shí)可以充分?jǐn)U張本車與目標(biāo)車之間的安全距離，減小換道回退的幾率。換道規(guī)劃過程中，需要首先明確速度調(diào)節(jié)范圍，由于自車將跟隨目標(biāo)車道前方車輛行駛，且速度調(diào)節(jié)過程中自車和量交通車之間的速度差是同步變化的。


實(shí)際換道控制過程中，從靈活度和交通效率上講，換道前始終不能始終保持勻速行駛。在換道前進(jìn)行速度調(diào)節(jié)可以充分利用道路空間資源，同時(shí)對本車道空間充裕而目標(biāo)車道當(dāng)前空間較為狹小等情形，換道調(diào)節(jié)速度能夠很好的提升車輛行駛安全性并增加換到道決策方法的適應(yīng)性。這里主要講解下如果在目標(biāo)車道有低車速行駛的前車時(shí)，自車通過減速換道行進(jìn)至目標(biāo)車道的情況。


假設(shè)自車與本車道前車之間的相對狀態(tài)對應(yīng)平面上的A點(diǎn)，自車與目標(biāo)車道前車之間的相對狀態(tài)對應(yīng)于B點(diǎn)，在換道規(guī)劃過程中，首先需要明確速度調(diào)節(jié)范圍，由于自車最終將跟隨目標(biāo)車道前方車輛行駛，且速度調(diào)節(jié)過程中自車和兩交通車之間的速度是同步變化的，也即A、B兩點(diǎn)的狀態(tài)軌跡在水平軸上的位移分量相同，為了避免額外的速度損失，換道前的最大速度調(diào)節(jié)量應(yīng)等于換道出事時(shí)刻自車和目標(biāo)車前車之間的速度差，也就是B點(diǎn)對應(yīng)的delta v值。此時(shí)，換到開始時(shí)刻的自車和本車道前方交通車間的相對狀態(tài)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在換道警戒線之上，以保證有足夠的縱向換道空間。綜合換道相對速度和相對距離這兩個(gè)條件可以確定下圖虛線框所標(biāo)的自車換道前的速度調(diào)節(jié)范圍。
為了獲得最優(yōu)換道方案，選取了一系列離散減速度值，并以等時(shí)間間隔分別計(jì)算各個(gè)車輛對應(yīng)時(shí)刻的狀態(tài)，如下圖黑點(diǎn)表示了不同制動(dòng)減速度和換道時(shí)機(jī)組合形成的不同換道初始狀態(tài)方案。隨后利用換道可行性判斷方法篩選可行的換道方案，并根據(jù)以下公式計(jì)算各個(gè)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)：


式中，J是評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)，alimit是駕駛?cè)丝山邮芊秶鷥?nèi)得最小制動(dòng)減速度，abef是換道前速度調(diào)節(jié)的目標(biāo)減速度；aaft是換到結(jié)束時(shí)刻為了避免與前車相撞采用的目標(biāo)減速度。Lp是方案給出的換道縱向距離；Lopt是換道最優(yōu)縱向距離；Llimit是換到所需的最小縱向距離；w1和w2分別是權(quán)衡換道前后的制動(dòng)強(qiáng)度對舒適性影響的權(quán)重系數(shù)；w3是衡量換道過程舒適性的權(quán)重系數(shù)。
通過計(jì)算換道方案評(píng)價(jià)指標(biāo)可以選取出整體最優(yōu)方案，方案參數(shù)包括換道前的速度調(diào)節(jié)目標(biāo)減速度、速度調(diào)節(jié)市場及換道縱向距離。當(dāng)最優(yōu)方案的換道速度調(diào)節(jié)時(shí)長為零時(shí)，決策模塊將方案信息發(fā)送給軌跡規(guī)劃模塊，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)立即進(jìn)行換道操作；當(dāng)換道方案中調(diào)節(jié)時(shí)長不為零時(shí)，自車在本決策周期內(nèi)按照最優(yōu)換道方案給出的目標(biāo)減速度在原車道內(nèi)進(jìn)行換道預(yù)操作，直至后續(xù)某一決策周期內(nèi)給出立即換道指令在進(jìn)行換道。
4、換道時(shí)距調(diào)節(jié)
從如上分析中可看出，換道過程自車與前車的時(shí)距調(diào)節(jié)過程需要結(jié)合實(shí)際道路情況、天氣情況、駕駛員接管能力進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。這里就需要利用到前期通過影子模式采集的駕駛數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)建模和分析。比如通常天氣情況良好、實(shí)際探測距離足夠清晰的情況下，換道執(zhí)行距離可適當(dāng)減少；而如果是道路處于濕滑，檢測到其附著力減小的情況下，換道跟車距離會(huì)適當(dāng)增大，可以參照一定的附著比例系數(shù)進(jìn)行增加；另外，如前期采集的駕駛員駕駛反應(yīng)時(shí)間，接管能力較弱，那么后期自動(dòng)換道的跟車換道時(shí)距也應(yīng)該適當(dāng)調(diào)大。如上諸如此類的case還有比較多，這里就不再窮舉。工程師在開發(fā)過程中，需要結(jié)合具體的場景分析來進(jìn)行不同的策略規(guī)劃。
自動(dòng)換道的意圖觸發(fā)條件
對于下一代自動(dòng)駕駛系統(tǒng)來說，重點(diǎn)在與解決最后一公里的上下匝道至收費(fèi)站問題，這里除了需要解決如上所述的基礎(chǔ)換道性能外，還需要從實(shí)際角度出發(fā)解決最終的換道啟動(dòng)觸發(fā)問題。


對于下匝道問題，主要解決減速變道問題，如下主要羅列出幾大類：
1） 何時(shí)觸發(fā)換道意圖可以保證在有限的時(shí)機(jī)內(nèi)，車輛可以變道至最右邊匝道？
2） 如何平衡自動(dòng)換道狀態(tài)下，駕駛員手動(dòng)觸發(fā)撥桿申請的需求？
3） 如果靠近匝道的目標(biāo)車道長期有車輛，自車將如何進(jìn)行下匝道規(guī)劃？
如上三個(gè)問題都涉及對于本次駕駛意圖與臨時(shí)環(huán)境狀態(tài)之間的矛盾之間如何做出權(quán)衡，筆者認(rèn)為，只要駕駛員從剛開始設(shè)置行駛目的地而言，如果中間并未切換目的地，整個(gè)駕駛意圖都應(yīng)該以從行駛到該目的地為基本準(zhǔn)則，期間的所有行駛操作都應(yīng)該服務(wù)于該行駛目的地。因此，如果系統(tǒng)判斷應(yīng)該在合適的時(shí)機(jī)變道行駛至最右方下匝道，那么除非此時(shí)遇到碰撞危險(xiǎn)，否則，系統(tǒng)將不再響應(yīng)駕駛員手動(dòng)撥桿向左遠(yuǎn)離匝道的變道行駛信號(hào)。
此外，如果有多個(gè)車道，而自車最開始并未位于最右側(cè)靠近匝道的位置，從距離匝道前多遠(yuǎn)規(guī)劃下匝道呢？筆者認(rèn)為，這可能大部分取決于高精導(dǎo)航地圖從提前多遠(yuǎn)能夠發(fā)出前方匝道的位置信息。從經(jīng)驗(yàn)上講，一般可以提前2km左右發(fā)出前方出匝道信息。假設(shè)此時(shí)最多有4個(gè)同向車道，那么從最左側(cè)車道向最右側(cè)車道變道過程中，可能會(huì)存在連續(xù)變道3次的情況，按照最理想變道狀態(tài)（即無任何遮擋或抑制車輛位于目標(biāo)車道），一次變道時(shí)間大概在6s左右，下匝道速度參照邊變道邊減速方式。從最大的120kph向60kph不斷減速過程中。整個(gè)行駛過程大概需要410m左右（變道距離區(qū)間長為300m-600m）；因此，如果能確保2k之前發(fā)出匝道信息，在無遮擋或抑制車輛的情況下完全可以滿足需求。如果有抑制車輛的情況，通過如上分析的減速變道情況，可以解決大部分變道情況。
對于上匝道問題，主要是解決并道及加速問題。
主要包括如下幾類問題：
1）正常同向車道并道，此類問題主要依靠遠(yuǎn)視攝像頭的探測能力結(jié)合高精定位來實(shí)現(xiàn)；
2）分岔路口不同車道并道，此類問題主要依靠高精定位來實(shí)現(xiàn)；


并道場景對于攝像頭的提前識(shí)別能力提出了較高要求，假設(shè)從60kph上匝道，那么行駛變道過程中至少需要提前100m以上開始變道，且此時(shí)保證無任何抑制車輛。那么從識(shí)別到車道、加速至開始變道的確認(rèn)時(shí)間大致為3-5s，也就是說，那么可能在匝道或彎道內(nèi)的識(shí)別距離大概就需要160-200m。
總結(jié)
本文詳細(xì)講解了下一代自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的換道規(guī)劃策略。并對幾個(gè)重點(diǎn)大類進(jìn)行了分析，其中包含點(diǎn)對點(diǎn)自動(dòng)駕駛的最后一定距離內(nèi)的速度、距離及變道決策規(guī)劃。實(shí)際上，從SOA的角度講我們需要不斷地對駕駛過程進(jìn)性權(quán)衡，以初始駕駛目的性為導(dǎo)向，期間不斷地決策對于駕駛員的臨時(shí)指令是否會(huì)影響整個(gè)路徑規(guī)劃。后期在工程實(shí)踐上還需要結(jié)合具體的工況進(jìn)行分析和算法重建。
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