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高階自動換道系統(tǒng)的設(shè)計方法

2021-11-26 12:14:16·  來源：焉知  作者：Jessie  
　
下一代自動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)航定位的自動換道功能。這不僅是實現(xiàn)超速換道、導(dǎo)航自動下
下一代自動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)航定位的自動換道功能。這不僅是實現(xiàn)超速換道、導(dǎo)航自動下匝道、導(dǎo)航自動并道的前提，也是完善整個高速/快速路自動駕駛功能的前提。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，因此整個換道控制具有較強(qiáng)的復(fù)雜性。系統(tǒng)在自動發(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。

本文從整個自動換道角度講解實現(xiàn)自動換道的整個過程控制原理。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重要的部分。重點在于輔助實現(xiàn)最后一公里自動駕駛系統(tǒng)的有效執(zhí)行策略。
自動換道功能方案
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)動狀態(tài)等因素的影響，會區(qū)分兩種換道動機(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)合滿足時間自由度和空間自由度來衡量。其中，時間自由度主要體現(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，往往會觸發(fā)換道意圖。空間自由度是指系統(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，會給駕駛?cè)水a(chǎn)生一定的心理壓力，此時仍舊會發(fā)起換道意圖。如上兩種換道意圖的發(fā)起同樣會因為環(huán)境實際狀態(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、個性化換道最小安全距離計算、換道可行性分析、自動換道預(yù)警提示系統(tǒng)。
這里需要考慮幾個重要的量值：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。個性化的換道最小安全距離計算需要結(jié)合自動換道前期開發(fā)過程中駕駛員駕駛習(xí)性和周圍車輛的運(yùn)動狀態(tài)計算出符合不同駕駛風(fēng)格的駕駛?cè)孙L(fēng)險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)險判斷水平存在巨大差異，通常這個過程需要結(jié)合下一代自動駕駛系統(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場景下的實際駕駛行為進(jìn)行判斷，實際是系統(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)格主要參考了三個重要的指標(biāo)項：個性化換道時間、個性化車頭時距和個性化安全裕度。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)換道時長和臨界換道時長。
基礎(chǔ)自動換道原理
1、前車與側(cè)前車——勻速偏移或減速換道
對于有側(cè)前方車輛的換道過程，針對駕駛員實際駕駛習(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)點在該平面內(nèi)的初始最優(yōu)換道參考線上時，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)點在初始最優(yōu)換道參考線和換道警戒線之間時，換道時長根據(jù)狀態(tài)點在兩參考線之間的縱向相對位置進(jìn)行線性插值計算來獲取，當(dāng)相對狀態(tài)點在換道警戒線以下時，若自車進(jìn)行勻速換道，則會與原車道前方車輛發(fā)生碰撞，此時自車將進(jìn)行制動以避撞。


2、后車與側(cè)后車——勻速偏移或加速換道
當(dāng)自車后方和側(cè)后方有交通車輛時，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)動加速度、自車作用于后方或側(cè)后方高的臨界制動減速度兩個參數(shù)來評估側(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，自車為避障而采取的驅(qū)動加速度大小；而B點對應(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現(xiàn)避撞，兩點在相對速度——相對距離平面上關(guān)于原點對稱，并分別代表了兩種極端避讓工況，任何一個參數(shù)超過允許值時都表明自車的換道行為對兩車構(gòu)成了危險。
3、換道速度規(guī)劃
實際過程中，換道前始終保持勻速行駛既不夠靈活，也會影響交通效率。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，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，自車與目標(biāo)車道前車之間的相對狀態(tài)對應(yīng)于B點，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)等于換道出事時刻自車和目標(biāo)車前車之間的速度差，也就是B點對應(yīng)的delta v值。此時，換到開始時刻的自車和本車道前方交通車間的相對狀態(tài)點應(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，并以等時間間隔分別計算各個車輛對應(yīng)時刻的狀態(tài)，如下圖黑點表示了不同制動減速度和換道時機(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)以下公式計算各個方案評價指標(biāo)：


式中，J是評價指標(biāo)參數(shù)，alimit是駕駛?cè)丝山邮芊秶鷥?nèi)得最小制動減速度，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)。
通過計算換道方案評價指標(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)時長為零時，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)時長不為零時，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距調(diào)節(jié)過程需要結(jié)合實際道路情況、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)時間，接管能力較弱，那么后期自動換道的跟車換道時距也應(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。
自動換道的意圖觸發(fā)條件
對于下一代自動駕駛系統(tǒng)來說，重點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，還需要從實際角度出發(fā)解決最終的換道啟動觸發(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） 何時觸發(fā)換道意圖可以保證在有限的時機(jī)內(nèi)，車輛可以變道至最右邊匝道？
2） 如何平衡自動換道狀態(tài)下，駕駛員手動觸發(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？
如上三個問題都涉及對于本次駕駛意圖與臨時環(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)該在合適的時機(jī)變道行駛至最右方下匝道，那么除非此時遇到碰撞危險，否則，系統(tǒng)將不再響應(yīng)駕駛員手動撥桿向左遠(yuǎn)離匝道的變道行駛信號。
此外，如果有多個車道，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)此時最多有4個同向車道，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現(xiàn)；


并道場景對于攝像頭的提前識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，且此時保證無任何抑制車輛。那么從識別到車道、加速至開始變道的確認(rèn)時間大致為3-5s，也就是說，那么可能在匝道或彎道內(nèi)的識別距離大概就需要160-200m。
總結(jié)
本文詳細(xì)講解了下一代自動駕駛系統(tǒng)的換道規(guī)劃策略。并對幾個重點大類進(jìn)行了分析，其中包含點對點自動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指令是否會影響整個路徑規(guī)劃。后期在工程實踐上還需要結(jié)合具體的工況進(jìn)行分析和算法重建。
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