一种车联网环境下的高速公路车辆强制换道控制方法与流程

技术领域：

本发明涉及一种车辆协同驾驶控制方法，特别是涉及一种车联网环境下的高速公路车辆强制换道控制方法。

背景技术：
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随着社会经济的高速发展，我国民用汽车保有量不断增加，至2016年末全国民用汽车保有量已达19440万辆，相比2015年末增加12.8％。然而，由于投资及空间等限制，全国四级及以上等级公路里程仅增长4.3％，高速公路车道里程仅增加5.4％，远远民用汽车的增长率，导致道路交通压力日益增大。在不大规模增加道路基础设施投资的基础上，随着无线通信技术的发展，车联网条件下的智能交通系统和自动驾驶技术的发展将能够充分利用道路资源，挖掘道路通行能力，减缓道路交通压力。

对于智能网联汽车，工信部在其发布的智能网联汽车技术路线图中将其分为四个发展阶段：第一阶段为驾驶辅助，包括自适应导航、自动紧急制动、车道保持、辅助泊车等；第二阶段为部分自动驾驶，包括车道内自动驾驶、换道辅助、全自动泊车等；第三阶段为有条件的自动驾驶，包括高速公路自动驾驶、城郊公路自动驾驶、协同式队列行驶、交叉口通行辅助等；第四阶段为完全自动驾驶，包括车路协同控制、市区自动驾驶及无人驾驶等。本发明基于自动驾驶发展的第三阶段，即有条件的自动驾驶，考虑在高速公路中，车辆以无线通讯方式(如lte-v、wi-fi、蓝牙、dsrc等)与通讯范围内其他车辆实时进行通信，大多数车辆以队列形式协同行驶。

对现有研究进行分析，大多数车联网环境下的换道模型缺乏对自动驾驶不同发展阶段中控制策略的区别对待，也缺乏对强制换道和非强制换道行为中控制策略的区别对待。对于智能网联汽车第三发展阶段，车辆能够与通讯范围内其他车辆进行实时数据交换与协同驾驶，但是并不能达到完全的自动驾驶。在此阶段中，高速公路内的大多数车辆以队列方式协同行驶，但是势必会产生换道以进入或离开队列的问题。相对于传统高速公路换道模型及完全自动驾驶下的换道模型，本发明针对在智能网联汽车第三发展阶段中高速公路车辆因特殊交通状况而必须尽快换道的强制换道问题，明确了换道车辆以及通信范围内的周边车辆在换道过程中所应做出的反应，为自动驾驶提供支撑。

技术实现要素：

本发明的目的是基于车辆运行过程的安全性，提供一种车联网环境下的高速公路车辆强制换道控制方法，为辅助驾驶和自动驾驶提供支撑。该方法对换道车辆及其他相关车辆的状态进行分析，并基于此对车辆的强制换道行为进行合理组织，保证强制换道行为的安全、高效实施。

上述的目的通过以下技术方案实现：

一种车联网环境下的高速公路车辆强制换道控制方法，该方法为：

在车联网环境下，通过车车通信获取周边车辆的运行信息，当某车辆有强制换道需求时，该车辆向附近车辆发出请求，获取其他车辆位置、速度等信息，对换道车辆及其他相关车辆的不同状态进行分析，并基于换道车辆及周边车辆的不同状态，对换道车辆的强制换道行为进行控制，实现强制换道行为的安全、高效实施。

所述的车联网环境下的高速公路车辆强制换道控制方法，所述的获取周边车辆的运行信息的方法是：在高速公路上行驶的车辆通过无线通讯方式与通讯范围内的周边车辆实现车车通信并进行实时的数据交换，数据交换的内容包括车辆位置、行驶速度、加速度，车辆位置包括车辆所在车道以及对应于某一参考点沿高速公路中央分隔带方向的横、纵向距离，在高速公路上行驶的车辆需严格遵守交通规则，包括高速公路最高限速vmax，最低限速vmin，最大加速度aa,最大减速度ad,最小安全间距hsafe等，且以车队形式跟驰行驶时在车队中的车辆速度相等且通过车车联网以相同速度协同行进，且队列中的车辆车头间距不小于安全间距。

所述的车联网环境下的高速公路车辆强制换道控制方法，所述的强制换道包括但不限于：

a)当前车道在前方合并至其他车道致车道数减少；

b)前方存在分流匝道，如互通立交或出口匝道等，需换道选取正确路线；

c)前方由于事故等原因，当前车道不可使用；

d)后方特种车辆请求超车，需清空当前车道。

所述的车联网环境下的高速公路车辆强制换道控制方法，所述的对换道车辆及其他相关车辆的不同状态包括旁道上无其他车辆、旁道上有前车而无后车、旁道上无前车而有后车、旁道上有前车也有后车四种状态，所述的旁道上有前车是指旁道上纵向位置在换道车辆前方，且距离当前车辆最近的车辆；旁道上有后车定义为旁道上纵向位置在换道车辆后方，且距离当前车辆最近的车辆，以v、x分别表示换道车辆的速度、纵向位置，v旁，前、x旁，前分别表示旁道前车的速度、纵向位置，v旁，后、x旁，后分别表示旁道后车的速度、纵向位置，初始状态下v旁，前＝v旁，后。

所述的车联网环境下的高速公路车辆强制换道控制方法，所述的对换道车辆的强制换道行为进行控制的方法为：

若旁道上无其他车辆，则直接换道；

若旁道上有前车而无后车，对旁道前车及自身的状态进行判断：

①前车速度大于或等于换道车速度且已经满足安全间距条件，即v旁，前≥v且x旁，前-x≥hsafe，则立即换道；

②前车速度大于或等于换道车辆速度但不满足安全间距条件，即v旁，前≥v且x旁，前-x<hsafe，则换道车辆以最大减速度ad进行减速，当达到以下条件之一时换道车辆停止减速：

a)换道车辆达到高速公路最低限速vmin；

b)与旁道前车达到安全间距。

若条件b)先满足，即在x旁，前′-x′＝hsafe时，换道车辆停止减速并执行换道；若条件a)先满足，则换道车辆停止减速并保持vmin，直至条件b)满足时执行换道，待换道行为执行完毕后，换道车辆再以最大加速度aa加速至旁道前车速度v旁，前；

③前车速度小于换道车辆速度，即v旁，前<v，则换道车辆以最大减速度ad减速至v旁，前，在两车速度相等后，视为有前车而无后车的初始状态，重新判断换道条件并按照相应方法执行控制；

若旁道上无前车而有后车，对旁道后车及自身的状态进行判断：

①后车速度小于或等于换道车辆速度且已经满足安全间距条件，即v旁，后≤v且x-x旁，后≥hsafe，则换道车辆立即执行换道；

②若不满足①中的条件，即不可立即执行换道，则换道车辆以最大加速度aa进行加速，旁道后车以及旁道车队中后车以后的其他车辆以最大减速度ad进行减速，在换道车辆与旁道后车达到安全间距，即x′-x旁，后′＝hsafe时，换道车辆执行换道，在达到安全间距前，若换道车辆达到高速公路最高限速vmax，则换道车辆停止加速，保持vmax至换道完成；若旁道后车及旁道车队中后车以后的其他车辆达到高速公路最低限速vmin，则换道车辆停止减速，保持vmin至换道完成，换道行为执行完毕后，旁道后车以及旁道车队中后车以后的其他车辆以最大加速度aa加速至v旁，后，换道车辆可保持vmax，也可调整速度至不小于v旁，后的某一速度；

3)旁道上有前车且也有后车，对旁道车辆及自身的状态进行判断：

①若x旁，前-x≥hsafe且v旁，前≥v，则换道车辆以最大加速度aa加速至v旁，前，在此过程中换道车辆与旁道前车距离将始终不小于hsafe且不断增加。而旁道后车以及旁道车队中后车以后的其他车辆接收到换道请求后，开始以最大减速度ad进行减速，直至换道车辆与旁道后车达到安全距离，即在x′-x旁，后′≥hsafe时停止减速，并执行换道；

②若x旁，前-x≥hsafe且v旁，前<v，则换道车辆、旁道后车以及旁道车队中后车以后的其他车辆均以最大减速度ad进行减速，直至换道车辆速度等于旁道前车速度后，即v′＝v旁，视为有前车也有后车的初始状态，重新判断换道条件并按照相应方法执行控制；

③若x旁，前-x<hsafe，则换道车辆、旁道后车以及旁道车队中后车以后的其他车辆同时以最大减速度ad进行减速，直至同时满足以下两个条件：

a)换道车辆与旁道前车距离达到安全距离hsafe，

b)换道车辆速度不大于旁道前车速度，

若在满足以上两个条件前换道车辆或旁道后车以及旁道车队中后车以后的其他车辆达到高速公路最低限速vmin，则达到最低限速的车辆停止减速并保持速度，其他车辆继续执行减速，在满足a)、b)两个条件的情况下，再对换道车辆与旁道后车的速度与距离进行判断，若换道车辆与旁道后车之间距离满足安全间距且换道车辆速度小于旁道后车，即x′-x旁，后′≥hsafe且v-a2t1<v旁-a2t1，则换道车辆继续以最大减速度ad进行减速，而旁道后车以及旁道车队中后车以后的其他车辆以最大加速度aa进行加速，直至它们的速度相等后，停止加速/减速，换道车辆执行换道，换道行为执行完毕后换道车辆、旁道后车以及旁道车队中后车以后的其他车辆再同时以最大加速度aa加速至v旁；若换道车辆与旁道后车之间距离满足安全间距且换道车辆速度大于或等于旁道后车，即x′-x旁，后′≥hsafe且v-a2t1≥v旁-a2t1，则换道车辆立即执行换道，待换道行为执行完毕后换道车辆、旁道后车以及旁道车队中后车以后的其他车辆再以最大加速度aa加速至v旁。

有益效果：

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明特别针对智能网联汽车发展第三阶段，即有条件的自动驾驶条件下，高速公路上的大多数车辆以队列方式协同行驶的状况，更适用于车联网发展的进程；

本发明针对车辆因特殊交通状况而必须尽快换道的强制换道问题，使得车辆能够最快地实现换道，更能保证换道的迅速、安全，在此基础上最大限度的减小对其他车辆的影响。

附图说明

图1是控制流程图；

图2是一般情况下双车道高速公路实施例初始状态；

图3是双车道高速公路实施例示意图。图3(a)是无前车也无后车的实施例图；图3(b)是有前车但无后车的实施例图；图3(c)是无前车但有后车的实施例图；图3(d)是有前车也有后车的实施例图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1：

本实施例基于以下假设：

(1)实施例处于车车互联的高速公路车联网环境下，各车辆间以专用短程通信(不妨以dsrc为例)技术进行连接，通信范围为300米，可相互实时交换自身的状态信息；

(2)信息传输和处理的速度足够快，可视为瞬间完成，过程中数据丢包及传递、处理延迟可忽略；

(3)车辆可根据控制策略进行精确的加速、减速操作，并严格遵守安全间距条件；

(4)车辆换道过程所需时间不可忽略，但其速度的纵向分速度近似等于其速度；

(5)在高速公路上行驶的大部分车辆以队列形式行驶，且车辆之间纵向距离不小于安全间距。

图1为车联网环境下的车辆强制换道组织控制流程图。考虑双车道高速公路情境的实施例场景见图2，图中车辆1为需要进行换道的车辆，前方存在某区域，车辆必须在到达该区域前换道。其附近可能会存在将要换到的车道上的车辆队列(图中车辆2、3、4、5，且车辆5为旁道车队上的末车)。车辆1以速度v1行驶，相邻车道上的车辆队列以v2行驶。这些车辆遵从最大加速度aa及最大减速度ad。第i辆车相对于道路某一参考点的纵向距离为xi。

1)车辆1-5均可实时相互无障碍的进行实时数据交换，数据交换内容包括车辆位置、行驶速度、加速度、车辆驾驶行为(如换道、跟驰)等信息。其中，车辆位置包括车辆所在车道、以及对应于某一的参考点沿高速公路中央分隔带方向的横、纵向距离。这些车辆均严格遵守一定的交通规则，如高速公路最高限速vmax，最低限速vmin，最大加速度aa,最大减速度ad,最小安全间距hsafe等，车辆2-5以车队形式跟驰行驶，在车队中的车辆速度相等且通过车车联网以相同速度协同行进，且相互的车头间距不小于安全间距。

2)当车辆1有强制换道需求时，车辆1向附近车辆发出请求，获取车辆位置、速度等信息。强制换道包括但不限于：

a)当前车道在前方合并至其他车道致车道数减少；

a)前方存在分流匝道，如互通立交或出口匝道等，需换道选取正确路线；

b)前方由于事故等原因，当前车道不可使用；

c)后方特种车辆请求超车，需清空当前车道。

3)根据车辆通信范围内不同的交通状态进行判断，若旁道上无车，即前后300米范围内不存在车辆2-5，如图3(a),则可直接换道；若旁道则上有前车而无后车，即前后300米范围内仅有车辆2、3而无车辆4、5，则进入步骤3-1)；旁道上无前车而有后车，即前后300米范围内仅有车辆5、5而无车辆2、3，则进入步骤3-2)；若旁道上有前车也有后车，即前后300米范围内存在车辆2-5，则进入步骤3-3)。其中，车辆3为旁道上纵向位置在车辆1前方，且距离车辆1最近的车辆，即旁道前车；车辆4为旁道上纵向位置在车辆1后方，且距离车辆1最近的车辆，即旁道后车。

3-1)如图3(b)，仅有车辆2、3而无车辆4、5，对车辆1及车辆3的状态进行判断：

①若v2≥v1且x3-x1≥hsafe，则立即换道；

②若v2≥v1且x3-x1<hsafe，则车辆1以最大减速度ad进行减速，当达到以下条件之一时车辆1停止减速：

a)车辆1辆达到高速公路最低限速vmin；

b)与旁道前车达到安全间距。

若条件b)先满足，即在x5′-x1′＝hsafe时，车辆1停止减速并执行换道；若条件a)先满足，则车辆1保持vmin，直至满足条件b)时执行换道。待换道行为执行完毕后车辆1以最大加速度aa加速至v2。

③v2<v1，则车辆1以最大减速度ad减速至v2。在车辆1减速至v2后，重新执行步骤3-1)。

3-2)如图3(c)，仅有车辆4、5而无车辆2、3，对车辆1、车辆4的状态进行判断：

①若v2≤v1且x1-x4≥hsafe，则车辆1立即执行换道；

②若不满足①中的条件，即不可立即执行换道，则车辆4、5以最大减速度ad进行减速，在车辆1与车辆4达到安全间距，即x1′-x4′＝hsafe时，车辆1执行换道。在达到安全间距前，若车辆1达到高速公路最高限速vmax，则车辆1停止加速，保持vmax至换道完成；若车辆4、5达到高速公路最低限速vmin，则车辆1停止减速，保持vmin至换道完成。换道行为执行完毕后，车辆4、5以最大加速度aa加速至原速度，车辆1可保持vmax，也可调整速度至不小于v旁，后的某一速度。

3-3)如图3(d)，存在车辆2-5时，需要车辆4、5做出一定的反应，才能实现及时、安全的换道。首先根据车辆1与车辆3的距离及速度进行判断。

①若x3-x1≥hsafe且v3≥v1，则车辆1以最大加速度aa加速至v3，在此过程中当前车与旁道前车距离将始终不小于hsafe且不断增加。而车辆4、5接收到换道请求后，开始以最大减速度ad进行减速，直至车辆1与车辆4达到安全距离，即在x1′-x4′≥hsafe，停止减速，并执行换道；

②若x3-x1≥hsafe且v2<v1，则车辆1、4、5均以最大减速度ad进行减速，直至车辆1速度等于车辆3速度，即v1′＝v2，重新执行步骤3-3)；

③若x3-x1<hsafe，进入步骤3-4)。

3-4)若x3-x1<hsafe,则车辆1、4、5同时以最大减速度ad进行减速，直至同时满足以下两个条件：

a)车辆1与车辆3距离达到安全距离hsafe；

b)车辆1速度不大于车辆3速度。

若在满足以上两个条件前，车辆1或车辆4、5达到高速公路最低限速vmin，则达到最低限速的车辆停止减速并保持速度，其他车辆继续执行减速。在满足a)、b)两个条件的情况下，再对车辆1与车辆4的速度与距离进行判断。若车辆1与车辆4之间距离满足安全间距且车辆1速度小于车辆4，即x1′-x4′≥hsafe且v1-a2t1<v2-a2t1，则车辆1继续以最大减速度ad进行减速，而车辆4、5以最大加速度aa进行加速，直至它们的速度相等后，停止加速/减速，车辆1执行换道，待换道行为执行完毕后车辆1、4、5再同时以最大加速度aa加速至v2；若车辆1与车辆4之间距离满足安全间距且车辆1速度大于或等于车辆4，即x1′-x4′≥hsafe且v1-a2t1≥v2-a2t1，则车辆1立即执行换道，待换道行为执行完毕后车辆1、4、5再以最大加速度aa加速至v2。

应当指出，上述实施实例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。