СПОСОБ И СИСТЕМА ПЛАНИРОВАНИЯ ПОПЕРЕЧНОЙ ТРАЕКТОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СМЕНЫ ПОЛОСЫ ДВИЖЕНИЯ АВТОМОБИЛЯ, АВТОМОБИЛЬ И НОСИТЕЛЬ ДАННЫХ
METHOD AND SYSTEM FOR PLANNING OF TRANSVERSE TRAJECTORY OF AUTOMATIC CHANGE OF CAR LANE, CAR, AND DATA CARRIER

Область техники
Настоящее изобретение относится к области технологии автоматического управления автотранспортным средством (далее - автомобиль) и, в частности, к способу и системе планирования поперечной траектории автоматической смены полосы движения автомобиля, к автомобилю и носителю информации.
Уровень техники
С развитием технологий искусственного интеллекта, технологий мультисенсорной интеграции и технологий управления и принятия решений растёт спрос на автоматическое управление транспортными средствами. В зависимости от сценария применения, технических возможностей и т.п. автономных транспортных средств существует пять уровней от L1 до L5, где L2 - это расширенная помощь при вождении, L3 - это условное автоматическое вождение, L4 - полностью автоматическое вождение в ограниченном пространстве и L5 - полностью автоматическое вождение.
В настоящее время промышленность сосредоточена на массовом производстве систем уровней L2 и L3. На этих уровнях технология в основном нацелена на возможность ограниченного автоматизированного вождения по сценарию скоростной городской дороги или высокоскоростного шоссе, включая такие основные функции, как центрирование в полосе движения, адаптивный круиз-контроль и автоматическая смена полосы движения.
Действующий способ планирования поперечной траектории автоматической смены полосы движения автомобиля в основном делится на два типа: способ, основанный на карте высокой точности, и способ, основанный на позиционировании линии полосы движения. Способ планирования траектории, основанный на высокоточной карте, характеризуется высокой точностью и сильной защитой от помех, однако система сложна и дорогостояща. В настоящее время способ не применим для массового осуществления.
Что касается вышеуказанной технической задачи, по ней не было предложено ещё ни одного эффективного решения.
Сущность изобретения
По меньшей мере в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения представлен способ и система планирования поперечной траектории автоматической смены полосы движения автомобиля, автомобиль и носитель данных, которые могут повысить эффективность вычислений при построении такой траектории.
В варианте осуществления настоящего изобретения представлен способ планирования поперечной траектории автоматической смены полосы движения автомобиля, включающий следующие этапы:
(1) обработка информации:
(ведомого автотранспортного средства)
получение данных инструкции в отношении автоматической смены полосы движения, выводимых системой принятия решений, и определение, следует ли начинать автоматическую смену полосы движения, при этом в случае определения начала автоматической смены полосы движения выполняется приём данных об осевой линии полосы движения хост-автомобиля , осевой линии целевой полосы движения и скорости V хост-автомобиля, выводимых системой датчиков в реальном времени, а в случае не определения начала автоматической смены полосы движения - завершение процесса;
(2) расчёт параметров автоматической смены полосы движения:
в начальный момент времени автоматической смены полосы движения выполняется вычисление относительного поперечного расстояния TargetA0 между осевой линией целевой полосы и осевой линией полосы движения хост-автомобиля, а также вычисление параметра времени Т, используемого для построения поперечной траектории автоматической смены полосы в сочетании с калибровочной переменной, указывающей скорость процесса смены полосы;
(3) построение кривой пятого порядка для автоматической смены полосы:
0
1
2
3
4
5
target
target
target
в каждый момент времени автоматической смены полосы выполняется расчёт параметров N, N, N, N, N, N уравнения кривой пятого порядка в соответствии с относительным поперечным расстоянием TargetA0 между осевой целевой полосы и осевой полосы хост-автомобиля, а также параметр времени T, используемый для планирования поперечного отклонения при автоматической смене полосы; и, кроме того, вычисление требуемого поперечного расстояния S, требуемой поперечной скорости Vи требуемого поперечного ускорения Aв момент времени t;
(4) выработка инструкции поперечного управления для автоматической смены полосы движения:
lc
lc
lc
lc
target
target
target
lk
lk
lk
lk
расчёт параметров A0, A1, A2, A3 уравнения кубической кривой траектории изменения полосы движения в момент времени t в соответствии с требуемым поперечным расстоянием S, требуемой поперечной скоростью Vи требуемым поперечным ускорением A и в сочетании с параметрами A0, A1, A2, A3 уравнения кубической кривойосевой линии полосы движения хост-автомобиля, расчёт параметров A0, A1, A2, A3 уравнения кубической кривой траектории для поперечного управления и вывод параметров A0, A1, A2, A3 уравнения кубической кривой траектории на контроллер поперечного управления для выполнения поперечного управления при автоматической смене полосы движения;
(5) расчёт завершения автоматической смены полосы движения:
когда одновременно выполняются два следующих условия, считается, что автоматическая смена полосы движения завершена:
(a) период времени, используемый для автоматической смены полосы движения, больше, чем параметр времени T построения поперечной траектории автоматической смены полосы движения;
Comp
Comp
Comp
(b) параметр A0 кубического уравнения траектории, используемый для поперечного управления, меньше, чем предельное значение A0, а период времени A0 < A0 меньше, чем предельное значение T;
после завершения автоматической смены полосы движения вычисление кривой пятого порядка процедуры планирования и инструкция поперечного управления автоматической сменой полосы останавливаются, если же автоматическая смена полосы не завершена, процесс возвращается к этапу (3).
(построением по точкам)
lk
lk
lk
lk
lk
lk
lk
lk
lk
lk
2
3
В варианте осуществления на этапе (1) осевая линия полосы движения хост-автомобиля выражается аппроксимацией  кубической кривой для получения y=A0+A1x+A2x+A3x, где y - поперечное расстояние, x - продольное расстояние, а A0, A1, A2 and A3 - параметры уравнения кубической кривой осевой линии полосы движения хост-автомобиля;
lt
lt
lt
lt
lt
lt
lt
lt
lt
lt
2
3
осевая целевой полосы выражается через аппроксимацию кубичесой кривой с получением y=A0+A1x+A2x+A3x, где y - поперечное расстояние, x - продольное расстояние, а A0, A1, A2 and A3 - параметры уравнения кубической кривой осевой линии целевой полосы движения автомобиля.
В варианте осуществления на этапе (2) формула вычисления временного параметра T для планирования поперечной траектории автоматической смены полосы движения имеет следующий вид:
;
формула расчёта относительного поперечного расстояния TargetA0 между осевой линией целевой полосы и осевой линией полосы хост-автомобиля:
lt
lk
TargetA0 = A0 - A0.
0
1
2
3
4
5
В варианте осуществления на этапе (3) способ вычисления параметров N, N, N, N, N, Nуравнения кривой пятого порядка:
построение матрицы ;
построение матрицы ;
i
j
f
f
где V - поперечная составляющая скорости в начале автоматической смены полосы, a - поперечное ускорение в начале автоматической смены полосы, V - поперечная составляющая скорости в конце автоматической смены полосы и a - поперечное ускорение в конце автоматической смены полосы;
решение матричного уравнения:
для получения c(1), c(2), c(3), и затем - получения параметра уравнения кривой пятого порядка .
В варианте осуществления на этапе (3)
target
0
1
2
3
4
5
2
3
4
5
требуемое поперечное расстояние S= N+ Nt + Nt+ Nt+ Nt+ Nt;
target
1
2
3
4
5
2
3
4
требуемая поперечная скорость V = N+ 2Nt + 3Nt+ 4Nt+ 5Nt;
target
2
3
4
5
2
3
и требуемое поперечное ускорение A= 2N+6Nt+12Nt+20Nt.
lc
target
lc
target
lc
target
lc
2
В варианте осуществления на этапе (4), A0 = S; A1 = V /V; A2= A /(2*V); A3= 0.
lc
lk
lc
lk
lc
lk
lc
lk
В варианте осуществления на этапе (4), [A0, A1, A2, A3] = [ A0+A0,A1+A1,A2+A2,A3+A3].
В другом варианте осуществления настоящего изобретения также представлена система планирования поперечной траектории автоматической смены полосы движения автомобиля, включающая память и контроллер, где память хранит машиночитаемую компьютерную программу, а контроллер вызывает машиночитаемую компьютерную программу для выполнения этапов способа планирования поперечной траектории автоматической смены полосы движения автомобиля согласно настоящему изобретению.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения представлен, кроме того, автомобиль, в котором применена система планирования поперечной траектории автоматической смены полосы движения согласно настоящему изобретению.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения дополнительно представлен носитель данных, на котором хранится машиночитаемая программа, при этом машиночитаемая программа при вызове контроллером может выполнять этапы способа планирования поперечной траектории автоматической смены полосы движения транспортного средства согласно настоящему изобретению.
По крайней мере некоторые варианты осуществления настоящего изобретения имеют указанные ниже преимущества.
(1) Применена главенствующая в настоящее время схема позиционирования направления полосы движения автотранспорта для осуществления планирования траектории автоматической смены полосы движения, являющаяся испытанной и надёжной.
(2) Эта схема совместима с применяемой сейчас функцией центрирования полосы дорожного движения, что снижает издержки и обеспечивает массовость производства.
(3) Предложенный способ планирования траектории имеет высокую вычислительную эффективность и отвечает уровню требований к выполнению бортовых вычислений.
(4) Видеокамера используется для получения информации о полосе движения без применения для позиционирования карты высокой точности, благодаря чему имеет высокую помехоустойчивость.
Краткое описание чертежей
На чертеже представлена блок-схема последовательности этапов способа планирования поперечной траектории автоматической смены полосы движения автомобиля в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание
Далее настоящее изобретение описывается более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи.
В качестве варианта осуществления настоящего изобретения аппаратные средства, привлечённые для реализации способа планирования поперечной траектории автоматической смены полосы движения автомобиля, могут включать, не ограничиваясь ими: систему датчиков, выполненную с возможностью определения и вывода данных осевой линии полосы движения ведомого (хост-)автомобиля, целевой осевой линии полосы дорожного движения и скорости хост-автомобиля в реальном времени; систему принятия решений по автоматической смене полосы, выполненную с возможностью вывода информации инструкции по автоматической смене полосы; систему планирования поперечной траектории автоматической смены полосы, выполненную с возможностью предварительного расчёта уравнения поперечной кривой пятого порядка для автоматической смены полосы в реальном времени, вычисления требуемого поперечного расстояния, требуемой скорости и требуемого ускорения, а также расчёта параметров кубической кривой, конфигурируемой для поперечного управления; и контроллер бокового управления автоматической сменой полосы движения, выполненный с возможностью приёма параметров кубической кривой, рассчитанных системой планирования поперечной траектории автоматической смены полосы, и завершения соответствующих действий поперечного управления.
Как показано на фиг. 1, в данном варианте осуществления представлен способ планирования поперечной траектории автоматической смены полосы движения автомобиля, включающий описываемые ниже этапы.
(1) Обработка информации.
11. Получение данных инструкции автоматической смены полосы движения, выводимой системой принятия решений, и определение, начинать ли автоматическую смену полосы движения; в случае определения начала автоматической смены полосы движения - переход к этапу 12; в случае не определения начала автоматической смены полосы движения - завершение процесса.
lk
lk
lk
lk
lk
lk
lt
lt
lt
lt
lt
lt
2
3
2
3
12. Получение информации, выводимой системой датчиков в реальном времени, включая данные: осевой линии полосы движения ведомого автомобиля, выраженной аппроксимацией кубической кривой с получением y=A0+A1x+A2x+A3x, где y - поперечное расстояние, x - продольное расстояние; осевой линии целевой полосы, выраженной аппроксимацией кубической кривой с получением y=A0+A1x+A2x+A3x, где y - поперечное расстояние, x - продольное расстояние; и скорости V хост-автомобиля.
(2) Расчёт параметров автоматической смены полосы движения.
rate (скорость)
12. Расчёт параметра времени T, затраченного на планирование поперечной траектории автоматической смены полосы движения, по формуле: , где  - калибровочная переменная, определяющая скорость процесса смены полосы движения, причём вычисление выполняется один раз в момент начала каждого процесса смены полосы движения; при этом в ходе фактического процесса смены полосы движения величина временного параметра T в среднем составляет между 6 и 8 секундами.
lt
lk
22. Вычисление относительного поперечного расстояния TargetA0 = A0 - A0между осевой линией целевой полосы движения и осевой линией полосы движения ведомого автомобиля в соответствии с параметрами осевой линии целевой полосы движения и осевой линией полосы движения ведомого автомобиля, полученными на этапе 12.
(3) Построение кривой пятого порядка для автоматической смены полосы.
0
1
2
3
4
5
0
1
2
3
4
5
0
1
2
3
4
5
2
3
4
5
31. Вычисление уравнения кривой пятого порядка y = N+Nt+Nt+Nt+Nt+Nt для планирования поперечной траектории смены полосы движения в момент времени t согласно TargetA0, полученному на этапе 22, где N, N, N, N, N, N - параметры уравнения кривой пятого порядка, а y - поперечное расстояние; вычисление параметров N, N, N, N, N, N уравнения кривой пятого порядка выполняется путём
построения матрицы ,
где T - параметр времени, полученный вычислением на этапе 2;
построения матрицы ,
i
j
f
f
где TargetA0 - поперечное расстояние, полученное вычислением на этапе 2, V, a - соответственно, поперечная скорость и поперечное ускорение (обычно принимаемое за 0) в начале автоматической смены полосы, а V, a - соответственно, поперечная скорость и поперечное ускорение (обычно принимаемое за 0) в конце автоматической смены полосы;
решения матричного уравнения:
с получением c(1), c(2), c(3) и последующим получением параметра  уравнения кривой пятого порядка.
32. Вычисление требуемого поперечного расстояния
target
0
1
2
3
4
5
2
3
4
5
S = N+Nt+Nt+Nt+Nt+Nt;
target
1
2
3
4
5
2
3
4
требуемой боковой скорости V = N+2Nt+3Nt+4Nt+5Nt
target
2
3
4
5
2
3
и требуемого поперечного ускорения A = 2N+6Nt+12Nt+20Nt в момент времени t.
(4) Выработка инструкции поперечного управления для автоматической смены полосы движения.
lc
lc
lc
lc
target
target
target
lc
target
lc
target
lc
target
lc
2
41. Расчёт параметров A0, A1, A2, A3уравнения кубической кривой траектории смены полосы движения в момент времени t в соответствии с требуемым поперечным расстоянием S, требуемой поперечной скоростью Vи требуемым поперечным ускорением A , рассчитанными на этапе 33, и скоростью V хост-автомобиля, полученной на этапе 11, при этом A0= S; A1= V/V; A2 = A /(2*V); A3 = 0.
lc
lk
lc
lk
lc
lk
lc
lk
lk
lk
lk
lk
42. Получение параметров уравнения кубической кривой траектории [A0, A1, A2, A3] = [A0+ A0, A1+ A1, A2+ A2, A3+ A3] для поперечного управления согласно параметрам A0, A1, A2и A3уравнения кубической кривой центральной линии полосы движения ведомого автомобиля и вывод информации на контроллер поперечного управления для выполнения поперечного управления при автоматической смене полосы движения.
(5) Расчёт завершения автоматической смены полосы движения.
Определение, завершена ли автоматическая смена полосы движения, в соответствии со следующими условиями:
(a) период времени, затраченный на автоматическую смену полосы движения, превышает параметр времени T планирования поперечной траектории автоматической смены полосы движения;
Comp
Comp
Comp
(b) определение в соответствии с параметром А0 уравнения кубической кривой траектории для поперечного управления, полученным на этапе 4, является ли этот параметр меньшим, чем предельное значение A0, а период времени А0 < A0 меньшим, чем предельное значение T.
Если условие (а) и условие (b) одновременно удовлетворены, определяется, что автоматическая смена полосы движения завершена, при этом вычисление для планирования кривой пятого порядка и подача команд поперечного управления автоматической смены полосы движения остановлены. Если хотя бы одно из условий (а) или (b) не удовлетворено, процесс возвращается на этап 22.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения представлена система планирования поперечной траектории автоматической смены полосы движения автомобиля, содержащая память и контроллер, при этом в памяти хранится машиночитаемая компьютерная программа, а контроллер вызывает машиночитаемую компьютерную программу для выполнения этапов описанного выше способа планирования поперечной траектории автоматической смены полосы движения автомобиля.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения дополнительно представлен автомобиль, в котором применена упомянутая выше система планирования поперечной траектории автоматической смены полосы движения автомобиля.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения дополнительно представлен носитель данных, на котором хранится машиночитаемая компьютерная программа, которая при вызове контроллером способна выполнять этапы способа планирования поперечной траектории автоматической смены полосы движения упомянутого выше автомобиля.
Исходя из нескольких вариантов осуществления, представленных в настоящей заявке, следует понимать, что раскрытое техническое содержание может быть реализовано и иными способами. Описанные выше варианты осуществления устройства приведены лишь в качестве примеров. Например, разделение элементов может являться разделением логических функций, а при практической реализации могут быть применены другие способы разделения. Так, множество элементов или компонентов могут быть объединены или интегрированы в другую систему, или некоторыми функциями можно пренебречь или не выполнять их. Кроме того, отображаемые или обсуждаемые взаимные связи или прямые связи или коммуникационные соединения могут быть реализованы через различные интерфейсы. Непрямые соединения или коммуникационные соединения между элементами или компонентами могут быть реализованы в электротехнических или иных формах.
Элементы, описанные как отдельные компоненты, могут быть или не быть физически разделены, а отдельные компоненты, отображаемые как элементы, могут быть или не быть физическими элементами, могут быть установлены в одной позиции или распределены по множеству элементов. Часть или все элементы могут быть выбраны в соответствии с фактическими требованиями для достижения целей технических решений вариантов осуществления.
Кроме того, функциональные элементы в вариантах осуществления настоящего изобретения могут быть интегрированы в один процессорный узел, или каждый из элементов может существовать отдельно физически, или по меньшей мере два элемента могут быть интегрированы в один элемент. Интегрированный элемент может быть реализован в виде аппаратных средств, а может быть реализован и в виде программного функционального элемента.
Когда интегрированный элемент реализован в виде программного функционального элемента и продаётся или используется как независимый продукт, такой интегрированный элемент может храниться на машиночитаемом носителе данных. Основываясь на таком понимании, технические решения настоящего изобретения по существу или часть, вносящая вклад в предшествующий уровень техники, или все или часть технических решений могут быть реализованы в форме программного продукта. Компьютерный программный продукт хранится на носителе данных. Программный продукт включает в себя несколько инструкций для указания компьютерному устройству (которое может быть персональным компьютером, сервером, сетевым устройством и т.п.) выполнять все или часть шагов способов, описанных в вариантах осуществления настоящего изобретения. Вышеупомянутый носитель данных включает в себя любой носитель, который может хранить программные коды, такой как флэш-диск USB, постоянное запоминающее устройство (ROM), оперативное запоминающее устройство (RAM), мобильный жёсткий диск, магнитный диск или оптический диск.
Приведенное выше содержание представляет собой примерные варианты осуществления настоящего изобретения. Следует отметить, что специалист в данной области техники может вносить дополнительные улучшения и модификации, не отступая от принципа настоящего изобретения, и эти улучшения и модификации также должны входить в объём защиты настоящего изобретения.