本發明屬于自動駕駛技術，具體涉及一種自動換道系統及方法。

背景技術：

自動駕駛系統是一種主動安全系統，該系統能夠自動控制車輛運行，包括行駛、換道、泊車等，提升駕駛體驗與舒適感，同時確保駕駛的安全性。目前自動駕駛系統主要使用安裝在車輛的傳感器，如：毫米波雷達、激光雷達、攝像頭和超聲波雷達等，探測和識別駕駛環境，包括車道線，周圍車輛、行人、紅綠燈、交通標志等，安全高效地自動控制車輛行駛，同時遵守交通規則。

具體來說，在駕駛的時候，利用車輛前攝像頭識別車道線，控制車輛行駛在車道正中；在換道的時候，識別車道線類型和交通標志，并結合地圖規劃路徑數據，判斷是否可以換道。

自動換道系統是自動駕駛系統的子系統，現有的自動換道系統一般使用前攝像頭來識別前方車道線，但是對環境的探測存在幾種傳感器技術方案：

第一種方案為車頂激光雷達，利用激光雷達旋轉實現360度范圍全覆蓋，實現環境探測。此方法的缺點在于激光雷達縱向探測角度小于30度，車輛周圍5米內存在盲區，換道存在安全風險，同時激光雷達成本太高，目前難以實際應用在量產車型。

第二種方案為前方毫米波雷達加車輛周圍超聲波雷達。此方案主要問題在于超聲波雷達探測距離近，只有3-4米，難以探測后方稍遠距離的車輛，存在安全風險。

第三種方案為五毫米波雷達方案，即前方毫米波雷達加四角安裝的毫米波雷達，此方法可以探測車輛周圍的環境，但是無法探測車輛后方的目標，車輛后方存在安全風險。

因此，有必要開發一種新的自動換道系統及方法。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種自動換道系統及方法，能實時檢測換道環境是否安全，在存在安全風險時，能及時終止換道和提醒駕駛員接管。

本發明所述的自動換道系統，包括前攝像頭、后攝像頭、毫米波雷達組、超聲波雷達組、中央控制器、地圖定位模塊、執行機構和HMI模塊；

所述前攝像頭、后攝像頭、毫米波雷達組、超聲波雷達組、地圖定位模塊、執行機構和HMI模塊分別與中央控制器連接；

所述前攝像頭用于識別車輛前方的車道線、交通標線、交通標志和障礙物；

后攝像頭用于識別車輛后方的車道線和障礙物；

毫米波雷達組包括多個毫米波雷達，使毫米波雷達能覆蓋車輛周圍 360°的所有區域 ；

超聲波雷達組包括多個超聲波雷達，使超聲波雷達能覆蓋車輛周圍 360°的所有區域 ；

中央處理器用于駕駛環境重構、駕駛路徑規劃與駕駛決策，在判斷出換道環境安全時，控制執行機構使車輛執行換道操作，在判斷出換道環境存在安全風險時，終止換道操作，并通過HMI模塊提醒駕駛員接管。

所述前攝像頭安裝在車輛前側的中部；

所述后攝像頭安裝在車輛后側的中部；

所述毫米波雷達組包括六個毫米波雷達，安裝位置如下：

一個毫米波雷達安裝在車輛前方的正中間，

一個毫米波雷達在車輛后方防撞橫梁的正中間；

一個毫米波雷達安裝在車輛左側的前部；

一個毫米波雷達安裝在車輛左側的后部；

一個毫米波雷達安裝在車輛右側的前部；

一個毫米波雷達安裝在車輛右側的后部；

所述超聲波雷達組包括十二個超聲波雷達，安裝位置如下：

一個超聲波雷達安裝在車輛前方的左部；

一個超聲波雷達安裝在車輛前方防撞橫梁的正中間；

一個超聲波雷達安裝在車輛前方的右部；

一個超聲波雷達安裝在車輛后方的左部；

一個超聲波雷達安裝在車輛后方防撞橫梁的正中間；

一個超聲波雷達安裝在車輛后方的右部；

一個超聲波雷達安裝在車輛左側的前部；

一個超聲波雷達安裝在車輛左側的中部；

一個超聲波雷達安裝在車輛左側的后部；

一個超聲波雷達安裝在車輛右側的前部；

一個超聲波雷達安裝在車輛右側的中部；

一個超聲波雷達安裝在車輛右側的后部。

本發明所述的自動換道方法，采用本發明所述的自動換道系統，將車輛四周區域劃分為八個子區域，分別為車輛左前方區域、車輛正前方區域、車輛右前方區域、車輛左側區域、車輛右側區域、車輛左后方區域，車輛正后方區域和車輛右后方區域；所述毫米波雷達組和超聲波雷達組均能覆蓋這八個子區域；其方法包括以下步驟：

步驟一、換道觸發

當滿足條件1a～1c中的其中一個或多個時；

條件1a、自動駕駛路徑規劃與實際行駛道路方向不一致；

條件1b、同一車道的前方車輛行駛較慢或同一車道前方有障礙物，存在碰撞風險；

條件1c、自動換道系統接收到換道指令；

步驟二、換道方向判斷

2a、根據路徑規劃判斷換道方向，優先級為低；

2b、根據同一車道的前方車輛行駛過慢或同一車道前方有障礙物，存在碰撞風險，判斷換道方向，優先級為中；

2c、根據接收到的換道指令判斷換道方向，優先級為高；

當換道方向相互沖突時，判斷的換道方向以優先級高的方向為準；

步驟三、換道執行

當換道方向為向左換道時，且同時滿足條件3a和3b時，自動換道系統才開始執行向左換道；

條件3a、車輛左前方區域和車輛左側區域均無障礙物；

條件3b、車輛左后方區域沒有障礙物，或車輛左后方區域有障礙物但不會闖入車輛左側區域；

當換道方向為向右換道時，且同時滿足條件3c和3d時，自動換道系統才開始執行向右換道；

條件3c、車輛右前方區域和車輛右側區域均無障礙物；

條件3d、車輛右后方區域沒有障礙物，或車輛右后方區域有障礙物但不會闖入車輛右側區域；

步驟四、換道退出

在向左換道中，當滿足條件4a～4g中的其中一個或多個時，換道退出；

在向右換道中，當滿足條件4e～4k中的其中一個或多個時，換道退出；

4a、左側車道線是實線；

4b、車輛左側區域有障礙物；

4c、車輛左后方區域的障礙物在加速或有可能闖入車輛左側區域；

4d、車輛左前方區域的障礙物在減速或有可能闖入車輛左側區域；

4e、交通標線、交通標志為禁止換道；

4f、接收到終止換道指令；

4g、完成換道；

4h、車輛右側區域有障礙物；

4i、車輛右后方區域的障礙物在加速或有可能闖入車輛右側區域；

4j、車輛右前方區域的障礙物在減速或有可能闖入車輛右側區域

4k、右側車道線是實線。

所述步驟三中，在執行換道過程中，當毫米波雷達探測到車輛正后方區域有障礙物在加速運動時，則觸發后攝像頭來探測車輛正后方區域，若后攝像頭識別出障礙物是靠近換道方向側的車道線行駛，則表示存有碰撞風險，自動換道系統發出報警，以提示駕駛員是否退出換道，否則表示無碰撞風險，繼續執行換道。

所述步驟2a具體為：

當路徑規劃為向右，實際路線為直行，則換道方向判斷為向右換道；

當路徑規劃為向右，實際路線為左行，則換道方向判斷為向右換道；

當路徑規劃為直行，實際路線為左行，則換道方向判斷為向右換道；

當路徑規劃為向左，實際路線為直行，則換道方向判斷為斷向左換道；

當路徑規劃為向左，實際路線為右行，則換道方向判斷為向左換道；

當路徑規劃為直行，實際路線為右行，則換道方向判斷為向左換道。

所述2b具體為：

當同一車道的前方車輛行駛過慢或同一車道前方有障礙物，存在碰撞風險時，則換道方向判斷為向右換道。

所述2c具體為：

當接收的指令為向右換道，則換道方向判斷為向右換道；

當接收的指令為向左換道，則換道方向判斷為向左換道。

本發明具有以下優點：

（1）能夠實時檢測換道環境是否安全，并在存在安全風險時，能夠及時終止換道和提醒駕駛員接管車輛，保證了換道過程中的安全。

（2）本發明中毫米波雷達組、超聲波雷達組、前攝像頭和后攝像頭的覆蓋區域相互疊加，形成了三層的覆蓋圈：包括5米，60米和160米這三個范圍，能夠涵蓋自動駕駛的安全范圍。其中5米和60米到達了360度的完全覆蓋。

附圖說明

圖1為本發明的原理框圖；

圖2為本發明中的毫米波雷達、超聲波雷達、前攝像頭、后攝像頭的分布圖；

圖3為本發明中超聲波雷達覆蓋區域的分布圖；

圖4為本發明中毫米波雷達覆蓋區域的分布圖；

圖5為本發明中前攝像頭、后攝像頭覆蓋區域的分布圖；

圖6為本發明中車輛行駛區域的劃分圖；

圖7為本發明的流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步說明。

如圖1所示的自動換道系統，包括前攝像頭10、后攝像頭16、毫米波雷達組30、超聲波雷達組31、中央控制器12、地圖定位模塊33、執行機構32和HMI（即：人機界面）模塊34。前攝像頭10、后攝像頭16、毫米波雷達組30、超聲波雷達組31、地圖定位模塊33分別與中央控制器12連接。本發明中，執行機構32包括電動助力轉向系統、電子剎車系統和車輛的發動機及變速器。

所述前攝像頭10安裝在車輛前側的中部，用于識別車輛前方的車道線、交通標線、交通標志和障礙物（包括行人、車輛或其他）。后攝像頭16安裝在車輛后側的中部，用于識別車輛后方的車道線和障礙物。本發明中的前攝像頭10、后攝像頭16分別包括攝像頭和圖像處理模塊，前攝像頭10和后攝像頭16亦可共用一個圖像處理模塊。

毫米波雷達組30包括分別安裝在車輛四周的多個毫米波雷達，使毫米波雷達能覆蓋車輛周圍 360°的所有區域 。

超聲波雷達組31包括分別安裝在車輛四周的多個超聲波雷達，使超聲波雷達能覆蓋車輛周圍 360°的所有區域。

中央處理器12接收傳感器的原始信號，與地圖定位模塊33和整車CAN網絡相連，其完成駕駛環境重構、駕駛路徑規劃與駕駛決策。中央處理器12在判斷出換道環境安全時，控制執行機構32使車輛執行換道操作，在判斷出換道環境存在安全風險時，終止換道操作，并通過HMI模塊34提醒駕駛員接管。

如圖2所示，所述超聲波雷達組31包括十二個超聲波雷達，分別為超聲波雷達2、超聲波雷達3、超聲波雷達5、超聲波雷達6、超聲波雷達8、超聲波雷達9、超聲波雷達11、超聲波雷達14、超聲波雷達15、超聲波雷達18、超聲波雷達19、超聲波雷達21，其探測角度約為90度，探測距離約為5米。

以上各超聲波雷達的安裝位置及覆蓋范圍如下：

超聲波雷達2安裝在車輛左側的前部，距離車輛前端距離約為20厘米，距離地面約為15厘米，其覆蓋范圍為區域2-2。

超聲波雷達3安裝在車輛前方的左部，距離車輛前端左側距離約為30厘米，距離地面約為30厘米，其覆蓋范圍為區域2-3。

超聲波雷達5安裝在車輛前方防撞橫梁的正中間，距離地面約為30厘米，其覆蓋范圍為區域2-5。

超聲波雷達6安裝在車輛前方的右部，距離車輛前端右側距離約為30厘米，距離地面約為30厘米，其覆蓋范圍為區域2-6。

超聲波雷達8安裝在車輛右側的前部，距離車輛前端距離約為20厘米，距離地面約為15厘米，其覆蓋范圍為區域2-8。

超聲波雷達9安裝在車輛左側的中部，即A柱下方偏后30cm處，距離地面約為30厘米，其覆蓋范圍為區域2-9。

超聲波雷達11安裝在車輛右側的中部，即A柱下方偏后30cm處，距離地面約為30厘米，其覆蓋范圍為區域2-11。

超聲波雷達14安裝在車輛左側的后部，距離車輛后端距離約為20厘米，距離地面約為50厘米，其覆蓋范圍為區域2-14。

超聲波雷達15安裝在車輛后方的左部，距離車輛后端左側距離約為30厘米，距離地面約為50厘米，其覆蓋范圍為區域2-15。

超聲波雷達18安裝在車輛后方防撞橫梁的正中間，距離地面約為50厘米，其覆蓋范圍為區域2-18。

超聲波雷達19安裝在車輛后方的右部，距離車輛后端右側距離約為30厘米，距離地面約為50厘米，其覆蓋范圍為區域2-19。

超聲波雷達21安裝在車輛右側的后部，距離車輛后端距離約為20厘米，距離地面約為50厘米，其覆蓋范圍為區域2-21。

如圖2所示和圖4所示，所述毫米波雷達組30包括六個毫米波雷達，分別為毫米波雷達1、毫米波雷達4、毫米波雷達7、毫米波雷達13、毫米波雷達17、毫米波雷達20。其中：毫米波雷達1、毫米波雷達7、毫米波雷達13、毫米波雷達17和毫米波雷達20為盲區探測（BSD）的毫米波雷達，其規格為短距毫米波雷達，探測角度為120度，探測距離約為60米。毫米波雷達4為自適應巡航（ACC）的毫米波雷達，其規格為中距毫米波雷達，包括中距和短距兩種掃描模式：中距模式探測角度約為18度，探測距離為160米；短距模式探測角度為120度，探測距離約為60米。

如圖2和圖4所示，以上各毫米波雷達的安裝位置及覆蓋范圍如下：

毫米波雷達4安裝在車輛前方的正中間，位于前防撞橫梁的下方，距離地面約為20厘米，其覆蓋范圍為區域3-4。

毫米波雷達17在車輛后方防撞橫梁的正中間，距離地面約為40厘米，其覆蓋范圍為區域3-17。

毫米波雷達1安裝在車輛左側的前部，距離車輛前端距離約為20厘米，距離地面約為30厘米，其覆蓋范圍為區域3-1。

毫米波雷達13安裝在車輛左側的后部，距離車輛后端距離約為20厘米，距離地面約為40厘米，其覆蓋范圍為區域3-13。

毫米波雷達7安裝在車輛右側的前部，距離車輛前端距離約為20厘米，距離地面約為30厘米，其覆蓋范圍為區域3-7。

毫米波雷達20安裝在車輛右側的后部，距離車輛后端距離約為20厘米，距離地面約為40厘米，其覆蓋范圍為區域3-20。

如圖2所示，前攝像頭1010為車道保持（LKA）攝像頭，可以識別前方車道線、車輛、行人等，安裝在擋風玻璃后視鏡內，距離擋風玻璃頂部垂直距離約為15厘米，其識別角度約為50度，識別距離約為100米。其覆蓋范圍為圖5中的區域3-10。

如圖2所示，后攝像頭16為倒車輔助攝像頭，可以識別后方車道線、行人、車輛等，安裝在擋風玻璃后視鏡內，距離擋風玻璃頂部垂直距離約為15厘米，其識別角度約為90度，識別距離約為30米。其覆蓋范圍為圖5中的區域3-16所示。

毫米波雷達組30、超聲波雷達組31、前攝像頭10和后攝像頭16的覆蓋區域相互疊加，形成三層覆蓋圈：包括5米，60米和160米三種范圍，可以涵蓋自動駕駛的安全范圍。其中5米和60米可以360度完全覆蓋，由于駕駛危險主要來自于前方，故160米范圍只考慮前方，從而節約系統成本。

如圖7所示，本發明所述的自動換道方法，采用本發明所述的自動換道系統，將車輛四周區域劃分為八個子區域，分別為車輛左前方區域22、車輛正前方區域23、車輛右前方區域24、車輛左側區域25、車輛右側區域26、車輛左后方區域27，車輛正后方區域28和車輛右后方區域29；所述毫米波雷達組和超聲波雷達組31均能覆蓋這八個子區域；其方法包括以下步驟：

步驟一、換道觸發

當滿足條件1a～1c中的其中一個或多個時；

條件1a、自動駕駛路徑規劃與實際行駛道路方向不一致；

條件1b、同一車道的前方車輛行駛較慢或同一車道前方有障礙物，存在碰撞風險；

條件1c、自動換道系統接收到換道指令；

步驟二、換道方向判斷

2a、根據路徑規劃判斷換道方向，優先級為低；

當路徑規劃為向右，實際路線為直行，則換道方向判斷為向右換道；

當路徑規劃為向右，實際路線為左行，則換道方向判斷為向右換道；

當路徑規劃為直行，實際路線為左行，則換道方向判斷為向右換道；

當路徑規劃為向左，實際路線為直行，則換道方向判斷為斷向左換道；

當路徑規劃為向左，實際路線為右行，則換道方向判斷為向左換道；

當路徑規劃為直行，實際路線為右行，則換道方向判斷為向左換道。

2b、根據同一車道的前方車輛行駛過慢或同一車道前方有障礙物，存在碰撞風險，判斷換道方向，優先級為中；

當同一車道的前方車輛行駛過慢或同一車道前方有障礙物，存在碰撞風險時，則換道方向判斷為向右換道。

2c、根據接收到的換道指令判斷換道方向，優先級為高；

當接收的指令為向右換道，則換道方向判斷為向右換道；

當接收的指令為向左換道，則換道方向判斷為向左換道。

當換道方向相互沖突時，判斷的換道方向以優先級高的方向為準。

步驟三、換道執行

當換道方向為向左換道時，且同時滿足條件3a和3b時，自動換道系統才開始執行向左換道；

條件3a、車輛左前方區域22和車輛左側區域25均無障礙物；

條件3b、車輛左后方區域27沒有障礙物，或車輛左后方區域27有障礙物但不會闖入車輛左側區域25；

當換道方向為向右換道時，且同時滿足條件3c和3d時，自動換道系統才開始執行向右換道；

條件3c、車輛右前方區域24和車輛右側區域26均無障礙物；

條件3d、車輛右后方區域29沒有障礙物，或車輛右后方區域29有障礙物但不會闖入車輛右側區域26；

在執行換道過程中，當毫米波雷達探測到車輛正后方區域有障礙物在加速運動時，則觸發后攝像頭16來探測車輛正后方區域，若后攝像頭16識別出障礙物是靠近換道方向側的車道線行駛，則表示存有碰撞風險，自動換道系統通過HMI模塊34發出報警，以提示駕駛員是否退出換道，否則表示無碰撞風險，繼續執行換道。

步驟四、換道退出

在向左換道中，當滿足條件4a～4g中的其中一個或多個時，換道退出；

在向右換道中，當滿足條件4e～4k中的其中一個或多個時，換道退出；

4a、左側車道線是實線；

4b、車輛左側區域25有障礙物；

4c、車輛左后方區域27的障礙物在加速或有可能闖入車輛左側區域25；

4d、車輛左前方區域22的障礙物在減速或有可能闖入車輛左側區域25；

4e、交通標線、交通標志為禁止換道；

4f、接收到終止換道指令；

4g、完成換道；

4h、車輛右側區域26有障礙物；

4i、車輛右后方區域29的障礙物在加速或有可能闖入車輛右側區域26；

4j、車輛右前方區域24的障礙物在減速或有可能闖入車輛右側區域26。

4k、右側車道線是實線。

以下結合各傳感器（包括前攝像頭10、后攝像頭16、超聲波雷達組31和毫米波雷達組30中的一種或多種）的位置對本方法進行具體的說明：

一、左側換道風險判斷

向左換道啟動時，已經利用傳感器探測到車輛左前方區域22和車輛左側區域25沒有障礙物，且車輛左后方區域27內沒有車輛或者車輛行駛速度較慢(此為自動換道開啟前提條件，在換道啟動時已經探明)。利用各傳感器對車輛左前方區域22、車輛左側區域25、車輛左后方區域27和車輛正后方區域28這四個區域進行實時探測，基于各傳感器所探測的數據來判斷碰撞風險，如果存在碰撞風險，則退出自動換道，同時提醒技術員。這里的碰撞風險分為三種情況：

（1）車輛左前方區域22和車輛左側區域25這兩個區域出現碰撞危險：由于傳感器的探測能力或者目標（行人、車輛）的突然闖入，會導致車輛左前方和車輛左側區域內出現碰撞危險。毫米波雷達1和毫米波雷達13掃描車輛左前方區域22和車輛左側區域25的目標，如果目標以一定速度向左靠近，則可以及時發現。當物體靠近自身車輛5米時，此時超聲波雷達2，超聲波雷達9，超聲波雷達14可以發現，綜合兩種雷達，可以發現左側靠近車輛。如果物體是靜止的或者速度較低，毫米波雷達無法探測，超聲波雷達2，超聲波雷達9，超聲波雷達14可以在5米時發現目標，可以明確目標是否處于換道路徑上，如果是，則存在換道風險。

（2）車輛左后方區域27存在潛在碰撞風險：在換道過程中，毫米波雷達13，毫米波雷達17檢測車輛左后方區域27，如果存在車輛相對速度較快，則潛在存在換道風險。

（3）車輛正后方區域28存在潛在碰撞風險：換道過程中，車輛正后方區域28有可能存在車輛快速駛來，由于自身車輛還沒有完成換道，車輛正后方區域28的車輛很有可能向左換道，潛在存在碰撞風險。要探明此種風險情況，需要多種傳感器復合探測。首先毫米波雷達17在60米時可發現后方有車輛快速駛來且沒有減速趨勢。自動駕駛系統需要啟動后攝像頭16監測后方來車。后攝像頭16可以識別后方的車道線和車輛，識別距離大約為30米。如果識別到后向來車行駛在車道中央或者相對速度降低，則無碰撞風險，需要抓緊完成換道。如果來車靠左側車道線行駛且速度較快，則其向左換道的可能性較大，潛在存在換道風險。這時需要警示駕駛員，根據相對速度差距和當前換道的時間，判斷是否需要終止換道。

二、右側換道風險判斷

向右換道啟動時，已經利用傳感器探測到車輛右前方區域24和車輛右側區域26沒有障礙物，且車輛右后方區域29沒有車輛或者車輛行駛速度較慢(此為自動換道開啟前提條件)。在向右換道過程中，實時檢測車輛右前方區域24、車輛右側區域26、車輛右后方區域29和車輛正后方區域28這四個區域，判斷碰撞風險，如果存在碰撞風險，則退出自動換道，同時提醒駕駛員。此時的碰撞風險分三種情況：

（1）車輛右前方區域24和車輛右側區域26出現碰撞危險：由于傳感器的探測能力或者目標（行人、車輛）的突然闖入，會導致車輛右前方區域24和車輛右側區域26出現碰撞危險。毫米波雷達7和毫米波雷達20掃描車輛右前方區域24和車輛右側區域26這兩個區域的目標，如果物體以一定速度向右靠近，則可以及時發現。當物體靠近自身車輛5米時，此時超聲波雷達8，超聲波雷達11，超聲波雷達21可以發現，綜合兩種雷達，可以發現左側靠近車輛。如果物體是靜止的或者速度較低，毫米波雷達無法探測，超聲波雷達8，超聲波雷達11，超聲波雷達21可以在5米時發現目標，可以明確目標是否處于換道路徑上，如果是，則存在換道風險。

（2）車輛右后方區域29潛在碰撞風險：在換道過程中，毫米波雷達19，毫米波雷達20檢測車輛右后方區域29，如果存在車輛相對速度較快，則潛在存在換道風險。

（3）車輛正后方區域28潛在碰撞風險：換道過程中，車輛正后方區域28有可能存在車輛快速駛來，由于自身車輛還沒有完成換道，車輛正后方區域28的車輛很有可能向右換道，潛在存在碰撞風險。要探明此種風險情況，需要多種傳感器復合探測。毫米波雷達17和后攝像頭16監測后方來車。如果識別到后向來車行駛在車道中央或者相對速度降低，則無碰撞風險，需要抓緊完成換道。如果來車靠右側車道線行駛且速度較快，則其向右換道的可能性較大，潛在存在換道風險。這時需要警示駕駛員，根據相對速度差距和當前換道的時間，判斷是否需要終止換道。