技術領域：

本發明涉及一種車輛協同駕駛控制方法，特別是涉及一種車聯網環境下高速公路車輛非強制換道控制方法。

背景技術：
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隨著社會經濟的高速發展，我國民用汽車保有量不斷增加，至2016年末全國民用汽車保有量已達19440萬輛，相比2015年末增加12.8％。然而，由于投資及空間等限制，全國四級及以上等級公路里程僅增長4.3％，高速公路車道里程僅增加5.4％，遠遠民用汽車的增長率，導致道路交通壓力日益增大。在不大規模增加道路基礎設施投資的基礎上，隨著無線通信技術的發展，車聯網條件下的智能交通系統和自動駕駛技術的發展將能夠充分利用道路資源，挖掘道路通行能力，減緩道路交通壓力。

對于智能網聯汽車，工信部在其發布的智能網聯汽車技術路線圖中將其分為四個發展階段：第一階段為駕駛輔助，包括自適應導航、自動緊急制動、車道保持、輔助泊車等；第二階段為部分自動駕駛，包括車道內自動駕駛、換道輔助、全自動泊車等；第三階段為有條件的自動駕駛，包括高速公路自動駕駛、城郊公路自動駕駛、協同式隊列行駛、交叉口通行輔助等；第四階段為完全自動駕駛，包括車路協同控制、市區自動駕駛及無人駕駛等。本發明基于自動駕駛發展的第三階段，即有條件的自動駕駛，考慮在高速公路中，車輛以無線通訊方式(如lte-v、wi-fi、藍牙、dsrc等)與通訊范圍內其他車輛實時進行通信，大多數車輛以隊列形式協同行駛。

對現有研究進行分析，大多數車聯網環境下的換道模型缺乏對自動駕駛不同發展階段中控制策略的區別對待，也缺乏對強制換道和非強制換道行為中控制策略的區別對待。對于智能網聯汽車第三發展階段，車輛能夠與通訊范圍內其他車輛進行實時數據交換與協同駕駛，但是并不能達到完全的自動駕駛。在此階段中，高速公路內的大多數車輛以隊列方式協同行駛，但是勢必會產生換道以進入或離開隊列的問題。相對于傳統高速公路換道模型及完全自動駕駛下的換道模型，本發明針對在智能網聯汽車第三發展階段中高速公路車輛因特殊交通狀況而必須盡快換道的強制換道問題，明確了換道車輛以及通信范圍內的周邊車輛在換道過程中所應做出的反應，為自動駕駛提供支撐。

技術實現要素：

本發明的目的是基于車輛運行過程的安全性，提供一種車聯網環境下高速公路車輛非強制換道控制方法,為輔助駕駛和自動駕駛提供支撐。該方法對換道車輛及其他相關車輛的狀態進行分析，并基于此對車輛的非強制換道行為進行合理組織，實現非強制換道行為的安全、高效實施。

上述的目的通過以下技術方案實現：

一種車聯網環境下高速公路車輛非強制換道控制方法，所述的非強制換道為換道車輛為改善車輛行駛狀態，而前方車輛行駛速度較低時，換至交通狀態較好的旁道行駛的行為，該方法為：車聯網環境下，在高速公路上行駛的車輛可以通過無線通訊方式與通訊范圍內的周邊車輛實現車車通信并進行實時的數據交換，當某車輛有非強制換道需求時，該車輛向附近車輛發出請求，獲取其他車輛位置、速度信息，根據車輛周邊通信范圍內不同的交通狀態進行判斷，對換道車輛的強制換道行為進行控制，實現非強制換道行為的安全、高效實施。

所述的車聯網環境下高速公路車輛非強制換道控制方法，所述數據交換的內容包括車輛位置、行駛速度、加速度，車輛位置包括車輛所在車道以及對應于某一參考點沿高速公路中央分隔帶方向的橫、縱向距離，在高速公路上行駛的車輛需嚴格遵守交通規則，包括高速公路最高限速vmax，最低限速vmin，最大加速度aa,最大減速度ad,最小安全間距hsafe等，且以車隊形式跟馳行駛時在車隊中的車輛速度相等且通過車車聯網以相同速度協同行進，且隊列中的車輛車頭間距不小于安全間距。

所述的車聯網環境下高速公路車輛非強制換道控制方法，所述根據車輛周邊通信范圍內不同的交通狀態進行判斷，對換道車輛的強制換道行為進行控制的方法為：

以v表示需換道的車輛的速度，x為其縱向位置；v旁，后表示目標車道上縱向位置在換道車輛前方，且距離換道車輛最近的車輛的速度，x旁，后為其縱向位置；v旁，前表示目標車道上縱向位置在換道車輛后方，且距離換道車輛最近的車輛的速度，x旁，前為其縱向位置；v旁，末表示目標車道上縱向位置在換道車輛后方，且位于旁道車隊隊尾的車輛的速度，x旁，末為其縱向位置；本車道前車定義為換道車輛所在車道上縱向位置在換道車輛前方，且距離換道車輛最近的車輛，初始狀態下v旁，前＝v旁，后＝v旁，末，

若旁道上無其他車輛，則立即執行換道；

若旁道上有前車而無后車，對旁道前車及自身的狀態進行判斷：

①前車速度大于或等于換道車輛速度且已經滿足安全間距條件，即v旁，前≥v且x旁，前-x≥hsafe，則立即執行換道；

②前車速度大于或等于換道車輛速度但不滿足安全間距條件，即v旁，前≥v且x旁，前-x<hsafe，則換道車輛以最大減速度af進行減速，當達到以下條件之一時換道車輛停止減速：

c)換道車輛達到高速公路最低限速vmin；

d)與旁道前車達到安全間距，

若條件b)先滿足，則在滿足條件時，即x旁，前′-x′＝hsafe時，換道車輛停止減速并執行換道；

若條件a)先滿足，則換道車輛停止減速并保持vmin，直至條件b)滿足時執行換道。待換道行為執行完畢后，換道車輛再以最大加速度aa加速至旁道前車速度v旁，前，

③前車速度小于換道車速度，即v旁，前<v，則換道車以最大減速度ad減速至v旁，前，在兩車速度相等后，視為有前車也有后車的初始狀態，重新判斷換道條件并按照相應方法執行控制。

若旁道上無前車而有后車，若后車速度小于或等于換道車速度且已經滿足安全間距條件，即v旁，后≤v且x-x旁，后≥hsafe，則換道車輛立即執行換道；否則，換道車輛原則上需要繼續跟馳換道車道上的前方車輛，等待旁道上的車隊全部超過自己后方可考慮換道；首先對換道車輛速度v、換道車道上的前方車輛v本，前及旁道車隊速度v旁進行判斷，由于為改善車輛行駛狀態的非強制換道，則v旁必大于v本，前，且v必不小于v本，前，

若換道車輛正常跟馳前方車輛，即v本，前＝v<v旁，則當旁道車隊末車行駛至換道車輛前方安全距離外，即x旁，末′-x′＝hsafe時，換道車輛執行換道，待換道行為執行完畢后以最大加速度aa加速至v旁；

若換道車輛速度大于本車道前車速度但小于旁道車隊速度，即v本，前<v<v旁，則在旁道車隊末車行駛至換道車輛前方安全距離外時進行換道，在換道時，換道車輛需要與前車、旁道車隊的末車均保持安全距離，即x旁，末′-x′＝hsafe且x前′-x′≥hsafe；

①若換道車輛可以繼續保持速度v，則要想在時間t后換道，需要以下不等式組有解：

當以上不等式組有解時，換道車輛在時刻執行換道；否則，換道車輛需要減速方可安全進行換道，繼續執行②；

②若①中的不等式無解，則需要換道車輛以最大減速度ad進行減速，直至滿足以下兩個條件之一：

c)旁道車隊末車行駛至換道車輛前方安全距離外，即x旁，末′-x′＝hsafe；

d)速度與本車道前車速度相等，即v′＝v本，前。

若條件a)先滿足，則在滿足條件時換道車輛停止減速并執行換道；若條件b)先滿足，則在滿足條件時換道車輛停止減速，保持v本，前，直至滿足條件a)時換道。待換道完成后，換道車輛以最大加速度aa加速至v旁，末；

若換道車輛速度大于旁道車隊速度，即v本，前<v旁≤v，則換道車輛需要先以最大減速度ad減速至一個小于旁道車隊速度的速度，即v′<v旁，方可保證旁道車隊超過換道車輛，在滿足以下條件之一時停止減速：

c)旁道車隊末車行駛至換道車輛前方安全距離外，即x旁，末′-x′＝hsafe；

d)速度與本車道前車速度相等，即v′＝v本，前。

若條件a)先滿足，則在滿足條件時換道車輛停止減速并執行換道；若條件b)先滿足，則換道車輛保持v本，前，直至滿足條件a)時執行換道。待換道完成后，換道車輛以最大加速度aa加速至v旁，末。

有益效果：

與現有技術相比，本發明的特點在于：

本發明特別針對智能網聯汽車發展第三階段，即有條件的自動駕駛條件下，高速公路上的大多數車輛以隊列方式協同行駛的狀況，更適用于車聯網發展的進程；

本發明針對車輛因特殊交通狀況而必須盡快換道的非強制換道問題，使得車輛的換道過程能夠最大限度的減小對其他車輛的影響，在此基礎上盡可能最快地實現換道，且保證換道的迅速、安全。

附圖說明

圖1是控制流程圖；

圖2是一般情況下雙車道高速公路實施例初始狀態；

圖3是雙車道高速公路實施例示意圖。圖3-(a)是無前車也無后車的實施例圖；圖3-(b)是有前車但無后車的實施例圖；圖3-(c)是無前車但有后車，且換道車輛換至旁道車隊前方的實施例圖；圖3-(d)是無前車但有后車，且換道車輛換至旁道車隊后方的實施例圖；圖3-(e)是有前車也有后車的實施例圖。

具體實施方式

下面結合具體實施方式，進一步闡明本發明，應理解下述具體實施方式僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。

實施例1：

本實施例基于以下假設：

(1)實施例處于車車互聯的高速公路車聯網環境下，各車輛間以專用短程通信(不妨以dsrc為例)技術進行連接，通信范圍為300米，可相互實時交換車輛狀態信息；

(2)信息傳輸和處理的速度足夠快，可視為瞬間完成，過程中數據丟包及傳遞、處理延遲可忽略；

(3)車輛可根據控制策略進行精確的加速、減速操作，并嚴格遵守安全間距條件；

(4)車輛換道過程所需時間不可忽略，但其速度的縱向分速度近似等于其速度；

(5)在高速公路上行駛的大部分車輛以隊列形式行駛，且車輛之間縱向距離不小于安全間距。

圖1為車車聯網環境下的車輛換道組織控制流程圖。雙車道高速公路情境的實施例場景見圖2，圖中車輛1為需要進行換道的車輛，其附近可能會存在慢速行駛的前方車輛隊列(圖中車輛2與車輛3)、將要換到的車道上的車輛隊列(圖中車輛4、5、6、7，且7為旁道車隊上的末車)。車輛1以速度v1行駛，前方車輛隊列以速度v2行駛，相鄰車道上的車輛隊列以v3行駛。這些車輛遵從最大加速度aa及最大減速度ad。第i輛車相對于道路某一參考點的縱向距離為xi。

1)車輛1-7均可實時相互無障礙的進行實時數據交換，數據交換內容包括車輛位置、行駛速度、加速度、車輛駕駛行為(如換道、跟馳)等信息。其中，車輛位置包括車輛所在車道、以及對應于某一的參考點沿高速公路中央分隔帶方向的橫、縱向距離。這些車輛均嚴格遵守一定的交通規則，如高速公路最高限速vmax，最低限速vmin，最大加速度aa,最大減速度ad,最小安全間距hsafe等，車輛2-3、車輛4-7均以車隊形式跟馳行駛，在車隊中的車輛速度相等且通過車車聯網以相同速度協同行進，且相互的車頭間距不小于安全間距。

2)當車輛1有非強制換道需求時，車輛1向附近車輛發出請求，獲取其他車輛位置、速度等信息。非強制換道為車輛1為意圖改善車輛行駛狀態，而前方車輛行駛速度較低時換至交通狀態較好的旁道行駛的行為，即v2≤v1,且v3>v2。

3)根據車輛通信范圍內不同的交通狀態進行判斷，若旁道上無車，即前后300米范圍內不存在車輛4-7，如圖3(a),則可直接換道；若旁道則上有前車而無后車，即前后300米范圍內僅有車輛4、5而無車輛6、7，則進入步驟3-1)；旁道上無前車而有后車，即前后300米范圍內僅有車輛6、7而無車輛4、5，則進入步驟3-2)；若旁道上有前車也有后車，即前后300米范圍內存在車輛4-7，則進入步驟3-3)。其中，車輛5為旁道上縱向位置在車輛1前方，且距離車輛1最近的車輛，即旁道前車；車輛6為旁道上縱向位置在車輛1后方，且距離車輛1最近的車輛，即旁道后車；車輛7為旁道上縱向位置在車輛1后方，且位于所在車隊隊末的車輛，即旁道末車。

3-1)如圖3(b),僅有車輛4、5而無車輛6、7，對車輛1及車輛5的狀態進行判斷：

①若v3≥v1且x5-x1≥hsafe，則立即執行換道；

②若v3≥v1且x5-x1<hsafe，則車輛1以最大減速度ad進行減速，當達到以下條件之一時車輛1停止加速：

a)車輛1達到高速公路最低限速vmin；

b)車輛1與車輛5達到安全間距。

若條件b)先滿足，即在x5′-x1′＝hsafe時，車輛1停止減速并執行換道；若條件a)先滿足，則車輛1保持vmin，直至滿足條件b)時執行換道。待換道行為執行完畢后車輛1以最大加速度aa加速至v3。

③若v3<v1，則車輛1以最大減速度ad減速至v3。在車輛1減速至v3后，重新執行步驟3-1)。

3-2)如圖3(c)，即僅有車輛6、7而無車輛4、5，則若v3≤v1且x1-x6≥hsafe，則車輛1立即執行換道；否則，進入步驟3-3)。

3-3)在此步驟中，車輛1原則上需要繼續跟馳車輛3，等待車輛7超過自己后方可考慮換道，如圖3(d)或圖3(e)。首先對車輛1的速度v1、車輛2的速度v2及車輛4-7的速度v3進行判斷。由于為改善車輛行駛狀態的非強制換道，則v3必大于v2，且v1必不小于v2。若v2＝v1<v3，則轉入步驟3-4)；若v2<v1<v3，則轉入步驟3-5)；若v2<v3≤v1，則轉入步驟3-6)。

3-4)在此步驟中，車輛1正常跟馳車輛3。當車輛7行駛至車輛1前方安全距離外，即x7′-x1′＝hsafe時，車輛1即可執行換道，待換道行為執行完畢后以最大加速度aa加速至v3。

3-5)在此步驟中，車輛1速度大于車輛3速度但小于車輛7速度。此時，在車輛7行駛至車輛1前方安全距離外時進行換道。在換道前，車輛1需要與車輛3、車輛7均保持安全距離，即x7′-x1′＝hsafe且x3′-x1′≥hsafe。

①若車輛1可以繼續保持速度v，則要想在時間t后換道，需要以下不等式組有解：

當以上不等式組有解時，車輛1在時刻執行換道；否則，車輛1需要減速方可安全進行換道，執行步驟②；

②若①中的不等式無解，則需要車輛1以最大減速度ad進行減速，直至滿足以下兩個條件之一：

a)車輛7行駛至車輛1前方安全距離外，即x7′-x1′＝hsafe；

b)速度與車輛2速度相等，即v1′＝v2。

若條件a)先滿足，則車輛1在滿足條件時停止減速并執行換道；若條件b)先滿足，則車輛1停止減速并保持v2，直至滿足條件a)時執行換道。待換道完成后，車輛1以最大加速度aa加速至v3。

3-6)在此步驟中，車輛1速度大于車輛7速度。則車輛1需要先以最大減速度ad減速至一個小于車輛7速度的速度，即v1′<v3，方可保證車輛7超過車輛1。在滿足以下條件之一車輛1時停止減速：

a)車輛7行駛至車輛1前方安全距離外，即x7′-x1′＝hsafe；

b)車輛1減速至車輛3速度，即v1′＝v2。

若條件a)先滿足，則車輛1在滿足條件時停止減速并執行換道；若條件b)先滿足，則車輛1停止減速并保持v2，直至滿足條件a)時執行換道。待換道完成后，車輛1以最大加速度aa加速至v3。

應當指出，上述實施實例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定，這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。本實施例中未明確的各組成部分均可用現有技術加以實現。對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。