自动换道系统最小安全距离研究*
吴杭哲 刘斌 刘枫130011） （中国第一汽车集团有限公司智能网联开发院，长春 【摘要】针对自动换道系统中最小安全距离模型的构建，分别提出了弯道工况下具有代表意义的最小安全距离模型和基于车辆极限运动关系的最小安全距离模型，建立相应模型进行分析，并以红旗H7轿车仿真模型为基础，对所提出的模型进行了对比，得出基于弯道的最小安全距离模型的潜在事故风险较极限运动关系模型高，但后者换道的次数明显少于前者，自动驾驶车辆行驶效率降低，可能导致用户对自动驾驶功能的体验较差。 主题词：智能车 自动换道 最小安全距离U461 A 10.19620/j.cnki.1000-3703.20181009中图分类号： 文献标识码： DOI: Research on the Minimum Safety Distance of Automatic Lane Change System Wu Hangzhe, Liu Bin, Liu Feng Intelligent Connected Vehicle Development Institute of China FAW Group Co., Ltd., Changchun 130011） （ Abstract To construct the minimum safety distance of automatic lane change system, A minimum safety distance【 】model is proposed typical in curve operation and a minimum safety model based on vehicle extreme motion relationship separately, the two models based on Hongqi H7 limousine simulation model are analyzed and compared, and minimum safety distance model operating in curve has higher accident risk potential than the extreme motion relationship model, but the later has less lane change maneuver and lower efficiency in automatic driving, which results in poor experience of the customer in automatic driving. Key words: Intelligent vehicle, Automatic lane changing, Minimum safety distance
1 前言
红旗轿车是国内最早一批实现智能网联功能产品
2013
化的整车品牌：早在 年就率先推出了具备自动紧急
Automatic Emergency Braking，AEB）
制动（ 、自适应巡航
Adaptive Cruise Control，ACC） L1
控制（ 等 级自动驾驶功
H7；2018 L2
能的产品红旗 年即将推出具备 级自动驾驶
Auto Parking Assist，APA）
功能的产品，如全自动泊车（ 、
Super Adaptive Cruise Control，
高级自适应巡航控制（
SACC） 2020 L3
等； 年，搭载 级自动驾驶功能的红旗汽车将具备高速公路自动驾驶和拥堵自动驾驶两项代表性
L3
功能。其中，自动换道功能开发将是 级自动驾驶实
Mobileye
现的关键路径。著名的图像处理公司 专门针
Responsibility Sensi⁃
对安全距离提出了责任敏感安全（
tive Safety，RSS）
模型，并将其作为公司未来重点技术之
Autopilot 2017
一进行部署。特斯拉 曾在 年宣布推出自
L3
动换道功能，但至今仍未实现。究其原因，作为 级自动驾驶代表性技术的自动换道的面市，需攻克两个重要问题：包含换道时机及安全策略等在内的自动换道逻辑设计；自动换道实施过程中的规划和跟踪方法实现。
本文针对自动换道逻辑设计进行研究。换道时机设计的关键是车辆换道过程中的最小安全距离，国内外的研究大多只考虑了直线道路车辆换道的最小安全距离模型。车辆换道时应首先检测车辆行驶的周围环境，检查是否有其他车辆或障碍物影响车辆的换道行为，如果车辆周围有静态或者动态物体，应检测出车辆与物体
[1]
间的实时距离。文献 考虑车辆与前方的慢车是否有足够的换道距离，向左或者向右能否实现换道，当满足
[2]
这两个条件时才实施换道行为；文献 考虑车辆与前、后紧邻车辆之间的距离，在此距离内进行安全换道所需
的加速度能否满足车辆的稳定性和舒适性要求，若满足
[3] [4]
则进行安全换道；文献 、文献在单向双车道环境下，考虑直线道路上车辆换道时的运动轨迹，分析为避免发生碰撞，安全换道时最小安全距离的临界值，以此界定换道距离的安全区域和非安全区域。但工程开发实践中，基于简单的直线道路安全距离模型无法涵盖车辆间复杂的位置关系和交通状况，为此，本文构建了两种安全距离模型：弯道工况最小安全距离模型，需要充分考虑道路曲率特点以及在本车换道前预估的碰撞风险情况；极限行驶工况最小安全距离模型，综合考虑两车极限运动条件以及本车换道过程中存在碰撞风险的
H7
情况。最后，在红旗 轿车仿真模型上对比上述模型与传统直线道路上车辆换道最小安全距离模型，证明了模型的有效性。
2 弯道工况最小安全距离模型2.1 模型的建立
现有研究中针对直线道路双车道已搭建了换道最
1小安全距离模型[3]，车辆换道环境模型如图 所示，其中
C0 C3 C4 C2为换道车辆， 与 分别为初始车道前、后车辆， 与
C1 [3]分别为目标车道前、后车辆。文献 中以避免发生碰
4撞的临界条件为基础，推导换道车辆与周围紧邻的 辆S( 0) S( 0) S( 0) S( 0)车的最小安全距离 、、、
C3 C4 C2 C1，即为避免
C0换道过程中发生任何形式的碰撞，换道初始时刻 与其他车辆的最小距离。 为模拟高速公路场景，本文在此基础上构建了车辆2
曲率换道模型，如图 所示。该模型的基本前提是假设两条车道的中心线具有相同的瞬心，设外侧车道的曲率半径为R，车道间距为d。 车辆换道时，初始车道前、后车辆与目标车道前、后
C0
车辆对换道车辆影响最为直接。设 为要进行换道的
C1 C2
车辆，在初始车道上； 和 分别为目标车道上，换道结
C0 C3 C4
束后在 后方、前方的紧邻车辆； 和 分别为换道前
C0
在 前、后方的紧邻车辆。考虑到交通事故成因中侧面碰撞是仅次于正面碰撞的事故形态，占比较高，为此，
C1 C2， C3
本文将换道过程中研究对象锁定为 和 将 主要
AEB C4 C0
纳入 系统考虑范畴， 可能与 发生追尾事故时，
C4 C0
可由 采取制动或紧急制动措施，对 一次换道行为
C0
的规划与控制影响较小，关于 未完成换道需要返回本车道的情况本文暂不考虑。
2.2 C0与C2最小安全距离模型的建立
C2 C0 3 C0 C2
与 发生碰撞的位置关系如图 所示， 在 后方可能发生的碰撞类型包括斜向碰撞、斜向刮擦或追尾
C0
碰撞[5]， 的左前角首先经过AB 并与C2
交于点C，在点
C0 C0 C2
C处或 经过点C后， 可能与 发生碰撞。
C0 C2考虑到可能的碰撞形式， 与 不发生碰撞的条件为： ∫∫
l( t) = l2( 0) + t τ ( aC2 - aC0) dτdt +
C2 C2 0 0 1） （
( VC2( 0) - ( 0) ) - > 0
V tL
式中，刻C2与l2( C0 0)沿内车道的圆弧距离， C2、l(t) C2分别为初始时刻和换道过程中任意时x C0在C2后方时为正，反V
之为负；为C2的初始速度； Vx( 0)为C0 aC2的初始速度；为C2 aC0为C0的加速度； C2( 0)的加速度； L为车身长度。
由图3，根据几何关系可得：
l1( 0)
l2( 0) = C2 ( R - d) （ 2）
C2 R l1( 0) C2 C0
式中， 为初始时刻 与 沿外车道的圆弧距离。
C2 C0 C2
整理得， 和 初始时刻沿圆弧的安全距离满足： ∫∫ l2( 0) ≥ t τ ( aC0 - aC2) dτdt +( V ( 0) - VC2( 0) ) tL + （ 3）
C2 0 0 x
值为：因此，为避免发生碰撞，初始时刻圆弧距离最小ë∫ ∫ ) t τ (
C2min 0 0 4） （
( V ( 0) - VC2( 0) ) tL + ] x
C0 C2根据几何关系可知，换道初始时刻 与 的最小安全距离为： (
ì +( - - 2R( - cosϕ) , l2( 0) ≥ 0
2 12
R2 R d) R d) ïï
S( 0) = C2
5） í （
ïï -( +( - - 2R( - cosϕ) , l2( 0) < 0
2 12
R2 R d) R d)
î C2
C2 C0
式中， ϕ为初始时刻 与 沿内车道的圆弧所对应的
l2( 0)
圆心角，可以由 表示为：
C2
l2( 0)
= -
ϕ 6） C2 （
Rd
ΔS= l∞( 0)- S( 0)当道路曲率不为零时，记 为直线道路与弯曲道路最小安全距离的相对差值。
S( 0)
可以看出， 与两车初始时刻相对速度、相对加速度、换道时间、弯道曲率有关。
2.3 C0与C1最小安全距离模型的建立
C1
与上述分析相似， 为换道结束后目标车道上位于
C0 C0 C1
后方的车辆，考虑 与 发生碰撞的情况，位置关系
4
如图 所示。
C0 C1 C1 C0
要求在换道结束后 在 前方， 的初始速度较大，两车可能发生侧碰和追尾。换道过程中，为避免发生侧碰，两车距离应满足： ∫∫ l( 0) = l2( 0) + t τ ( aC0 - aC1) dτdt + C1 C1 0 0 7） （ ( ( 0) - VC1( 0) ) - cosθ > 0
V tL x
l2( 0) l(t)
式中， 、 分别为初始时刻和换道过程中任意时
C1 C1
C1 C0 VC1( 0) C1
刻 与 沿内车道的圆弧距离； 为 初始速度； aC1
C1 C0
为 沿道路的加速度； θ 为 速度方向与车道切线方向所形成的夹角。为避免发生追尾，两车距离应满足： ∫∫ 0) = l2( 0) + t τ ( l( aC0 - aC2) dτdt +
C1 C1 0 0 8） （ ( ( 0) - VC1( 0) ) - > 0
V tL x l(t) 8）
可以看出，当 满足式（ 时，即可避免任何形式
C1
的碰撞，故初始时刻两车沿圆弧距离满足： ∫∫ l2( 0) ≥ t τ ( aC1 - aC0) dτdt +( VC1( 0) - ( 0) ) + 9）
V tL （
C1 0 0 x
因此，为避免发生碰撞，初始时刻圆弧距离最小 值为：
ë∫ ∫
l2( 0 ) = max t τ ( aC1 - aC0) dτdt + C1min 0 0 10） （ ]
( VC1( 0) - ( 0) ) +
V tL x C0 C1根据几何关系可知， 与 的最小安全距离为： ( ì +( - - 2R( - cosσ) , l2( 0) ≥ 0 2 12
R2 R d) R d) ïï 0) = C1 S( 11） í （ ïï -( +( - - 2R( - cosσ) , l2( 0) < 0 2 12
R2 R d) R d) î C1 式中， σ为初始时刻AB所对应的圆心角，可以由l2( 0) C1表示：
l2( 0)
12） σ = - C1 （ Rd
C1 C2 C2 C0
另外， 与 均为相邻车道上的车辆，因此 与 、C1 C0
与 在直线道路上的换道安全距离和弯路换道安全距离的差值有相同的变化规律。
3 极限行驶工况最小安全距离模型
在上述讨论过程中，两车的运动状态均作了一定的限制和假设，并未考虑两车极端情况下的安全问题，本文分别从纵向和横向两个角度分析车辆极限行驶的安全要求。
3.1 纵向行驶极限工况
5 0
纵向行驶的极限情况如图 所示。假设车辆 和车
1 ′
辆 存在碰撞风险，在采取措施的t0时刻前，车辆1 0
以其当前状态下可行驶的最大加速度a0xmax加速行驶，在 t0后，前车以最大减速度d1xmax进行紧急制动，而本车执行最小减速度d0min制动，当达到两车接触点C时，纵向距
0， 0
离恰好为 且纵向速度也为 。 0 1
设车辆 和车辆 的初始速度分别为V0x和V1x，则车
0 1
辆 和车辆 极限工况下纵向安全距离为：
(V0x 2 2
12 2d0x 2d1x 13） + a0x maxt0) -V slongi_ min = V0x t0 + a0x maxt2 0 +
1x （
min max
3.2 横向行驶极限工况
0 1
假设车辆 与车辆 存在碰撞风险，横向行驶的极限情况是：在采取措施的t0时刻前，均以最大横向加速度 aymax加速行驶；在t0后，均以最小横向减速度dymin进行
0，制动，当达到两车接触点C时，横向距离恰好为 且横
0
向相对速度也为 。