基于多傳感器融合的換道預(yù)警模型研究*

楊明亮，寇勝杰，蘆 勇，于春磊，江 昆，楊殿閣

（1.清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院，北京 100084； 2.聯(lián)創(chuàng)汽車電子有限公司，上海 201206）

前言

換道預(yù)警核心內(nèi)容包括車輛行駛環(huán)境感知和換道預(yù)警模型。環(huán)境感知傳感器的配置要考慮感知效果、實(shí)際需求和成本等因素，因此配置方案具有不確定性。晏曉娟［1］使用相機(jī)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，李尊［2］采用毫米波雷達(dá)獲取周圍車輛的狀態(tài)信息，王彥等［3］采用前后兩個(gè)激光雷達(dá)感知行駛環(huán)境，朱愿［4］采用相機(jī)和雷達(dá)等傳感器感知環(huán)境信息，Gao等［5］基于視覺和激光雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)分類。然而，傳感器種類和數(shù)量不足會(huì)造成復(fù)雜環(huán)境下數(shù)據(jù)丟包、數(shù)據(jù)更新延遲等問題。針對(duì)換道預(yù)警模型的研究，黨睿娜等［6］采用安全距離換道模型并假設(shè)自車勻速或者加速換道，Jin等［7］和葛如海等［8］假設(shè)換道過程中自車勻加速，加速度由期望車速與換道時(shí)間確定。這些研究并沒有結(jié)合場(chǎng)景真實(shí)影響因素，導(dǎo)致虛報(bào)警、重復(fù)報(bào)警和延遲報(bào)警。Xie等［9］使用交互式多模型綜合物理和機(jī)動(dòng)方法進(jìn)行車輛換道軌跡的預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了短期內(nèi)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和長(zhǎng)期內(nèi)更高層次的預(yù)測(cè)，但僅限于在自然駕駛數(shù)據(jù)集上的預(yù)測(cè)，并未進(jìn)行實(shí)車實(shí)驗(yàn)。

為此，本文中基于多傳感器融合優(yōu)化換道安全距離模型，分析了基于最小安全距離（minimum safety spacing，MSS）和碰撞時(shí)間（time to collision，TTC）的換道決策機(jī)制，優(yōu)化了換道安全距離模型，開發(fā)了基于最小安全距離和碰撞時(shí)間的換道預(yù)警系統(tǒng)并進(jìn)行實(shí)車實(shí)驗(yàn)。

1 基于多傳感器融合的換道預(yù)警模型構(gòu)建邏輯

多傳感器的配置、融合并進(jìn)行環(huán)境感知是換道預(yù)警模型構(gòu)建和決策機(jī)制的基礎(chǔ)，換道預(yù)警模型構(gòu)建邏輯如圖1所示。車道線檢測(cè)模塊獲取道路的曲率、距離和寬度等信息；車載GPS和慣性測(cè)量單元（inertial measurement unit，IMU）的融合精確得到自車的位置和運(yùn)動(dòng)信息；目標(biāo)信息融合模塊借助長(zhǎng)距和側(cè)向毫米波雷達(dá)、相機(jī)、激光雷達(dá)等手段感知換道駕駛環(huán)境的多維信息?；诙鄠鞲衅魅诤闲畔㈤_發(fā)了換道預(yù)警模型，換道過程中自車加速度的確定考慮了自車速度、與他車相對(duì)距離和相對(duì)速度等因素的影響，有效地提升了換道預(yù)警的準(zhǔn)確性和駕駛的舒適感。

圖1 基于多傳感器融合的換道預(yù)警模型邏輯

2 換道預(yù)警模型構(gòu)建的感知信息基礎(chǔ)

采用的駕駛實(shí)驗(yàn)平臺(tái)集成了激光雷達(dá)、相機(jī)、長(zhǎng)距毫米波雷達(dá)、側(cè)向毫米波雷達(dá)、差分GPS和IMU。將多類傳感器集成到統(tǒng)一的駕駛實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，完成不同傳感器的標(biāo)定和融合，為車道線檢測(cè)、自車狀態(tài)和他車狀態(tài)獲取奠定了基礎(chǔ)。不同類型傳感器性能如表1所示。

多傳感器的融合集中了各種傳感器的優(yōu)勢(shì)，提升了環(huán)境感知的精度和穩(wěn)定性，以此為基礎(chǔ)，本文中開發(fā)以下基礎(chǔ)模塊。

（1）車道線檢測(cè)。采用相機(jī)和基于模型的車道線檢測(cè)算法，包含車道線的提取、擬合、追蹤和去偽4個(gè)模塊，提升了車道線檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

（2）通過IMU和差分GPS的融合，實(shí)現(xiàn)自車狀態(tài)信息的獲取，其中差分GPS可實(shí)時(shí)進(jìn)行車輛位置的高精度感知；IMU可實(shí)時(shí)采集車輛行駛的加速度和航向角，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)直接積分出局部軌跡。將差分GPS和IMU融合后進(jìn)行綜合定位可以獲取融合的、實(shí)時(shí)的、精度高的車輛定位信息。

表1 不同類型傳感器性能

（3）他車狀態(tài)信息的獲取由長(zhǎng)距與側(cè)向毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)等傳感器的融合和目標(biāo)信息的融合完成。經(jīng)過目標(biāo)信息融合，不同類型傳感器給出的目標(biāo)信息不斷創(chuàng)建并更新航跡，通過ROS callback的方式，不斷串行維護(hù)航跡，為換道預(yù)警的實(shí)時(shí)決策與控制提供參考。目標(biāo)信息融合的流程如圖2所示。

圖2 目標(biāo)信息融合的邏輯流程圖

3 基于多傳感器融合的換道預(yù)警模型構(gòu)建

3.1 換道場(chǎng)景分析

圖3示出換道場(chǎng)景中自車V0、目標(biāo)車道后車V1、目標(biāo)車道前車V2和同車道前車V3的分布。換道過程中，自車駕駛員對(duì)前車的觀察視野較好，不易發(fā)生碰撞，因此本模型針對(duì)的換道危險(xiǎn)場(chǎng)景包括V0被V1追尾碰撞、V0與 V2側(cè)向追尾碰撞。a0，a1，a2，a3分別為車輛 V0，V1，V2和 V3的加速度；v0，v1，v2，v3分別為車輛 V0，V1，V2和 V3的速度；d0，d1，d2，d3分別為車輛 V0，V1，V2和 V3與車道線的橫向距離；s1，s2，s3分別為車輛 V0與 V1，V2和 V3的縱向距離。

圖3 換道安全距離模型參數(shù)

換道過程包含換道進(jìn)行與跟車調(diào)整兩個(gè)階段。對(duì)整個(gè)換道場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)行為做如下假設(shè)：

（1）周圍車輛在換道過程中按當(dāng)前速度勻速行駛，自車換道考慮自車速度、自車與目標(biāo)車的相對(duì)距離和相對(duì)速度等因素，并以此確定加速度完成換道，換道完成后勻速行駛；

（2）換道完成瞬間，周圍車輛開始進(jìn)行跟車調(diào)整，即車速高于自車時(shí)進(jìn)行制動(dòng)減速，兩車相對(duì)靜止時(shí)，相對(duì)距離最小，稱為碰撞臨界時(shí)刻；

（3）碰撞臨界時(shí)刻車輛的相對(duì)距離應(yīng)大于心理安全距離。

根據(jù)以上假設(shè)，對(duì)周圍的3輛車分別進(jìn)行碰撞分析。各車時(shí)間上的狀態(tài)變量如圖4所示。

圖4 換道過程時(shí)間節(jié)點(diǎn)

3.2 換道距離模型

考慮到換道過程中影響自車加速的真實(shí)場(chǎng)景因素，構(gòu)建了自車加速度模型：

式中：Δd和Δv分別為自車與目標(biāo)車的相對(duì)距離和相對(duì)速度；k1，k2，k3，k4為修正系數(shù)。與前車的相對(duì)距離越小，駕駛員換道加速度越小；與前車相對(duì)速度越大，駕駛員換道加速度越??；自車速度較高時(shí)，換道加速度較小。當(dāng)前方?jīng)]有車輛時(shí)，為保證換道加速度的計(jì)算，在車前200 m處設(shè)置一個(gè)與自車相同速度的虛擬車。

3.2.1 目標(biāo)車道后車V1換道完成時(shí)刻，兩車的相對(duì)距離s′1為

若v1≤v0+a0tc，則換道開始時(shí)刻兩車相對(duì)距離s′1最小，且滿足 s′1＞s0，其中 s0表示換道過程中的心理安全距離。得到最小換道安全距離為

若v1＞v0+a0tc，則后車進(jìn)行跟車調(diào)整，當(dāng)兩車車速相等時(shí)為最小相對(duì)距離s″1，即

式中：a1b為后車制動(dòng)的加速度；τreaction為制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間，包括駕駛員反應(yīng)時(shí)間 τdriver和制動(dòng)系統(tǒng)延時(shí)τbrake；tb為制動(dòng)到兩車車速相等的時(shí)間，且滿足 s″1＞s0。此時(shí)刻最小換道安全距離為

3.2.2 目標(biāo)車道前車V2

當(dāng)換道完成時(shí)，兩車的相對(duì)距離s′2為

一般而言，換道完成時(shí)前車的車速應(yīng)大于自車車速，否則換道達(dá)不到提高駕駛效率的目的。此時(shí)，換道完成時(shí)兩車相對(duì)距離 s′2最小，且滿足 s′2＞s0+v0tc。此時(shí)的最小換道安全距離s2min為

若換道完成時(shí)前車車速小于自車或在制動(dòng)減速，自車經(jīng)過一定的反應(yīng)時(shí)間后也應(yīng)制動(dòng)以避免碰撞，假設(shè)兩車同時(shí)以最大制動(dòng)減速度減速，則兩車都靜止時(shí)相對(duì)距離s″2為

式中：am為最大制動(dòng)減速度，取-7 m/s2。此時(shí)兩車縱向距離應(yīng)大于0，即s″2＞0，得到換道安全距離為

3.3 換道決策邏輯

參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 17387—2008中的 C型系統(tǒng)，在距離碰撞時(shí)間小于3.5 s時(shí)，系統(tǒng)一定要給出預(yù)警。對(duì)于側(cè)后方30 m外的車輛，距離碰撞時(shí)間大于7.5 s時(shí)，不建議給預(yù)警。而對(duì)于在自車周圍3 m內(nèi)的目標(biāo)，需要給出盲區(qū)預(yù)警?；谂鲎矔r(shí)間為TTC、兩車相對(duì)距離為s、兩車最小安全距離為smin制定如下?lián)Q道預(yù)警規(guī)則：

（1）當(dāng)s＜3 m時(shí)，發(fā)出盲區(qū)預(yù)警；

（2）當(dāng) 3 m≤s＜30 m時(shí)，如果 s＞smin，則不發(fā)預(yù)警；如果s≤smin，則發(fā)出換道預(yù)警；

（3）當(dāng) s≥30 m，如果 TTC＞7.5 s，或 TTC≤7.5 s且 s＞smin，則不發(fā)預(yù)警；如果 TTC≤7.5 s且 s≤smin，則發(fā)出換道預(yù)警。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)分析

4.1 仿真

在Matlab中仿真自車與目標(biāo)車道后車、目標(biāo)車道前車的安全距離，對(duì)比不同加速度和相對(duì)車速下的換道安全距離，驗(yàn)證加速度、速度和換道安全距離的內(nèi)在關(guān)系，結(jié)果如圖5所示。

圖5 換道安全距離和相對(duì)速度在不同車速下的關(guān)系

當(dāng)目標(biāo)車在自車側(cè)后方，自車速度越大，與目標(biāo)車的相對(duì)速度越大，因此減速換道需要的換道安全距離最大。自車速度大于后車速度時(shí)，只需兩車相對(duì)距離大于s0；當(dāng)自車車速小于后車車速時(shí)，相對(duì)速度與換道所需的最小安全距離正相關(guān)。減速換道時(shí)，與后車的碰撞風(fēng)險(xiǎn)增加，換道安全距離增大。

當(dāng)目標(biāo)車在自車側(cè)前方時(shí)，自車速度越大，與目標(biāo)車的相對(duì)速度越大，因此加速換道需要的換道安全距離最大。當(dāng)自車車速小于前車時(shí)，相對(duì)速度絕對(duì)值越大，碰撞風(fēng)險(xiǎn)越??；當(dāng)自車車速大于前車時(shí)，相對(duì)速度越大，碰撞風(fēng)險(xiǎn)越大，換道安全距離相應(yīng)越大。

4.2 實(shí)車實(shí)驗(yàn)

4.2.1 實(shí)車實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

在不同車速、初始距離和相對(duì)車道位置場(chǎng)景下進(jìn)行4種側(cè)后方目標(biāo)車高速超自車和4種自車超側(cè)前方目標(biāo)車共8種場(chǎng)景工況測(cè)試。測(cè)試場(chǎng)景如表2所示。

表2 測(cè)試場(chǎng)景

4.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示

當(dāng)右后方車輛高速接近，與前車間距小于系統(tǒng)設(shè)置的最小換道安全距離，會(huì)對(duì)向右換道造成威脅，系統(tǒng)給出預(yù)警；當(dāng)與右前方車輛距離較近，自車向右換道后存在追尾風(fēng)險(xiǎn)，車輛間距小于系統(tǒng)設(shè)定的最小換道安全距離，系統(tǒng)也會(huì)給出預(yù)警。不同場(chǎng)景下的預(yù)警如圖6所示。預(yù)警界面中方框表示車道，左側(cè)方框中的方塊表示自車，右側(cè)方框中的圓點(diǎn)表示目標(biāo)車，若有預(yù)警產(chǎn)生，則對(duì)應(yīng)的車道矩形框會(huì)發(fā)生顏色變化，由于傳感器故障原因，本文中只有14組實(shí)驗(yàn)有效，且全部給出正確預(yù)警。

不同實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)初次預(yù)警時(shí)兩車的縱向距離和換道安全距離如圖7所示，系統(tǒng)均能在實(shí)際相對(duì)距離小于換道安全距離時(shí)給出預(yù)警。

初次預(yù)警時(shí)刻的TTC和換道安全距離對(duì)應(yīng)的TTC如圖8所示。實(shí)際測(cè)試中預(yù)警TTC比模型設(shè)計(jì)值略小，偏差均值為0.24 s，這是由系統(tǒng)的離散性導(dǎo)致的。ISO 17387—2008標(biāo)準(zhǔn)中要求換道預(yù)警系統(tǒng)的延遲不大于0.3 s，本文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

考慮到換道過程中的真實(shí)場(chǎng)景因素，本文中優(yōu)化了換道預(yù)警模型，并與勻速、勻加速換道模型在不同場(chǎng)景下進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果如圖9和圖10所示。選取不同場(chǎng)景中典型實(shí)驗(yàn)對(duì)比了3種模型下實(shí)際縱向距離與預(yù)警距離的變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖11所示。

圖6 實(shí)車實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)警

圖7 預(yù)警距離和模型安全距離的關(guān)系

圖8 預(yù)警TTC和模型TTC的關(guān)系

圖9 側(cè)后方目標(biāo)車超自車場(chǎng)景TTC和換道安全距離在不同加速度換道模型下的對(duì)比

圖10 自車超側(cè)前方目標(biāo)車場(chǎng)景TTC和換道安全距離在不同加速度換道模型下的對(duì)比

圖11 典型實(shí)驗(yàn)安全距離在不同加速度換道模型下的對(duì)比

在側(cè)后方目標(biāo)車高速超自車場(chǎng)景中，圖9顯示相同測(cè)試條件下本模型TTC和安全換道距離總體比勻速換道模型小，比勻加速換道模型大。在加速換道模型中，兩組實(shí)驗(yàn)預(yù)警時(shí)刻TTC小于ISO標(biāo)準(zhǔn)中的最小值3.5 s，換道行為更為激進(jìn)，換道碰撞風(fēng)險(xiǎn)高，換道模型安全性不足；勻速換道模型相對(duì)保守，換道安全距離和預(yù)警時(shí)間較大，會(huì)造成換道預(yù)警的安全性和準(zhǔn)確性不足。因此，本文優(yōu)化的換道模型更合理，同時(shí)兼顧了安全性和準(zhǔn)確性。

在自車超側(cè)前方目標(biāo)車場(chǎng)景中，圖10顯示本模型比勻速模型和勻加速模型的TTC和預(yù)警距離小，且3個(gè)模型都滿足了標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng)自車加速或勻速換道時(shí)，自車速度越大，與目標(biāo)車的速度絕對(duì)值越大，TTC和預(yù)警距離越大，因此加速換道的TTC和預(yù)警距離最大。本文優(yōu)化后模型的TTC和預(yù)警距離最小，表明該模型預(yù)警出現(xiàn)更晚，能夠有效防止虛報(bào)警和誤報(bào)警，提升報(bào)警的準(zhǔn)確性。

在側(cè)后方目標(biāo)車超自車和自車超側(cè)前方目標(biāo)車場(chǎng)景下的典型實(shí)驗(yàn)中，圖11顯示實(shí)際縱向距離和預(yù)警距離曲線相交時(shí)會(huì)給出預(yù)警，且采樣幀數(shù)代表預(yù)警時(shí)間，幀數(shù)越大，報(bào)警越晚。圖中顯示的報(bào)警距離和TTC與圖9和圖10結(jié)果一致，驗(yàn)證了優(yōu)化后模型在報(bào)警安全性和準(zhǔn)確性方面的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

基于多傳感器融合可獲取更全面準(zhǔn)確的車道線信息、自車狀態(tài)信息和他車狀態(tài)信息，并以此為基礎(chǔ)在換道過程中設(shè)計(jì)自車加速度時(shí)考慮了自車速度、自車和目標(biāo)車相對(duì)距離及相對(duì)速度因素，完善了換道預(yù)警模型并提出基于換道安全距離和TTC的換道決策規(guī)則。通過仿真和實(shí)車實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性。相對(duì)于自車勻速換道、勻加速換道模型，本文優(yōu)化后的模型安全距離和TTC更加高效靈敏，滿足道路高效使用和駕駛員的實(shí)際操作需求。該模型重點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)車實(shí)驗(yàn)，不同場(chǎng)景下的實(shí)車實(shí)驗(yàn)均給出了合理的預(yù)警，體現(xiàn)了多傳感器融合和優(yōu)化后模型的優(yōu)勢(shì)。今后模型優(yōu)化還需要進(jìn)一步考慮他車與自車動(dòng)態(tài)信息的相互影響。