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CN115171414B - 一种基于Frenet坐标系的CACC跟驰车流控制系统 - Google Patents

一种基于Frenet坐标系的CACC跟驰车流控制系统 Download PDF

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CN115171414B CN202210654935.6A CN202210654935A CN115171414B CN 115171414 B CN115171414 B CN 115171414B CN 202210654935 A CN202210654935 A CN 202210654935A CN 115171414 B CN115171414 B CN 115171414B
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Abstract

本发明提供一种基于Frenet坐标系的CACC跟驰车流控制系统，本发明涉及的是无人驾驶控制、车路协同技术领域，本发明不断地采集自身车辆和前车的位置、距离、车速、加速度等轨迹信息，轨迹变换模块根据笛卡尔坐标系向Frenet坐标系转换，转换后的轨迹信息将输入控制模块的决策单元计算分析出自身车辆当前要保持安全且舒适的跟驰状态与前车所需维持的最小安全距离，下层控制器据此控制调整自身车辆的运行状态。调整后的运行状态信息又将被信息采集模块采集，使自身车辆一直保持安全且舒适的跟驰状态。本发明能准确且高效的解决CACC车辆在多种交通场景和条件下跟车状态的控制决策问题，帮助CACC车辆自动安全的完成驾驶任务。

Description

一种基于Frenet坐标系的CACC跟驰车流控制系统
技术领域
本发明涉及的是无人驾驶控制、车路协同技术领域，特别是涉及一种基于Frenet坐标系的CACC跟驰车流控制系统。
背景技术
车路协同环境下协同自适应巡航控制(cooperative adaptivecruise control，CACC)车辆具备信息互通共享、精确感知周围交通状态、稳定迅速的决策控制功能和特点。相比于普通车辆，CACC车辆能够实现以更小的车间时距跟车行驶。
目前针对CACC车辆跟驰状态的控制算法，使用的坐标系多是笛卡尔坐标系、里程计坐标系、极坐标系等。然而，这些算法实施的过程中，这些坐标系均有一定弊端：(1)基于全局坐标系的算法，轨迹信息受限于局部地图，采样的时效性和模型的拟合受轨迹长度的影响。(2)基于笛卡尔坐标系的算法，效率制约决策系统优化的瓶颈。(3)基于里程计坐标系的算法计算累计误差较大。
Frenet坐标系，是使用表示沿道路距离的变量s和表示道路上左右位置的变量d来描述车辆在道路或参考路径上的位置。使用Frenet坐标系描述车辆的运动轨迹，与车辆的绝对位置无关，仅与道路参考线的选取有关，模型拟合的计算成本会大幅下降，系统的效率和性能也会大幅提升。
发明内容
本发明的目的在于使CACC车辆持续且高效地保持安全舒适的跟车状态，提供了一种基于Frenet坐标系的CACC跟驰车流控制系统。
本发明的目的通过以下技术方案实现：一种基于Frenet坐标系的CACC跟驰车流控制系统，包括如下步骤：
一种基于Frenet坐标系的CACC跟驰车流控制系统，所述系统包括：
信息采集模块，所述信息采集模块采集前车和自身车辆的轨迹信息，所述信息采集模块将采集到的信息传输至轨迹变换模块；
轨迹变换模块，所述轨迹变换模块将轨迹信息根据笛卡尔坐标系向Frenet坐标系转换，得到Frenet坐标系下得轨迹信息；
控制模块，所述控制模块根据Frenet坐标系下得轨迹信息控制调整自身车辆的运行状态，调整后的运行状态信息被信息采集模块不断循环采集，使自身车辆保持安全且舒适的跟驰状态。
进一步地，所述控制模块包括决策单元、上层控制器和下层控制器；所述决策单元根据安全距离模型，计算分析出自身车辆当前要保持安全且舒适的跟驰状态与前车所需维持的最小安全距离，并将此信息输入上层控制器；
所述上层控制器计算出自身车辆当前所需保持的速度、加速度轨迹信息，同时将所需保持的速度、加速度轨迹信息发送给下层控制器，所述下层控制器控制调整自身车辆的运行状态。
进一步地，所述轨迹变换模块将轨迹信息根据笛卡尔坐标系向Frenet坐标系转换具体为：
车辆轨迹在Frenet坐标系和笛卡尔坐标系下的关系变换，在笛卡尔坐标系下，设p(xp，yp)是离轨迹点x(xx，yy)最近的点；则在Frenet坐标系下，点p与点x的纵坐标相等；
CACC车辆的位置、速度轨迹信息输入轨迹转换模块，由笛卡尔坐标系向Frenet坐标系转换通过下式表示：
s＝sp (1)
Figure BDA0003687191820000021
Figure BDA0003687191820000022
d′＝(1-dkp)tan(θx-θp) (4)
Figure BDA0003687191820000023
其中，S为Frenet坐标系下轨迹点x的纵向坐标，sp是Frenet坐标系距离轨迹点x最近的一个点p的纵向坐标，
Figure BDA0003687191820000024
为Frenet坐标系下轨迹点x纵向坐标对时间的导数，表示车辆沿参考线方向的速度，/>
Figure BDA0003687191820000025
为Frenet坐标系下轨迹点x纵向坐标对时间的二阶导数，表示车辆沿参考线方向的加速度，d为Frenet坐标系下轨迹点x的横向坐标，d′为Frenet坐标系下轨迹点x横向坐标对纵向坐标的一阶导数，d″为Frenet坐标系下轨迹点x横向坐标对纵向坐标的二阶导数，θx是笛卡尔坐标系下轨迹点x的方位角，θp是笛卡尔坐标系下点P的方位角，kx是笛卡尔坐标系下轨迹点x的曲率，kp是Frenet坐标系下点p的曲率，υx是笛卡尔坐标系下轨迹点x的速度，ax是笛卡尔坐标系下点x的加速度,kp′是笛卡尔坐标系下点p的曲率kp的导数。
进一步地，所述安全距离模型具体为：
当前车静止时，最小安全距离Sd表示为：
Figure BDA0003687191820000031
当前车运动时，最小安全距离Sd表示为：
Figure BDA0003687191820000032
其中，
Figure BDA0003687191820000033
分别表示Frenet坐标系下当前自身车辆和前车纵向的速度，d自身、d前车分别表示Frenet坐标系下当前自身车辆和前车的横向坐标，d′自身表示Frenet坐标系下当前自身车辆的横向坐标对纵向坐标的一阶导数；s′前车表示Frenet坐标系下当前前车的横向坐标对纵向坐标的一阶导数；/>
Figure BDA0003687191820000034
分别表示Frenet坐标系下当前自身车辆和前车的曲率。
进一步地，上层控制器利用输入的前车位置、距离、车速、以及加速度轨迹信息，通过决策算法得到车辆的目标速度及加速度；
下层控制器根据上层控制器得出的目标速度及加速度控制轮毂电机扭矩及轮速以实现自身车辆的驱动和制动控制，从而达到上层控制期望的目标控制。
有益效果：
本发明提出了一种基于Frenet坐标系的CACC跟驰车流控制系统。本发明将车辆轨迹的Frenet坐标系转换模块嵌套进CACC跟驰控制系统。本发明适用于CACC车辆在人机混合交通流、人工驾驶交通流等多种交通条件下的跟驰状态控制情景，能提高计算效率和减少道路曲率的影响，使CACC车辆持续且高效地保持安全舒适的跟车状态。
附图说明
图1为本发明系统整体结构示意图；
图2为系统启动流程示意图；
图3为车辆轨迹在Frenet坐标系和笛卡尔坐标系下的关系示意图；
图4为控制模块运行流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1至图4，本发明提供一种基于Frenet坐标系的CACC跟驰车流控制系统，所述系统包括：
信息采集模块，所述信息采集模块采集前车和自身车辆的轨迹信息，所述信息采集模块将采集到的信息传输至轨迹变换模块；
轨迹变换模块，所述轨迹变换模块将轨迹信息根据笛卡尔坐标系向Frenet坐标系转换，得到Frenet坐标系下得轨迹信息；
控制模块，所述控制模块根据Frenet坐标系下得轨迹信息控制调整自身车辆的运行状态，调整后的运行状态信息被信息采集模块不断循环采集，使自身车辆保持安全且舒适的跟驰状态。
本发明提出了一种基于Frenet坐标系的CACC跟驰车流控制系统，该系统能准确且高效的解决CACC车辆在多种交通场景和条件下跟车状态的控制决策问题，帮助CACC车辆自动安全的完成驾驶任务；
本发明采用Frenet坐标系作为工作坐标系，在驾驶行为模型的计算中，显著优越于其他坐标系。其减少了道路曲率对轨迹运算优化的影响，简化决策模型的计算过程，提高了模型效率，最终得到的决策结果更加安全、舒适、高效。
本发明的跟驰策略基于CACC控制系统，能显著提高人机混合车队队列的稳定性和安全性，降低追尾碰撞的风险、车辆油耗和排放水平。
所述控制模块包括决策单元、上层控制器和下层控制器；所述决策单元根据安全距离模型，计算分析出自身车辆当前要保持安全且舒适的跟驰状态与前车所需维持的最小安全距离，并将此信息输入上层控制器；
所述上层控制器计算出自身车辆当前所需保持的速度、加速度轨迹信息，同时将所需保持的速度、加速度轨迹信息发送给下层控制器，所述下层控制器控制调整自身车辆的运行状态。
所述轨迹变换模块将轨迹信息根据笛卡尔坐标系向Frenet坐标系转换具体为：
车辆轨迹在Frenet坐标系和笛卡尔坐标系下的关系变换，在笛卡尔坐标系下，设p(xp，yp)是离轨迹点x(xx，xy)最近的点；则在Frenet坐标系下，点p与点x的纵坐标相等；
CACC车辆的位置、速度轨迹信息输入轨迹转换模块，由笛卡尔坐标系向Frenet坐标系转换通过下式表示：
s＝sp (1)
Figure BDA0003687191820000051
Figure BDA0003687191820000052
d′＝(1-dkp)tan(θx-θp) (4)
Figure BDA0003687191820000053
其中，S为Frenet坐标系下轨迹点x的纵向坐标，sp是Frenet坐标系距离轨迹点x最近的一个点p的纵向坐标，
Figure BDA0003687191820000054
为Frenet坐标系下轨迹点x纵向坐标对时间的导数，表示车辆沿参考线方向的速度，/>
Figure BDA0003687191820000055
为Frenet坐标系下轨迹点x纵向坐标对时间的二阶导数，表示车辆沿参考线方向的加速度，d为Frenet坐标系下轨迹点x的横向坐标，d′为Frenet坐标系下轨迹点x横向坐标对纵向坐标的一阶导数，d″为Frenet坐标系下轨迹点x横向坐标对纵向坐标的二阶导数，θx是笛卡尔坐标系下轨迹点x的方位角，θp是笛卡尔坐标系下点P的方位角，kx是笛卡尔坐标系下轨迹点x的曲率，kp是Frenet坐标系下点p的曲率，υx是笛卡尔坐标系下轨迹点x的速度，ax是笛卡尔坐标系下点x的加速度,kp是笛卡尔坐标系下点p的曲率kp的导数。
所述安全距离模型具体为：
当前车静止时，最小安全距离Sd表示为：
Figure BDA0003687191820000061
当前车运动时，最小安全距离Sd表示为：
Figure BDA0003687191820000062
其中，
Figure BDA0003687191820000063
分别表示Frenet坐标系下当前自身车辆和前车纵向的速度，d自身、d前车分别表示Frenet坐标系下当前自身车辆和前车的横向坐标，d′自身表示Frenet坐标系下当前自身车辆的横向坐标对纵向坐标的一阶导数；d′前车表示Frenet坐标系下当前前车的横向坐标对纵向坐标的一阶导数；/>
Figure BDA0003687191820000064
分别表示Frenet坐标系下当前自身车辆和前车的曲率。
上层控制器利用输入的前车位置、距离、车速、以及加速度轨迹信息，通过决策算法得到车辆的目标速度及加速度；
下层控制器根据上层控制器得出的目标速度及加速度控制轮毂电机扭矩及轮速以实现自身车辆的驱动和制动控制，从而达到上层控制期望的目标控制。
具体实施例二：
本发明系统的整体结构如图1所示。首先，由各种各样的传感器组成的信息采集模块不断地采集自身车辆和前车的位置、距离、车速、加速度等轨迹信息，并将这些信息传入轨迹变换模块。轨迹变换模块根据笛卡尔坐标系向Frenet坐标系转换的公式，将这些笛卡尔坐标系下的轨迹信息转换为Frenet坐标系下的轨迹信息。同时，转换后的轨迹信息将输入控制模块的决策单元。决策单元根据安全距离模型，计算分析出自身车辆当前要保持安全且舒适的跟驰状态与前车所需维持的最小安全距离，并将此信息输入上层控制器。然后，上层控制器计算出自身车辆当前所需保持的速度、加速度等轨迹信息，同时将此轨迹信息发送给下层控制器。下层控制器据此控制调整自身车辆的运行状态。调整后的运行状态信息又将被信息采集模块采集，照此模式不断循环。最终使自身车辆一直保持安全且舒适的跟驰状态。
本发明系统由CACC控制系统控制启动，启动流程如图2所示。首先车辆启动，初始状态信息将输入该系统，同时系统将检查车辆的自适应巡航控制(Adaptive CruiseControl,ACC)功能是否正常，如果正常，继续检查CACC系统，否则进入人工驾驶状态。当CACC系统功能正常时，车辆将进入CACC控制状态。此时意味着前车识别功能正常，基于Frenet坐标系的CACC跟驰车流控制系统各模块将能正常运行，于是启动该系统。否则车辆进入ACC控制状态，不启动该系统。
本发明系统控制模块中的决策单元是计算出，当前自身车辆想维持安全且舒适的跟驰状态，与前车需保持的最小安全距离。考虑因素包括：前方出现紧急情况时,自身车辆与前车保持的距离要足够驾驶员识别和反应的时间；自身车辆与前车保持的距离要足够驾驶员根据自身期望减速度消除自身车辆车与前车间相对速度的时间；相对速度消除后，自身车辆与前车间仍要保持一定的距离。
以上对本发明所提供的一种基于Frenet坐标系的CACC跟驰车流控制系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种基于Frenet坐标系的CACC跟驰车流控制系统，其特征在于，所述系统包括：
信息采集模块，所述信息采集模块采集前车和自身车辆的轨迹信息，所述信息采集模块将采集到的信息传输至轨迹变换模块；
轨迹变换模块，所述轨迹变换模块将轨迹信息根据笛卡尔坐标系向Frenet坐标系转换，得到Frenet坐标系下的轨迹信息；
控制模块，所述控制模块根据Frenet坐标系下的轨迹信息控制调整自身车辆的运行状态，调整后的运行状态信息被信息采集模块不断循环采集，使自身车辆保持安全且舒适的跟驰状态；
所述控制模块包括决策单元、上层控制器和下层控制器；所述决策单元根据安全距离模型，计算分析出自身车辆当前要保持安全且舒适的跟驰状态与前车所需维持的最小安全距离，并将此信息输入上层控制器；
所述上层控制器计算出自身车辆当前所需保持的速度、加速度轨迹信息，同时将所需保持的速度、加速度轨迹信息发送给下层控制器，所述下层控制器控制调整自身车辆的运行状态；
所述安全距离模型具体为：
当前车静止时，最小安全距离Sd表示为：
Figure FDA0004279432420000011
当前车运动时，最小安全距离Sd表示为：
Figure FDA0004279432420000012
其中，
Figure FDA0004279432420000013
分别表示Frenet坐标系下当前自身车辆和前车纵向的速度，d自身、d前车分别表示Frenet坐标系下当前自身车辆和前车的横向坐标，d′自身表示Frenet坐标系下当前自身车辆的横向坐标对纵向坐标的一阶导数；d′前车表示Frenet坐标系下当前前车的横向坐标对纵向坐标的一阶导数；kp自身、kp前车分别表示Frenet坐标系下当前自身车辆和前车的曲率。
2.根据权利要求1所述的一种基于Frenet坐标系的CACC跟驰车流控制系统，其特征在于，所述轨迹变换模块将轨迹信息根据笛卡尔坐标系向Frenet坐标系转换具体为：
车辆轨迹在Frenet坐标系和笛卡尔坐标系下的关系变换，在笛卡尔坐标系下，设p(xp，yp)是离轨迹点x(xx，yy)最近的点；则在Frenet坐标系下，点p与点x的纵坐标相等；
CACC车辆的位置、速度轨迹信息输入轨迹转换模块，由笛卡尔坐标系向Frenet坐标系转换通过下式表示：
s＝sp (1)
Figure FDA0004279432420000021
Figure FDA0004279432420000022
d'＝(1-dkp)tan(θx-θp) (4)
Figure FDA0004279432420000023
其中，s为Frenet坐标系下轨迹点x的纵向坐标，sp是Frenet坐标系距离轨迹点x最近的一个点p的纵向坐标，
Figure FDA0004279432420000024
为Frenet坐标系下轨迹点x纵向坐标对时间的导数，表示车辆沿参考线方向的速度，/>
Figure FDA0004279432420000025
为Frenet坐标系下轨迹点x纵向坐标对时间的二阶导数，表示车辆沿参考线方向的加速度，d为Frenet坐标系下轨迹点x的横向坐标，d′为Frenet坐标系下轨迹点x横向坐标对纵向坐标的一阶导数，d″为Frenet坐标系下轨迹点x横向坐标对纵向坐标的二阶导数，θx是笛卡尔坐标系下轨迹点x的方位角，θp是笛卡尔坐标系下点P的方位角，kx是笛卡尔坐标系下轨迹点x的曲率，kp是Frenet坐标系下点p的曲率，υx是笛卡尔坐标系下轨迹点x的速度，ax是笛卡尔坐标系下点x的加速度,kp′是笛卡尔坐标系下点p的曲率kp的导数。
3.根据权利要求2所述的一种基于Frenet坐标系的CACC跟驰车流控制系统，其特征在于，上层控制器利用输入的前车位置、距离、车速、以及加速度轨迹信息，通过决策算法得到车辆的目标速度及加速度；
下层控制器根据上层控制器得出的目标速度及加速度控制轮毂电机扭矩及轮速以实现自身车辆的驱动和制动控制，从而达到上层控制期望的目标控制。
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