CN103496366A - 一种基于车车协同的主动换道避撞控制方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于车车协同的主动换道避撞控制方法与装置，用于智能交通/汽车主动安全控制技术领域。装置包括车车通讯单元、测距传感器、三轴加速度传感器、车速传感器、电子控制单元、ESP控制单元、驾驶员辅助操作单元、尾灯控制单元和车内告警单元。通过车车通讯设备获取周围车辆信息，确定本车与同侧车道及旁侧车道前车的安全距离，然后判断当前本车是否满足协同换道避撞条件，如果满足，则计算本车的期望侧向、纵向加速度，进行本车方向与速度控制，如果不满足，进行换道危险警示。本发明实现了主动换道避撞控制，可避免因紧急刹车而造成的驾驶员安全事故和连追尾事故，避免了人为操作失误，保证了车辆行驶的安全性。

Description

一种基于车车协同的主动换道避撞控制方法与装置

技术领域

本发明属于智能交通/汽车主动安全控制技术领域，具体涉及一种避免车辆行驶过程中由于紧急刹车而造成的驾驶员安全事故和连追尾事故的基于车车协同的主动换道避撞方法与装置。

背景技术

从国内外主动避撞控制系统的发展概况可知，目前的已有主动避碰撞系统相关的产品面向市场，但这些避碰撞系统基本上都是纵向动力干预的避碰撞系统，该类系统只会是产生纵向动力的干预，在车辆原车道上进行动力干预，在将要发生危险时发出听觉、视觉和触觉等警告信号，并进行减速或者紧急刹车。其工作过程一般是当遇到车辆前方有障碍车辆时，系统会发出警报、控制车辆减速或者紧急刹车从而达到减轻或避开碰撞，纵向动力干预的避碰撞系统技术比较简单，便于实现，所以在目前研究的或市场的避碰撞系统是大多纵向动力干预的避碰撞系统。

但是在高速行驶的车辆中，紧急刹车导致纵向加速度过大，会导致后车追尾相撞，并引起驾驶员和乘客人身安全事故。要解决避免紧急刹车造成的事故，就要在纵向动力干预的避碰撞系统中加入从横向动力干预的功能，对纵向动力干预进行补充，使其升级成为纵横双向动力干预的避碰撞系统。

但是在遇到紧急情况进行强制换道避撞过程中会引发新的交通隐患。据最近数据统计，在车辆换道引起的交通事故中，由于人为原因导致的约占75％，而换道引起的交通事故约占到总交通事故的4％～10％，造成的交通延误约占总交通事故所引起延误时间的10％，给社会造成了巨大的经济损失。车辆在换道过程中，驾驶员要不断对周围环境进行信息收集、信息筛选、信息处理、信息判断、最后对目标车辆进行操作执行。在复杂多变的换道的过程中，特别是在车速很快的高速公路上，驾驶员很可能对车辆的安全变换车道和安全超车的可行性做出不合理的判断，或者驾驶员注意力不集中，这样的潜在危险，对高速公路的行车安全是致命的。

因此，智能化换道避撞系统、换道辅助超车系统的高速公路安全行车辅助系统必然会成为人们辅助驾驶系统的重要组成部分。经过换道避撞技术发展，现有的智能车辆安全辅助驾驶系统的相关算法(如道路识别、车道避障物判别、车辆跟驰换道等算法)层出不穷，并进行很多相关的实验，取得令人满意的应用效果。

汽车主动避撞系统利用现代信息技术、传感技术来扩展驾驶员的感知能力，将感知技术获取的外界信息(如车速、障碍物距离等)传递给驾驶员，同时在路况与车况的综合信息中辨识是否构成安全隐患，以紧急情况下能自动采取制动措施控制汽车，使汽车能主动避开危险，保证车辆安全行驶。

汽车换道辅助系统是车辆在执行换道过程中，目标车道若发现存在潜在的危及本车安全的障碍物时，系统将会以警告形式提醒驾驶员。在车辆左后方装有雷达传感器，检测车辆的车速及其方向；在车后玻璃窗上装有两个图像传感器，对存在安全隐患的车辆进行测量；车辆右前方安装有雷达，主要是监测距离比较近的前方车辆。

汽车避撞超车控制系统通过GPS、雷达、激光探测器、摄像头等探测设备收集行车周围环境的数据。当探测器发现同车道的前方车辆行缓慢行驶时，该系统会自动寻找一条开放换道线路，并控制车辆换道避障，在车辆换道后加速超过最开始车道中的慢车后，然后进行换道操作控制，让车辆回到最开始的车道，完成对慢车的超车过程。

但由于车辆的变换车道与换道避障自身操控的复杂性，不仅涉及到车辆纵向运动控制，还涉及到车辆横向运动的操控，而且需要考虑换道环境的感知，换道时机确定和换道控制策略的制定等，所以车辆的智能化换道避障安全行车辅助系统的研究的技术难度较大，而且换道避撞轨迹规划是智能换道安全行车辅助系统的重要部分，目前国内外还没有系统性的研究，相应的技术成果和产品应用案例也很少。并且现有技术具体还存在如下问题：

(1)对于安全车距计算方法，都是基于车间距和车速两种信息来计算，信息量单一，计算方法单调，没有充分发挥目前车联网技术的优势来获取更多的车辆状态信息来完成更合适的安全车距计算方法；

(2)对于换道避撞算法，对安全行驶轨迹没有进行预先规划，没有给予驾驶员操作提示以及辅助控制，防止驾驶员在情急之下产生误操作，注意力不集中等安全隐患；

(3)对于换道避撞装置，核心控制单元没有安装车车通讯单元来获取更充足的信息量来进行可靠稳定的转向控制，并且加装的换道控制装置存在与整车ESP(Electronic StabilityProgram，车身电子稳定系统)系统控制单元互相干扰的问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，充分利用车车通讯的优势，结合换道轨迹规划算法设计了基于车车协同的主动换道避撞控制装置与方法，直接与ESP电控单元进行交互，节省了成本，提高了系统的可靠性。

本发明提供的一种基于车车协同的主动换道避撞控制方法，包括如下步骤：

步骤1：本车通过车车通讯设备获取周围车辆信息，包括车辆的经纬度位置、车速、方向盘转角、纵向加速度、侧向加速度及横摆角速度等信息。

步骤2：确定本车与同侧车道上前车(简称同侧前车)的安全距离S₁，以及本车与旁侧车道上前车(简称旁侧前车)的安全距离S₂。

步骤3：判断当前本车是否满足协同换道避撞条件，若是，继续步骤3，若否，提示本车驾驶员换道危险，不应换道；

所述协同换道避撞条件为： $\left\{\begin{array}{c}{S}_y\≥S_2\\ S_x\≥S_1\\ V_F\×\sin \mathrm{\θ}\≥V_{\mathrm{Px}}\\ V_F\×\cos \mathrm{\θ}\≤V_{y\max }\\ l\≥l_{\min }\end{array}\right.;$

其中，S_y表示本车侧向位移，S_x表示本车纵向位移，V_F表示当前本车车速，θ表示当前本车方向盘转角，V_Px表示当前同侧前车车速，V_ymax表示本车最大侧向速度，l为本车换道完成后产生的沿车道方向的横向位移，l_min为限定l的最小取值：

$l_{\min }=\max (\sqrt{\frac{2\×\mathrm{\π}\×d}{a_{y\max }}\×{v_x}^2},\sqrt[3]{\frac{{(2\×\mathrm{\π})}^2\×d}{J_{y\max }}\×{\left(\frac{v_x}{l}\right)}^3})$

v_x表示本车纵向速度，d为两车道的车道中线的距离，J_ymax为允许的车辆最大安全侧向加速度率，a_ymax为保证车辆安全行驶下的最大侧向加速度。

步骤4：根据正弦车辆换道轨迹函数，获得期望侧向加速度：

$a_y=\frac{-2\×\mathrm{\π}\×d\×{v_x}^2}{l^2}\×\sin (\frac{\mathrm{\π}}{l/2}\×(v_x\×t-\frac{l}{2})),x\∈(0,l),$ t表示时间，以本车开始换道的起始点为坐标原点，用x表示本车沿车道方向的纵向位置坐标。

步骤5：根据车辆横纵向耦合动力学方程，获取本车的期望侧向加速度a_y2以及期望纵向加速度a_x： $a_x=a_1{v}_x^2+v_y\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}+u_1,a_{y2}=-\frac{a_2}{v_x}{v}_y-[v_x+\frac{a_3}{v_x}]\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}+u_2;$ v_y为本车侧向速度、

为本车横摆角速度；

其中，中间参数a₁、a₂和a₃分别为：

$a_1=\frac{f_R{c}_z-c_x}{m},a_2=\frac{2(C_f+C_r)}{m},a_3=\frac{2(C_f{l}_f-C_r{l}_r)}{I_z};$

f_R为滚动阻力系数，c_x为空气纵向阻力系数，c_z为空气垂向升力系数，m为车辆质量，C_f为前轮胎的侧偏刚度，C_r为后轮胎的侧偏刚度，l_f为车辆的质心到前轴的距离，l_r为车辆的质心到后轴的距离，用λ表示质心到后轴的距离占前后轴距的比重，l_z为车辆绕垂直轴转动惯量。

系数u₁和u₂为： $\left\{\begin{array}{c}{u}_1=-f_{R}g+2C_f\frac{v_y+l_f\stackrel{\·}{\text{\ψ}}}{{\mathrm{mv}}_x}\mathrm{\δ}+\frac{F_x}{m}\\ u_2=\frac{{2C}_f+{\mathrm{\λF}}_x}{m}\mathrm{\δ}\end{array}\right.$

g为重力加速度，δ为前轮转向角，F_x为制动作用力。

步骤6：确定最终的期望侧向加速度a_py以及期望纵向加速度a_px：

$a_{\mathrm{px}}=a_1{v}_x^2+v_y\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}+u_1;$

$a_{\mathrm{py}}=\min \{\frac{-2\×\mathrm{\π}\×d\×{v_x}^2}{l^2}\×\sin (\frac{\mathrm{\π}}{l/2}\×(v_x\×t-\frac{l}{2})),(-\frac{a_2}{v_x}{v}_y-\[v_x+\frac{a_3}{v_x}\]\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}+u_2)\}.$

步骤7：根据步骤6得到的期望侧向加速度和期望纵向加速度，对本车进行控制，实现安全换道。

基于所述的主动换道避撞控制方法，本发明还提供的一种基于车车协同的主动换道避撞控制装置，包括：该装置包括如下模块：车车通讯单元、测距传感器、三轴加速度传感器、车速传感器、电子控制单元、ESP控制单元、驾驶员辅助操作单元、尾灯控制单元和车内告警单元。

车车通讯单元安装在车顶处，通过无线通讯方式实时获取周围车辆的信息并传送给电子控制单元，车辆的信息包括车辆的经纬度位置、车速、方向盘转角、加速度、侧向加速度及横摆角速度。测距传感器安装在车体前侧，保险杠附近，用于测量本车与同侧前车和旁侧前车的距离，将测得的距离值传送给电子控制单元。三轴加速度传感器安装在车体几何中心处，用于检测本车实际的侧向加速度和纵向加速度，并将测得的加速度传送给电子控制单元。车速传感器获取本车当前速度并传送给电子控制单元。

电子控制单元判断当前本车是否符合协同换道避撞条件，如果符合，则计算期望侧向加速度a_py以及期望纵向加速度a_px，并输出期望侧向加速度a_py给ESP控制单元，输出期望纵向加速度a_px给驾驶员辅助操作单元，同时通过尾灯控制单元控制车尾转向灯闪烁，对后方车辆进行换道提示；如果不符合，通过车内告警单元发出声光警示，提示驾驶员换道危险。

驾驶员辅助操作单元安装在驾驶员仪表处，挡风玻璃前方，包括LCD液晶显示器和语音提示器，在LCD液晶显示器上显示换道规划路径、期望纵向加速度a_px以及期望纵向加速度a_px得到的期望节气门开度和期望制动踏板压力，并通过语音提示器提示驾驶员当前为避免事故需要采取的操作，包括方向盘转向、刹车和油门操作。

本发明的优点与积极效果在于：本发明的主动换道避撞控制装置与方法，利用车联网技术优势获取周围车辆信息，当目标车道发现存在潜在的危及本车安全的障碍物时，为避免紧急刹车而造成的驾驶员安全事故和连追尾事故，对驾驶员进行告警提示并做主动换道避撞控制，本发明对换道时机和换道轨迹进行了准确的计算，控制方法采用实时信息采集闭环自动控制，避免了人为操作失误，保证了车辆行驶的安全性。

附图说明

图1是车辆变换车道模型的示意图；

图2中：A为在车辆最小换道时间内侧向加速度的示意图；B为在车辆最小换道时间内车辆侧向速度的示意图；

图3是本发明的基于车车协同的主动换道避撞控制方法的整体流程图；

图4是正弦车辆换道轨迹函数的曲线示意图；

图5是根据计算得出的期望侧向加速度对车辆进行转向控制的示意图；

图6是根据计算得出的期望纵向加速度对车辆进行速度控制的示意图；

图7是本发明提供的基于车车协同的主动换道避撞控制装置的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供的基于车车协同的主动换道避撞控制装置及方法，都应用到一种安全车距的确定方法，下面结合图1对本发明的安全车距的确定方法进行说明。

步骤一：车辆在固定路面行驶，保证车辆安全行驶下最大侧向加速度为a_ymax，最大减速度为a_xmax，由于法规道路宽度D为固定375cm，最小换道时间的获取方法为：如图2的A所示，以最大侧向加速度a_ymax加速行驶到1/2*D，然后以反向最大侧向加速度-a_ymax行驶到D，可以计算得出最小换道时间为τ。图2的B所示，为在时间τ内，车辆侧向速度的示意图，在t_y时刻得到最大侧向速度为V_ymax。本发明中，设定车辆沿车道的方向为纵向，沿垂直与车道的方向为侧向。

根据动力学方程，由最小换道时间的获取方法得到如下公式：

$D=\frac{1}{2}{a}_{y\max }\×{\left(\frac{1}{2}\mathrm{\τ}\right)}^2+\frac{1}{2}|-a_{y\max }|\×{\left(\frac{1}{2}\text{\τ}\right)}^2$

从而计算得出最小换道时间τ为：

$\mathrm{\τ}=\sqrt{\frac{4D}{a_{y\max }}}$

最大侧向速度V_ymax为：

$V_{y\max }=\frac{1}{2}\×a_{y\max }\×\mathrm{\τ}$

步骤二：获取本车与同侧车道上前车(简称同侧前车)的安全距离S₁。

通过车车通讯的优势，可以获取前方车辆的横纵向加速度信息，从而得到较小的换道安全距离。

如图1所示，计算本车与同侧车道车辆的安全距离，即在时间τ完成换道后，车头紧挨同侧车辆车尾，根据动力学方程计算如下：

$S_1=\frac{{(V_F\×\cos \mathrm{\θ}-V_{\mathrm{Px}})}^2}{2(a_{x\max }-a_{\mathrm{Px}})}$

其中，V_F表示当前本车车速，V_Px表示当前同侧车道前车车速，a_Px表示当前同侧车道前车加速度，θ表示本车的当前方向盘转角。

步骤三：获取本车与旁侧车道上前车(简称旁侧前车)的安全距离S₂。

如图1所示，计算本车与旁侧车道车辆的安全距离，即在时间τ完成换道后，与旁侧车道前车距离不能小于纵向安全车距S_n，根据动力学方程计算如下：

$S_2=\frac{{(V_F\×\cos \mathrm{\θ}-V_{\mathrm{Py}})}^2}{2(a_{x\max }-a_{\mathrm{Py}})}-(V_F\×\cos \mathrm{\θ}-V_{\mathrm{Py}})\×\mathrm{\τ}$

其中旁侧车道最小纵向安全车距S_n为：

$S_n=\frac{{(V_F\×\cos \mathrm{\θ}-V_{\mathrm{Py}})}^2}{2(a_{x\max }-a_{\mathrm{Py}})}$

其中，V_Py表示当前旁侧车道前车车速，a_Py表示当前旁侧车道前车加速度。

本发明提供的一种基于车车协同的主动换道避撞控制方法，在执行换道避撞时，要实现安全换道并避免交通事故，需要满足以下三个要求：

要求1：车辆变换车道模型中换道的轨迹路径的曲率是连续变化，没有突变的现象发生；

要求2：车辆在换道轨迹起始和终止点的侧向加速度均为0，也就是要换道轨迹的起始和终止点曲率值要为0；

要求3：安全和舒适性要求，换道的轨迹不但具有优异的平滑性，而且它的最大曲率值要小于一定值，即要求车辆在变换车道过程中车辆的侧向加速度应小于安全性限制加速度。

如图3所示，为本发明主动换道避撞控制方法的整体步骤流程图。

步骤1：本车通过车车通讯设备获取周围车辆信息，包括车辆的经纬度位置、车速、方向盘转角、纵向加速度、侧向加速度及横摆角速度等信息。

步骤2：确定本车与同侧前车的安全距离S₁，以及本车与旁侧前车的安全距离S₂。具体本发明通过所述的安全车距的确定方法来确定S₁和S₂。

步骤3：判断当前本车是否满足协同换道避撞条件，若是，继续步骤3，若否，提示本车驾驶员换道危险，不应换道。

协同换道避撞条件如下：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_y\≥S_2\\ S_x\≥S_1\\ V_F\×\sin \mathrm{\θ}\≥V_{\mathrm{Px}}\\ V_F\×\cos \mathrm{\θ}\≤V_{y\max }\\ l\≥l_{\min }\end{array}\right.$

其中，S_y表示本车侧向位移，S_x表示本车纵向位移，l为本车换道完成后产生的沿车道方向的横向位移，通过获取的侧向加速度计算得出，l_min为限定l的最小取值：

$l_{\min }=\max (\sqrt{\frac{2\×\mathrm{\π}\×d}{a_{y\max }}\×{v_x}^2},\sqrt[3]{\frac{{(2\×\mathrm{\π})}^2\×d}{J_{y\max }}\×{\left(\frac{v_x}{l}\right)}^3})$

v_x表示本车沿车道的纵向速度，d为两车道的车道中线的距离，J_ymax为允许的车辆最大安全侧向加速度率。

本步骤中的协同换道避撞条件是结合步骤4提供的轨迹函数来确定的。

步骤4：根据正弦车辆换道轨迹函数，获得期望纵向加速度a_y。

为了满足以上换道要求，通过计算换道过程产生的沿车道方向的纵向位移来规划换道行驶轨迹，根据等速偏移轨迹函数其侧向加速度为0的优点，和正弦换道轨迹函数具有优异的平滑性的特点，并利用车车通讯优势，本发明提出一种新的改进正弦车辆换道轨迹函数，其初始函数为：

S_y=sinS_x+S_x

S_y表示本车侧向位移，S_x表示关于本车纵向位置x的线性函数，表示本车纵向移动距离，sinS_x表示关于纵向位置x的正弦函数，该正弦车辆换道轨迹函数的曲线如图4所示，表达式可表示为如下：

$S_y\left(x\right)=\frac{d}{2\mathrm{\π}}\×[\mathrm{\π}+\frac{\mathrm{\π}}{l/2}\×(x-\frac{l}{2})+\sin (\frac{\mathrm{\π}}{l/2}\×(x-\frac{l}{2}))],x\∈(0,l)$

式中，d为两车道的车道中线的距离；l为换道完成过程产生的本车沿车道方向的纵向位移，可以通过获取加速度信息计算得出。本发明中，以开始换道的起始点为坐标原点，用x表示本车沿车道方向的纵向位置坐标，y表示沿垂直车道方向的侧向位置坐标，设本车沿车道的纵向速度v_x基本保持不变，则x=v_x×t，t表示时间，代入公式变换得：

$S_y\left(x\right)=\frac{d}{2\mathrm{\π}}\×[\mathrm{\π}+\frac{\mathrm{\π}}{l/2}\×(v_x\×t-\frac{l}{2})+\sin (\frac{\mathrm{\π}}{l/2}\×(v_x\×t-\frac{l}{2}))],x\∈(0,l)$

将S_y(x)对时间变量t求一阶导数，计算出侧向速度：

$\stackrel{\·}{S_y\left(x\right)}=\frac{d\×v_x}{l}\×[1+\cos (\frac{\mathrm{\π}}{l/2}\×(v_x\×t-\frac{l}{2}))],x\∈(0,l)$

将S_y(x)对时间变量t求二阶导数，期望侧向加速度a_y为：

$a_y=\stackrel{\·\·}{S_y\left(x\right)}=\frac{-2\×\mathrm{\π}\×d\×{v_x}^2}{l^2}\×\sin (\frac{\mathrm{\π}}{l/2}\×(v_x\×t-\frac{l}{2})),x\∈(0,l)$

将S_y(x)对时间变量t求三阶导数，获得期望侧向加速度率J_y为：

$J_y=\stackrel{\·\·\·}{S_y\left(x\right)}=\frac{-{(2\×\mathrm{\π})}^2\×d\×{v_x}^3}{l^3}\×\cos (\frac{\mathrm{\π}}{l/2}\×(v_x\×t-\frac{l}{2})),x\∈(0,l)$

设a_ymax为车辆许可的最大安全侧向加速度，J_ymax为允许的车辆最大安全侧向加速度率。要使车辆在公路上安全换车道行驶，则车辆的侧向加速度和侧向加速度变化率应满足以下的限制条件：

$\left\{\begin{array}{c}2\×\mathrm{\π}\×d\×{\left(\frac{v_x}{l}\right)}^2\≤a_{y\max }\\ {(2\×\mathrm{\π})}^2\×d\×{\left(\frac{v_x}{l}\right)}^2\≤J_{y\max }\end{array}\right.$

求得：

$\left\{\begin{array}{c}l\≥\sqrt{\frac{2\×\mathrm{\π}\×d}{a_{y\max }}\×{v_x}^2}\\ l\≥\sqrt{\frac{{(2\×\mathrm{\π})}^2\×d}{J_{y\max }}\×{\left(\frac{v_x}{l}\right)}^3}\end{array}\right.$

于是可求得l最小值l_min为：

$l_{\min }=\max (\sqrt{\frac{2\×\mathrm{\π}\×d}{a_{y\max }}\×{v_x}^2},\sqrt[3]{\frac{{(2\×\mathrm{\π})}^2\×d}{J_{y\max }}\×{\left(\frac{v_x}{l}\right)}^3})$

所以只要整个换道行程l≥l_min就能满足车辆在公路的加速度和加速度变化率的限制条件，即采用改进后的换道轨迹能满足限制条件。步骤5：根据车辆横纵向耦合动力学方程，获取期望侧向加速度以及期望纵向加速度。

在换道过程中，计算期望横纵向加速度还应该考虑车辆横纵向耦合动力学方程，计算方法如下：

当不考虑路面侧倾、俯仰以及风速的影响，且前轮转向角为小角度，本车车辆纵横向耦合动力学模型可表示为：

${\stackrel{\·}{v}}_x=\frac{(f_R{c}_z-c_x)v_x^2}{m}-f_{R}g+v_y\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}+2C_f\frac{v_y+l_f\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}{m{v}_x}\mathrm{\δ}+\frac{F_x}{m}$

${\stackrel{\·}{v}}_y=-\frac{2(C_f+C_r)}{m{v}_x}{v}_y-[v_x+\frac{2(C_f{l}_f-C_r{l}_r)}{m{v}_x}]\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}+\frac{2C_f+\mathrm{\λ}{F}_x}{m}\mathrm{\δ}$

$\stackrel{\·\·}{\mathrm{\ψ}}=-\frac{2(C_f{l_f}^2+C_r{l_r}^2)}{I_z{v}_x}\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}-\frac{2(C_f{l}_f-C_r{l}_r)}{I_z{v}_x}{v}_y+\frac{2C_f{l}_f+\mathrm{\λ}{F}_x{l}_f}{I_z}\mathrm{\δ}$

λ=l_r/(l_f+l_r)

式中：v_x、v_y、

分别为本车辆的纵向速度、侧向速度和横摆角速度，字符上加点是表示对时间求导数，例如，为本车纵向加速度，

为本车侧向加速度，

为本车横摆角加速度；m为车辆质量；I_z为车辆绕垂直轴转动惯量；l_f、l_r分别为质心到前轴的距离和质心到后轴的距离，λ表示质心到后轴的距离占前后轴距的比重；C_f、C_r分别为前、后轮胎的侧偏刚度；δ为前轮转向角；F_x为牵引/制动作用力；f_R为滚动阻力系数；c_x、c_z分别为空气纵向阻力系数和垂向升力系数；g为重力加速度。令中间参数a₁、a₂和a₃分别为：

$a_1=\frac{f_R{c}_z-c_x}{m}$

$a_2=\frac{2(C_f+C_r)}{m}$

$a_3=\frac{2(C_f{l}_f-C_r{l}_r)}{I_z}$

取变换，令车辆横纵向耦合动力学模型中与变量v_x，v_y无关部分为系数u₁，u₂：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_1=-f_{R}g+2C_f\frac{v_y+l_f\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}{m{v}_x}\mathrm{\δ}+\frac{F_x}{m}\\ u_2=\frac{2C_f+\mathrm{\λ}{F}_x}{m}\mathrm{\δ}\end{array}\right.$

将系数u₁，u₂带入车辆横纵耦合动力学方程，得到

$a_x={\stackrel{\·}{v}}_x=a_1{v}_x^2+v_y\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}+u_1$

$a_{y2}={\stackrel{\·}{v}}_y=-\frac{a_2}{v_x}{v}_y-[v_x+\frac{a_3}{v_x}]\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}+u_2$

步骤6：确定最终的期望侧向加速度以及期望纵向加速度。

结合换道轨迹运动方程和横纵向耦合动力学方程，期望侧向加速度应该取动力学侧向加速度和换道轨迹侧向加速度的最小值，纵向加速度直接取动力学加速度。得到最终协同换道避撞车辆的期望加速度值为：

期望侧向加速度a_py为：

$a_{\mathrm{py}}=\min \{\frac{-2\×\mathrm{\π}\×d\×{v_x}^2}{l^2}\×\sin (\frac{\mathrm{\π}}{l/2}\×(v_x\×t-\frac{l}{2})),(-\frac{a_2}{v_x}{v}_y-[v_x+\frac{a_3}{v_x}]\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}+u_2)\}$

期望纵向加速度a_px为：

$a_{\mathrm{px}}=a_1{v}_x^2+v_y\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}+u_1$

步骤7：根据步骤6得到的期望侧向加速度和期望纵向加速度，对本车进行控制，实现安全换道。

根据获得的期望侧向加速度对车辆进行控制，如图5所示。如图5车辆转向控制系统图，通过计算得出的期望侧向加速度a_py，在比较器中与实际测得的侧向加速度相减得到侧向加速度偏差Δa_y，对偏差Δa_y求导数得到侧向加速度变化率ΔJ，根据输入侧向加速度偏差Δa_y和变化率ΔJ建立模糊控制器确定PID控制器因子，设计PID控制器得到输出量，最后对输出量通过动力学模型转化为车辆的期望方向盘转角输出，对车辆进行转向控制，同时将实际侧向加速度信息通过反馈控制单元输出到比较器，从而实现车辆转向闭环控制。

根据获得的期望纵向加速度对车辆进行控制，如图6所示，为车辆速度控制系统，通过计算得出的期望纵向加速度a_px，在比较器中与实际纵向加速度相减得到偏差Δa_x，根据输入纵向加速度偏差建立模糊控制器确定PID控制器因子，设计PID控制器得到输出量，最后对输出量通过动力学模型转化为车辆的期望节气门开度和期望制动踏板压力输出，对车辆进行速度控制，同时将实际纵向加速度信息通过反馈控制单元输入给比较器，从而实现车辆转向闭环控制。

如图7所示，本发明提供的一种基于车车协同的主动换道避撞控制装置，包括：车车通讯单元1、测距传感器2、三轴加速度传感器3、车速传感器4、电子控制单元5、ESP控制单元6、驾驶员辅助操作单元7、尾灯控制单元8和车内告警单元9。

车车通讯单元1安装在车顶处；测距传感器2安装在车体前侧，保险杠附近；三轴加速度传感器3安装在车体几何中心处；驾驶员辅助操作单元7安装在驾驶员仪表处，挡风玻璃前方；电子控制单元5外接AD，IO，CAN，UART总线接口，安装在车内干燥通风、散热均匀的位置。

车车通讯单元1，包括有：WiFi，Zigbee和DSRC等通讯模块。可通过无线通讯方式与周围车辆进行信息交互，采集所需要的周围车辆的信息并传送给电子控制单元5，车辆的信息包括车辆的经纬度位置、侧向加速度、纵向加速度、车速、方向盘转角及横摆角速度等信息。

测距传感器2用于测量本车与同侧前车和旁侧前车的距离，利用雷达或超声波等进行测距，将测得的距离通过CAN总线传送给电子控制单元5。

三轴加速度传感器3用于检测本车实际的侧向加速度和纵向加速度信息，将得到的加速度信息进行AD转换，并将转换的加速度值输入电子控制单元5。

车速传感器4用于获取本车当前速度信息，可通过采集车速表信号线来读取IO脉冲值得到车速，或者在车轮内侧加装轮速霍尔传感器来获取车速，车速值通过IO总线传送给电子控制单元5。

电子控制单元5内部集成本发明的安全车距确定方法和协同主动换道避撞方法，核心处理器是DSP，ARM等高速处理器。电子控制单元5判断当前本车是否符合协同换道避撞条件，如果符合，则计算期望侧向加速度a_py以及期望纵向加速度a_px，并输出期望侧向加速度a_py给ESP控制单元6，输出期望纵向加速度a_px给驾驶员辅助操作单元7，同时通过尾灯控制单元8控制车尾转向灯闪烁，对后方车辆进行换道提示；如果不符合，通过车内告警单元9发出声光警示，提示驾驶员换道危险。

电子控制单元5通过CAN总线连接整车ESP控制单元6，主要做侧向控制，控制方向盘转向，ESP为整车自带控制器，需要第三方ESP制造商给电子控制单元5提供必要的转向控制CAN协议信息。

电子控制单元5通过CAN总线连接驾驶员辅助操作单元7，驾驶员辅助操作单元7包括LCD液晶显示器和语音提示器，在LCD液晶显示器上显示换道规划路径、期望纵向加速度a_px以及期望纵向加速度a_px得到的期望节气门开度和期望制动踏板压力，通过语音提示器语音提示驾驶员当前为避免事故应采取的操作，如方向盘转向，刹车、油门操作。

电子控制单元5通过CAN总线连接整车尾灯控制单元8，主要对后方车辆进行换道提示，需要第三方提供必要的尾灯控制CAN协议信息，通过CAN总线输出尾灯控制信号，控制转向灯闪烁提示。

电子控制单元5通过CAN总线连接整车车内告警单元9，主要对车内驾驶员和乘客提示危险状态信息，包括声音告警和灯光告警。

Claims (5)

1.一种基于车车协同的主动换道避撞控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：本车通过车车通讯设备，实时获取周围车辆信息，包括车辆的经纬度位置、车速、方向盘转角、纵向加速度、侧向加速度及横摆角速度；

步骤2：确定本车与同侧前车的安全距离S₁，以及本车与旁侧前车的安全距离S₂；

步骤3：判断当前本车是否满足协同换道避撞条件，若是，继续步骤3，若否，提示本车驾驶员换道危险，不应换道；

所述协同换道避撞条件为： $\left\{\begin{array}{c}{S}_y\≥S_2\\ S_x\≥S_1\\ V_F\×\sin \mathrm{\θ}\≥V_{\mathrm{Px}}\\ V_F\×\cos \mathrm{\θ}\≤V_{y\max }\\ l\≥l_{\min }\end{array}\right.;$

其中，S_y表示本车侧向位移，S_x表示本车纵向位移，V_F表示当前本车车速，θ表示当前本车方向盘转角，V_Px表示当前同侧前车车速，V_ymax表示本车最大侧向速度，l为本车换道完成后产生的沿车道方向的横向位移，通过获取的侧向加速度计算得出，l_min为限定l的最小取值：

$l_{\min }=\max (\sqrt{\frac{2\×\mathrm{\π}\×d}{a_{y\max }}\×{v_x}^2},\sqrt[3]{\frac{{(2\×\mathrm{\π})}^2\×d}{J_{y\max }}\×{\left(\frac{v_x}{l}\right)}^3})$

v_x表示本车纵向速度，d为两车道的车道中线的距离，J_ymax为允许的车辆最大安全侧向加速度率，a_ymax为保证车辆安全行驶下的最大侧向加速度；

步骤4：根据正弦车辆换道轨迹函数，获得本车的期望侧向加速度值a_y：

$a_y=\frac{-2\×\mathrm{\π}\×d\×{v_x}^2}{l^2}\×\sin (\frac{\mathrm{\π}}{l/2}\×(v_x\×t-\frac{l}{2})),x\∈(0,l)$

t表示时间，以本车开始换道的起始点为坐标原点，用x表示本车沿车道方向的纵向位置坐标；

步骤5：根据车辆横纵向耦合动力学方程，获取本车的期望侧向加速度a_y2以及期望纵向加速度a_x；

$a_x=a_1{v}_x^2+v_y\stackrel{.}{\mathrm{\ψ}}+u_1,a_{y2}=-\frac{a_2}{v_x}{v}_y-[v_x+\frac{a_3}{v_x}]\stackrel{.}{\mathrm{\ψ}}+u_2;$

v_y为当前本车侧向速度、

为当前本车横摆角速度；中间参数a₁、a₂和a₃分别为：

$a_1=\frac{f_R{c}_z-c_x}{m},a_2=\frac{2(C_f+C_r)}{m},a_3=\frac{2(C_f{l}_f-C_r{l}_r)}{I_z};$

f_R为滚动阻力系数，c_x为空气纵向阻力系数，c_z为空气垂向升力系数，m为车辆质量，C_f为前轮胎的侧偏刚度，C_r为后轮胎的侧偏刚度，l_f为车辆的质心到前轴的距离，l_r为车辆的质心到后轴的距离，用λ表示质心到后轴的距离占前后轴距的比重，I_z为车辆绕垂直轴转动惯量；

系数u₁和u₂为： $\left\{\begin{array}{c}{u}_1=-f_{R}g+2C_f\frac{v_y+l_f\stackrel{.}{\mathrm{\ψ}}}{m{v}_x}\mathrm{\δ}+\frac{F_x}{m}\\ u_2=\frac{2C_f+\mathrm{\λ}{F}_x}{m}\mathrm{\δ}\end{array}\right.;$

g为重力加速度，δ为前轮转向角，F_x为制动作用力；

步骤6：确定最终的期望侧向加速度a_py以及期望纵向加速度a_px：

$a_{\mathrm{px}}=a_1{v}_x^2+v_y\stackrel{.}{\mathrm{\ψ}}+u_1;$

$a_{\mathrm{py}}=\min \{\frac{-2\×\mathrm{\π}\×d\×{v_x}^2}{l^2}\×\sin (\frac{\mathrm{\π}}{l/2}\×(v_x\×t-\frac{l}{2})),(-\frac{a_2}{v_x}{v}_y-[v_x+\frac{a_3}{v_x}]\stackrel{.}{\mathrm{\ψ}}+u_2)\};$

步骤7：根据步骤6得到的期望侧向加速度和期望纵向加速度，对本车进行控制，实现安全换道。

2.根据权利要求1所述的一种基于车车协同的主动换道避撞控制方法，其特征在于，步骤2中所述的安全距离S₁和S₂通过如下方法确定：

步骤一：获取车辆最小换道时间τ：其中，D为道路宽度；

步骤二：获取本车与同侧前车的安全距离S₁：

其中，a_xmax为保证车辆安全行驶下的最大减速度，a_Px表示当前同侧前车加速度；

步骤三：获取本车与旁侧前车的安全距离S₂： $S_2=\frac{{(V_F\×\cos \mathrm{\θ}-V_{\mathrm{Py}})}^2}{2(a_{x\max }-a_{\mathrm{Py}})}-(V_F\×\cos \mathrm{\θ}-V_{\mathrm{Py}})\×\mathrm{\τ};$ 其中，V_Py表示当前旁侧前车车速，a_Py表示当前旁侧前车加速度；本车在时间τ完成换道后，与旁侧前车的距离不能小于纵向安全车距S_n：

3.根据权利要求1或2所述的一种基于车车协同的主动换道避撞控制方法，其特征在于，步骤4中所述的正弦车辆换道轨迹函数，表示为：

$S_y\left(x\right)=\frac{d}{2\mathrm{\π}}\×[\mathrm{\π}+\frac{\mathrm{\π}}{l/2}\×(v_x\×t-\frac{l}{2})+\sin (\frac{\mathrm{\π}}{l/2}\×(v_x\×t-\frac{l}{2}))],x\∈(0,l)$

S_y(x)表示本车侧向位移为关于x的函数。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于车车协同的主动换道避撞控制方法，其特征在于，步骤5中所述的车辆横纵向耦合动力学方程，表示为如下：

${\stackrel{.}{v}}_x=\frac{(f_R{c}_z-c_x)v_x^2}{m}-f_{R}g+v_y\stackrel{.}{\mathrm{\ψ}}+2C_f\frac{v_y+l_f\stackrel{.}{\mathrm{\ψ}}}{m{v}_x}\mathrm{\δ}+\frac{F_x}{m};$

${\stackrel{.}{v}}_y=-\frac{2(C_f+C_r)}{m{v}_x}{v}_y-[v_x+\frac{2(C_f{l}_f-C_r{l}_r)}{m{v}_x}]\stackrel{.}{\mathrm{\ψ}}+\frac{2C_f+\mathrm{\λ}{F}_x}{m}\mathrm{\δ};$

$\stackrel{..}{\mathrm{\ψ}}=-\frac{2(C_f{l_f}^2+C_r{l_r}^2)}{I_z{v}_x}\stackrel{.}{\mathrm{\ψ}}-\frac{2(C_f{l}_f-C_r{l}_r)}{I_z{v}_x}{v}_y+\frac{2C_f{l}_f+\mathrm{\λ}{F}_x{l}_f}{I_z}\mathrm{\δ};$

λ＝l_r/(l_f+l_r)；

其中，

为本车纵向加速度，

为本车侧向加速度，

为本车横摆角加速度。

5.一种应用权利要求1或2所述的基于车车协同的主动换道避撞控制方法的主动换道避撞控制装置，其特征在于，该装置包括如下模块：车车通讯单元、测距传感器、三轴加速度传感器、车速传感器、电子控制单元、ESP控制单元、驾驶员辅助操作单元、尾灯控制单元和车内告警单元；

车车通讯单元安装在车顶处，通过无线通讯方式实时获取周围车辆的信息并传送给电子控制单元，车辆的信息包括车辆的经纬度位置、车速、方向盘转角、纵向加速度、侧向加速度及横摆角速度；测距传感器安装在车体前侧，保险杠附近，用于测量本车与同侧前车和旁侧前车的距离，将测得的距离值传送给电子控制单元；三轴加速度传感器安装在车体几何中心处，用于检测本车实际的侧向加速度和纵向加速度，并将测得的加速度传送给电子控制单元；车速传感器获取本车当前速度并传送给电子控制单元；

电子控制单元判断当前本车是否符合协同换道避撞条件，如果符合，则计算期望侧向加速度a_py以及期望纵向加速度a_px，并输出期望侧向加速度a_py给ESP控制单元，输出期望纵向加速度a_px给驾驶员辅助操作单元，同时通过尾灯控制单元控制车尾转向灯闪烁，对后方车辆进行换道提示；如果不符合，通过车内告警单元发出声光警示，提示驾驶员换道危险；

驾驶员辅助操作单元安装在驾驶员仪表处，挡风玻璃前方，包括LCD液晶显示器和语音提示器，在LCD液晶显示器上显示换道规划路径、期望纵向加速度a_px以及期望纵向加速度a_px得到的期望节气门开度和期望制动踏板压力，并通过语音提示器提示驾驶员当前为避免事故需要采取的操作，包括方向盘转向、刹车和油门操作。

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