CN104129377A

CN104129377A - 汽车主动防撞自适应模糊控制方法

Info

Publication number: CN104129377A
Application number: CN201410359059.XA
Authority: CN
Inventors: 姜显扬
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Qixin Optoelectronics Co ltd
Priority date: 2014-07-25
Filing date: 2014-07-25
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2034-07-25
Also published as: CN104129377B

Abstract

本发明涉及一种汽车主动防撞自适应模糊控制方法。本发明由自车上的雷达测速传感器和霍尔车速传感器分别测得与前车的相对车速和自车车速，将天气、路面、车型、载重情况及人工输入信息，得到自车及前车可能达到的最大制动减速度，同时根据车间距离的大小将自车的控制行为分为4个等级。将雷达测距传感器测得的实际车间距离D与安全跟车距离、告警距离、模糊控制自动刹车距离和紧急制动距离比较，确定其落入那个区间内，从而作出相应的动作。本发明无需改变模糊控制规则表和模糊控制算法表便可自适应地调整控制系统，使其适应驾驶员个体类型和天气、路面、车型、载重等情况的变化，保持自动制动的稳定可靠和鲁棒性。

Description

汽车主动防撞自适应模糊控制方法

技术领域

本发明属于汽车技术领域，涉及一种用于汽车的自动控制方法，尤其涉及一种用于汽车主动防撞技术的自适应模糊控制方法。

背景技术

汽车防撞系统不仅可以减少交通事故和人员伤亡，而且与汽车的未来发展密切相关。未来的汽车驾驶一定会变得简单便捷，直至实现完全自动驾驶。而实现自动驾驶的前提条件和重要保障，便是可靠的防撞系统。汽车防撞系统主要分为被动防撞和主动防撞两种方式，前者是告警装置，提醒并主要依赖驾驶员控制并制动车辆；后者除了在险情发生时具备驾驶员提醒功能以外，如若驾驶员没有及时制动，自动控制系统会启动自动刹车装置，直至排除险情。

当车辆间距离小于某个阈值时，触发报警或自动制动装置。为了提高行车的安全性，一个合理实用的防撞系统需要有一个合适的报警、控制方式。影响汽车安全行驶的诸多因素，如车速、与障碍物的距离、天气情况、路面条件等，绝大部分往往都是时变、非线性、模糊的，系统的精确数学模型往往很难获得，经典的PID控制方法遇到了难以克服的困难。近年来发展起来的模糊控制方法不依赖系统精确的数学模型，能用模糊数学的隶属度函数来描述车辆安全行驶的控制模型，能够很好地解决这个问题。

在采用模糊控制方法的主动防撞系统中，模糊控制规则是根据有经验的司机在高速公路行驶过程中遇到突发路况时处理问题的方法和决策来编写的。目前，采用模糊控制算法表进行查表控制时，存在的主要问题是由于有限的等级，以及控制器内部参数的配置不能随控制情况变化而改变，因此控制相当的粗糙。根据以往的实践表明，要使系统具有快速的响应和较高的控制精度，必须使控制器参数具有自适应能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于汽车主动防撞系统的自动控制方法，采用自适应模糊控制方法判断安全告警和自动刹车的条件。

本发明的技术方案为：

自车上的雷达测速传感器和霍尔车速传感器分别测得与前车的相对车速v_r和自车车速v₁，将天气、路面、车型、载重情况及人工输入信息，得到自车及前车可能达到的最大制动减速度a₁和a₂，同时根据车间距离的大小将自车的控制行为分为4个等级，分别对应为显示安全跟车距离d_d、告警距离d_w、模糊控制自动刹车距离d_f和紧急制动距离d_b，d_d>d_w>d_f>d_b，d_d由人为设定；

d_{w} = \frac{1}{2} (\frac{v_{1}^{2}}{a_{1}} - \frac{{(v_{1} - v_{r})}^{2}}{a_{2}}) + v_{1} (t_{1} + t_{2}) + d_{0}

d_{b} = v_{r} (t_{1} + t_{2}) + \frac{1}{2} a_{2} {(t_{1} + t_{2})}^{2}

d_f＝kd_b

t₁表示系统延迟时间，t₂表示驾驶员反应时间，k>1为比例因子，取决于驾驶员个体类型。

将雷达测距传感器测得的实际车间距离D与安全跟车距离d_d、告警距离d_w、模糊控制自动刹车距离d_f和紧急制动距离d_b比较，当车间距离D<d_d时，在自车的仪表显示屏上显示前车的模拟图象，此时既没有声光告警也不产生自动刹车动作；当车间距离D<d_w时，此时产生比较平缓声光告警信号，提醒驾驶员注意安全，但没有自动刹车动作；当车间距离D<d_f时，此时不仅产生较为急促的声光告警信号，提醒驾驶员注意安全，同时模糊控制器开始起动，产生自动刹车动作；当车间距离D<d_b时，此时声光告警信号最为急促，自动刹车装置以最大刹车力进行紧急制动。

当自动制动系统启动后，自动制动系统将通过测距雷达测量获得的两车实时相对距离D(t)以及自车的实时车速V₁(t)与前车的实时车速V₂(t)的差值V_r(t)一起输入给模糊控制器，然后模糊控制器根据模糊规则在不同的两车相对速度V_r(t)和相对距离D(t)下进行模糊推理，从而输出相应的控制信号，自动制动系统根据控制信号产生相应的制动力矩，控制自车减速。与此同时，ABS系统不断计算车轮的滑移率和附着系数，当判定制动器处于完全制动状态时ABS系统开始工作，适时调整制动器上的制动压力，使自动制动系统保持最佳的制动状态。

雷达测距传感器检测到的前后两车的车间距离D不是直接送到模糊控制器，而是先行进行归一化运算，归一化因子为模糊控制自动刹车距离d_f，即

D^{'} = \frac{D}{d_{f}} \times 100

模糊控制器输入参数不是车间距离D的绝对值，而是与模糊控制自动刹车距离d_f比较的相对值，当模糊控制自动刹车距离d_f较小时，可以放大车间距离值所起到的模糊控制效果，达到“自适应”控制的目的。而且，模糊控制自动刹车距离d_f是与比例因子k和自车及前车可能达到的最大制动减速度a₁和a₂这几个参数的大小相关的，也就是它会随着驾驶员个体类型和天气、路面、车型、载重变化而自适应变化，从而达到“自适应”控制的目的。

本发明的有益效果：

(1)采用模糊控制方法判断主动防撞的告警和自动刹车条件，模糊控制器的输入参数是自适应变化的，作为输入参数之一的车间距离对安全行车距离归一化，即随着安全距离的实时变化，归一化的尺度也随之变化。

(2)根据车间距离的大小进行分级管理，分为4个等级：显示安全跟车、告警、启动模糊控制自动刹车和紧急制动，4个等级的车间距离有明确的定义。

(3)改变自动刹车距离的尺度，即可调整适应驾驶员个体情况(分为刚猛型、适中型和保守型)，改变安全行车距离的计算参数，即可调整适应天气变化、路面干湿和车型载重等情况，而无需改变模糊控制规则表和算法表，非常方便实用。

附图说明

图1是本发明车间距离分级管理示意图；

图2是本发明安全距离和车间距离分级管理的自适应装置示意图；

图3是本发明自适应模糊控制工作原理框图。

图中，1.自车，2.前车，3.雷达测距传感器，4.雷达测速传感器，5.霍尔车速传感器，6.天气、路面、车型、载重情况输入单元，7.驾驶员个体类型输入单元，8.安全距离算法单元，9.乘法单元，10.车间距离分级管理单元，11.仪表显示安全跟车单元，12.声光告警单元，13.紧急制动单元，14.模糊控制自动刹车单元，15.归一化单元，16.模糊逻辑控制器，17.辅助制动装置，18.制动及ABS系统，19.积分器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明。

本发明涉及的一种用于汽车主动防撞技术的自适应模糊控制方法，其安全距离及车间距离如图1所示，其车间距离分级管理及模糊控制的系统结构如图2、图3所示。

自车1和前车2在车道上行驶，其车间实际距离可通过自车1上的雷达测距传感器3测得为D，根据车间距离的大小可将自车1的控制行为分为4个等级，分别对应为显示安全跟车距离d_d、告警距离d_w、模糊控制自动刹车距离d_f和紧急制动距离d_b。4个等级的分级阈值距离的大小关系如图1所示。

车间距离分级管理控制逻辑关系如图2所示。当车间距离D<d_d时，在自车1的仪表显示屏上显示前车2的模拟图象，此时既没有声光告警也不产生自动刹车动作；当车间距离D<d_w时，此时产生比较平缓声光告警信号，提醒驾驶员注意安全，但没有自动刹车动作；当车间距离D<d_f时，此时不仅产生较为急促的声光告警信号，提醒驾驶员注意安全，同时模糊控制器开始起动，产生自动刹车动作；当车间距离D<d_b时，此时声光告警信号最为急促，自动刹车装置以最大刹车力进行紧急制动。

自车1上的雷达测速传感器4和霍尔车速传感器5分别测得两车的相对车速v_r和自车车速v₁，天气、路面、车型、载重情况输入单元6根据传感器获得的信息及人工输入信息综合建模，得到自车及前车可能达到的最大制动减速度a₁和a₂，这些信息输入到安全距离算法单元8中，根据公式(1)和公式(2)计算得到提醒报警距离d_w和紧急制动距离d_b。

采用模糊控制方法判断主动防撞的告警和自动刹车条件，模糊控制器的输入参数是自适应变化的，作为输入参数之一的车间距离对安全行车距离归一化，即随着安全距离的实时变化，归一化的尺度也随之变化。在这里，安全距离的计算方法是一个重要的环节。

提醒报警距离计算模型：

d_{w} = \frac{1}{2} (\frac{v_{1}^{2}}{a_{1}} - \frac{{(v_{1} - v_{r})}^{2}}{a_{2}}) + v_{1} (t_{1} + t_{2}) + d_{0} - - - (1)

紧急制动距离计算模型：

d_{b} = v_{r} (t_{1} + t_{2}) + \frac{1}{2} a_{2} {(t_{1} + t_{2})}^{2} - - - (2)

其中，v₁：自车速度，单位m/s；v_r：相对速度，单位m/s；a₁：自车制动减速度，单位m/s²；a₂：前车制动减速度，单位m/s²；t₁：系统延迟时间，单位s；t₂：驾驶员反应时间，单位s；d_w：提醒报警距离，单位m；d_b：紧急制动距离，单位m；

模糊控制自动刹车距离：

d_f＝kd_b (3)

其中，k>1为比例因子。

驾驶员个体类型输入单元7通过人工输入个体类型(分为刚猛型、适中型和保守型，对应于保守型驾驶员的k值取值较大，适中型驾驶员的k值取中间值。只需调整k的取值，即可适应驾驶员的个体情况，简单方便)，得到比例因子k，紧急制动距离d_b通过乘法单元9与比例因子k相乘，得到模糊控制自动刹车距离d_f；显示安全跟车距离d_d可预先设定为200m。改变自动刹车距离的尺度，即可调整适应驾驶员个体情况(分为刚猛型、适中型和保守型)，改变安全行车距离的计算参数，即可调整适应天气变化、路面干湿和车型载重等情况，而无需改变模糊控制规则表和算法表，非常方便实用。

车间距离分级管理单元10将雷达测距传感器3测得的实际车间距离D与4个等级的分级阈值距离即显示安全跟车距离d_d、告警距离d_w、模糊控制自动刹车距离d_f和紧急制动距离d_b比较，看其落在哪个范围内，则输出相应的控制行为，分别到仪表显示安全跟车单元11、声光告警单元12、紧急制动单元13和模糊控制自动刹车单元14。其中，模糊控制自动刹车单元14的工作原理在附图3中进行进一步的详细描述。

车间距离分级管理的“自适应性”主要体现在比例因子k和自车及前车可能达到的最大制动减速度a₁和a₂这几个参数上，其参数值随着驾驶员个体类型和天气、路面、车型、载重等情况的变化而自适应变化，只需简单更改几个参数值便可使控制系统在千变万化的环境中维持稳定的制动效果。

自适应模糊控制工作过程：

图3所示为模糊控制自动刹车单元所实现的自动制动系统的工作原理图。自动制动控制系统是汽车主动防碰撞控制系统中的核心控制部分，它由雷达测距传感器3、归一化单元15、模糊逻辑控制器16、辅助制动装置17、制动及ABS系统18、积分器19等组成。在实际系统中，图中所示相对车速v_r和自车车速v₁可由自车1上的雷达测速传感器4和霍尔车速传感器5分别测得。

当汽车主动防碰撞控制系统检测到前后两车的车间距离D小于模糊控制自动刹车距离d_f时，主动防撞控制系统将会启动自动刹车制动控制系统，以保证行车的安全。

如图所示，当自动制动系统启动后，自动制动系统将通过测距雷达测量获得的两车实时相对距离D(t)以及自车的实时车速V₁(t)与前车的实时车速V₂(t)的差值V_r(t)一起输入给模糊控制器16，然后模糊控制器16根据模糊规则在不同的两车相对速度V_r(t)和相对距离D(t)下进行模糊推理，从而输出相应的控制信号(即辅助制动装置17控制信号)。自动制动系统18根据控制信号产生相应的制动力矩，控制自车减速。与此同时，ABS系统18不断计算车轮的滑移率和附着系数，当判定制动器处于完全制动状态时ABS系统18开始工作，适时调整制动器上的制动压力，使自动制动系统保持最佳的制动状态。

图中，控制系统的“自适应性”主要体现在归一化单元15中。雷达测距传感器3检测到的前后两车的车间距离D不是直接送到模糊控制器，而是先行进行归一化运算，归一化因子为模糊控制自动刹车距离d_f，即

D^{'} = \frac{D}{d_{f}} \times 100 - - - (4)

模糊控制器输入参数不是车间距离D的绝对值，而是与模糊控制自动刹车距离d_f比较的相对值，当模糊控制自动刹车距离d_f较小时，可以放大车间距离值所起到的模糊控制效果，达到“自适应”控制的目的。而且，模糊控制自动刹车距离d_f是与比例因子k和自车及前车可能达到的最大制动减速度a₁和a₂这几个参数的大小相关的，也就是它会随着驾驶员个体类型和天气、路面、车型、载重等情况的变化而自适应变化，从而达到“自适应”控制的目的。

这样设计的结果使控制过程简单、方便、实用，无需改变模糊控制规则表和模糊控制算法表便可自适应地调整控制系统，使其适应驾驶员个体类型和天气、路面、车型、载重等情况的变化，适应两车车间相对距离和相对速度的不断变化，保持自动制动的稳定可靠和鲁棒性。

Claims

1.汽车主动防撞自适应模糊控制方法，其特征在于：

d_{w} = \frac{1}{2} (\frac{v_{1}^{2}}{a_{1}} - \frac{{(v_{1} - v_{r})}^{2}}{a_{2}}) + v_{1} (t_{1} + t_{2}) + d_{0}

d_{b} = v_{r} (t_{1} + t_{2}) + \frac{1}{2} a_{2} {(t_{1} + t_{2})}^{2}

d_f＝kd_b

t₁表示系统延迟时间，t₂表示驾驶员反应时间，k>1为比例因子，取决于驾驶员个体类型；

将雷达测距传感器测得的实际车间距离D与安全跟车距离d_d、告警距离d_w、模糊控制自动刹车距离d_f和紧急制动距离d_b比较，当车间距离D<d_d时，在自车的仪表显示屏上显示前车的模拟图象，此时既没有声光告警也不产生自动刹车动作；当车间距离D<d_w时，此时产生比较平缓声光告警信号，提醒驾驶员注意安全，但没有自动刹车动作；当车间距离D<d_f时，此时不仅产生较为急促的声光告警信号，提醒驾驶员注意安全，同时模糊控制器开始起动，产生自动刹车动作；当车间距离D<d_b时，此时声光告警信号最为急促，自动刹车装置以最大刹车力进行紧急制动；

当自动制动系统启动后，自动制动系统将通过测距雷达测量获得的两车实时相对距离D(t)以及自车的实时车速V₁(t)与前车的实时车速V₂(t)的差值V_r(t)一起输入给模糊控制器，然后模糊控制器根据模糊规则在不同的两车相对速度V_r(t)和相对距离D(t)下进行模糊推理，从而输出相应的控制信号，自动制动系统根据控制信号产生相应的制动力矩，控制自车减速；与此同时，ABS系统不断计算车轮的滑移率和附着系数，当判定制动器处于完全制动状态时ABS系统开始工作，适时调整制动器上的制动压力，使自动制动系统保持最佳的制动状态；

D^{'} = \frac{D}{d_{f}} \times 100

模糊控制器输入参数不是车间距离D的绝对值，而是与模糊控制自动刹车距离d_f比较的相对值，当模糊控制自动刹车距离d_f较小时，可以放大车间距离值所起到的模糊控制效果，达到“自适应”控制的目的；而且，模糊控制自动刹车距离d_f是与比例因子k和自车及前车可能达到的最大制动减速度a₁和a₂这几个参数的大小相关的，也就是它会随着驾驶员个体类型和天气、路面、车型、载重变化而自适应变化，从而达到“自适应”控制的目的。