CN106427998A - 一种高速状态下车辆紧急变道避撞的控制方法 - Google Patents

一种高速状态下车辆紧急变道避撞的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高速状态下车辆紧急变道避撞的控制方法，属于车辆主动安全技术领域，检测单元通过GPS/INS、毫米波雷达、高清摄像头、速度传感器和加速度传感器，得出路面附着系数、本车与相邻车道车辆的车速、车距和加速度；处理单元根据检测单元的数据判断在有碰撞危险情况下采取报警还是采取紧急变道避撞干预措施，报警单元通过语音提示和车载终端显示，执行单元通过制动、转向控制器实现变道避撞干预。本发明可以实现危险预警、变道提示以及在不能通过紧急刹车来避免事故的情况下，通过对相邻车道车辆车速、加速度和车距判断变道方向，合理的规划紧急变道轨迹，从而进行紧急变道避撞达到避免事故发生的目的。

Description

一种高速状态下车辆紧急变道避撞的控制方法
技术领域
本发明属于车辆主动安全技术领域，具体涉及一种高速状态下车辆紧急变道避撞的控制方法。
背景技术
随着世界范围内汽车保有量的不断增加，汽车交通事故发生起数的连年递增，交通安全问题成为了现代社会的一大公害。据统计，在所有的交通事故中，汽车碰撞事故(包括车车碰撞和车与固定物碰撞)是主要形式，占交通事故的60％～70％。而汽车碰撞事故大多是由行车速度过快、行车间距过小、刹车不及时等因素造成。目前所研究的避撞控制系统大都采用紧急制动的方法，这种方式会增加安全距离，极大降低道路交通效率，并且受天气环境影响较大。而在实际情况中，驾驶员更习惯于变道操作，因此改变遇到紧急情况就制动的“单一控制”，合理的规划紧急变道轨迹，对于汽车主动安全系统开发中智能避障和主动变道都具有重要意义。汽车主动避撞系统能在事故发生前提醒驾驶员注意，并在紧急状况下自动采取安全措施，可以有效减少汽车碰撞事故的发生。
目前存在一些主动避撞技术，在紧急状况下通过动态性的干预，自动的启动紧急制动和紧急变道避让干预措施，但存在以下缺点，判断避让方向只是根据雷达检测本车与前车，相邻车道的车辆的车距，没考虑自车与前车，相邻车道车辆车速，加速度，所以检测的内容较少，避让路径规划不合理，同时在危险状态下并不能保障车辆安全的最大限度的避撞。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种高速状态下车辆紧急变道避撞的控制方法。
本发明的技术方案采用以下步骤：
步骤一，控制系统初始化，本车通过高清摄像头获取路面附着系数f，并传输给信息处理模块；本车通过速度传感器和加速度传感器分别采集本车车速V和加速度a，并实时传输给存储模块和信息处理模块；
步骤二，控制系统判断本车车速V的大小，当V≥60km/h时，控制系统执行步骤三，否则返回步骤一；
步骤三，GPS/INS和毫米波雷达根据存储模块中存有的本车车速V和加速度a，得出前车的速度V1和加速度a1，相邻车道车辆的速度Vf、Vb和加速度af、ab，并传送给信息处理模块；
步骤四，本车通过GPS/INS和毫米波雷达分别采集本车与前车车距S1、本车与相邻车道车辆的车距Sf和Sb，并传送给信息处理模块；
步骤五，毫米波雷达检测到前方突然出现障碍物或者前方车辆突然减速时，信息处理模块计算本车与前车的制动安全距离Sa，并比较本车与前车的车距S1与制动安全距离Sa大小，从而判断本车发生碰撞的紧急程度，采取相应的措施。
进一步，所述步骤五中判断本车发生碰撞的紧急程度，采取相应的措施具体为：
当本车与前车车距S1≥Sa时，信息处理模块计算本车与前车的报警安全距离Sd，当本车与前车车距S1≤Sd时，进行报警，并在仪表盘提示转向信息，否则返回步骤二；
当本车与前车车距S1＜Sa时，表明不能通过紧急刹车来避免事故，控制系统判断本车的避让方向，并通过仪表盘提示转向信息；若驾驶员不执行转向或转向过度，控制系统进行变道路径规划，然后启动紧急变道避撞干预措施。
进一步，控制系统判断本车的避让方向具体为：①比较本车与左侧车道前方车辆车距Sf和本车与左侧车道前方车辆最小变道安全距离的大小，其中t为变道时长，Sm为静态安全车距，fμ为路面附着系数的权重因素；②比较本车与左侧车道后方车辆车距Sb和本车与左侧车道后方车辆最小变道安全距离的大小；当且时，本车可以进行向左侧变道，车辆仪表盘提示变道信息，否则不能变道；本车采取最大的制动力进行减速，减少事故的严重程度；右侧车道判断方法同左侧车道判断方法。
进一步，紧急变道避撞干预措施具体为：紧急变道避撞干预措施包括制动干预和转向干预，
制动干预系统包括制动控制器、电机驱动机构、加装在制动踏板上的机械机构和加装在油门踏板的机械机构，制动控制器采用传统的PID算法来控制电机驱动机构，以此来拉动制动踏板和油门踏板，实现紧急变道前减速；
转向干预系统包括转向控制器、电机驱动机构和液压驱动机构，转向控制器通过模型控制算法输入加速度模型来控制电机、液压驱动机构，来实现转向。
进一步，控制系统进行变道路径规划，具体为：
横向加速度模型：其中ay为变道过程中车辆的横向加速度，ye为车辆完成换道后横向位移，Td为变道持续时间参数，t为变道时长，TR为驾驶员的反应时间，te为紧急变道所持续的时间；可得方向盘转角：
其中δ(t)为方向盘转角，K为驾驶员变道过程中方向盘转角峰值参数；将方向盘转角输入转向控制器，实现车辆自动变道。
本发明能够达到的效益：本发明通过相邻车道车辆车速、加速度和车距来判断变道方向，合理的规划紧急变道轨迹，主动采取变道避撞干预措施，实现了危险预警、变道提示以及在不能通过紧急刹车来避免事故的情况下，进行紧急变道避撞，达到避免事故发生的目的，能够最大限度减轻事故后果、减轻给道路使用者带来的受伤风险。改变了遇到紧急情况时制动的“单一控制”，是对紧急制动系统在横向动力干预方面的补充。
附图说明
图1为本发明一种高速状态下车辆紧急变道避撞的控制系统的结构框图；
图2为本发明仿真的车辆及相邻车道车辆的示意图；
图3为本发明一种高速状态下车辆紧急变道避撞的控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明的作进一步详细说明。
如图1所示，一种高速状态下车辆紧急变道避撞的控制系统,包括检测单元，处理单元，报警单元和执行单元；
所述检测单元、处理单元、报警单元以及执行单元依次相连；
所述检测单元由GPS/INS、毫米波雷达、高清摄像头、速度传感器和加速度传感器组成，毫米波雷达安装在车辆的前、后端，高清摄像头安装在车辆前侧大灯下方，速度传感器安装在变速器输出轴上，加速度传感器安装在车身稳定系统ESP里面；GPS/INS和毫米波雷达分别用于采集本车与前车车距S1、本车与相邻车道车辆的车距Sf和Sb；高清摄像头、速度传感器和加速度传感器分别用于采集行驶路面附着系数f、本车车速V和加速度a，并传送给处理单元；
所述处理单元由存储模块和信息处理模块组成，分别用于存储和处理检测单元的数据，有效的识别出危险状态，生成提示信息，判断是否采取干预措施和规划变道路径；GPS/INS和毫米波雷达根据存储模块中存有的本车车速V和加速度a，得出前车的速度V1和加速度a1，相邻车道车辆速度Vf和Vb，加速度af和ab(如图2所示)，并传送给信息处理模块；(相邻车道只对左侧车道进行判断，实际情况中相邻左右车道的判断方法是一样的，所以在此简化就对一侧车道进行详细处理)；
所述报警单元包括语音提示模块和车载终端，语音提示模块采用ISD1730语音芯片，用于向驾驶员提供安全距离预警；车载终端在车辆仪表盘内，用于向驾驶员提供变道方向信息；
所述执行模块包括制动控制器和转向控制器，根据决策信息在驾驶员紧急制动避免事故无望的情况下，采取主动变道避撞措施，或者在没有条件避让的情况下，采取最大限度制动力进行制动减速。
图3所示是一种高速状态下车辆紧急变道避撞的控制方法流程图，包括步骤：
步骤一，控制系统初始化，本车通过高清摄像头获取路面附着系数f，并传输给信息处理模块；本车通过速度传感器和加速度传感器分别采集本车车速V和加速度a，并实时传输给存储模块和信息处理模块。
步骤二，控制系统判断本车车速V的大小，当V≥60km/h时，控制系统执行步骤三，否则返回步骤一。
步骤三，GPS/INS和毫米波雷达根据存储模块中存有的本车车速V和加速度a，得出前车的速度V1和加速度a1，相邻车道车辆的速度Vf、Vb和加速度af、ab，并传送给信息处理模块。
步骤四，本车通过GPS/INS和毫米波雷达分别采集本车与前车车距S1、本车与相邻车道车辆的车距Sf和Sb，并传送给信息处理模块。
步骤五，毫米波雷达检测到前方突然出现障碍物或者前方车辆突然减速时，信息处理模块计算本车与前车的制动安全距离Sa；
本车与前车的制动安全距离Sa的计算公式为：
其中：tr为驾驶员反应时间，取值为0.75s；ti为制动器反应时间，取值为0.15s；
比较本车与前车的车距S1与制动安全距离Sa大小，从而判断本车发生碰撞的紧急程度，采取相应的措施；
(1)当本车与前车车距S1≥Sa时，信息处理模块计算本车与前车的报警安全距离Sd，当本车与前车车距S1≥Sd时，进行报警，并在仪表盘提示转向信息，否则返回步骤二；
本车与前车的报警安全距离Sd的计算公式为：
Sd＝Sa+Vthmin (2)
其中thmin为驾驶员容许的最小时距；
(2)当本车与前车车距S1≥Sa时，表明不能通过紧急刹车来避免事故，控制系统判断本车的避让方向，并通过仪表盘提示转向信息；
控制系统判断本车的避让方向具体为：
本车与左侧车道前方车辆避免碰撞的条件为：
XMf(t)≥Xm(t)+LMf+LM cosθ (3)
其中XMf(t)为变道过程中左侧车道前方车辆的位移、Xm(t)为变道过程中本车的位移，t为变道时长，LMf为车辆Mf自身的长度(图2)，LM为车辆M自身的长度(图2)，θ为碰撞临界点车辆M的航向角；
即本车的前部与左侧车道前方车辆的尾部的纵向距离Sfr(t)为：
Sfr(t)＝XMf(t)-Xm(t)-LMf-LM cosθ (4)
当t＝0时，Sfr(0)为变道前本车的前部与左侧车道前方车辆的尾部的纵向距离；
结合车辆运动学基本知识，纵向距离Sfr(t)也可表示为：
当t＝0时，XMf(t)＝XMf(0)，Xm(t)＝Xm(0)，所以
Sfr(0)＝XMf(0)-Xm(0)-LMf-LM cosθ＝Min(M，Mf)-LMf-LMcosθ (6)
只要Sfr(t)大于0，就不会发生任何形式的碰撞，将Sfr(0)代入Sfr(t)，得出本车与左侧前方车辆的最小变道安全距离：
其中Sm为静态安全车距，fμ为路面附着系数的权重因素。
本车与左侧车道后方车辆避免碰撞的条件为：
Xm(t)≥XMb(t)+LMb+LM cosθ (8)
其中XMb(t)为变道过程中左侧车道后方车辆的位移，LMb为车辆Mb自身的长度(图2)；
即本车的尾部与左侧车道后方车辆的前部的纵向距离Sbr(t)为：
Sbr(t)＝Xm(t)-XMb(t)-LMb-LMcosθ (9)
当t＝0时，Sbr(0)为变道前本车的尾部与左侧车道后方车辆的前部的纵向距离；
结合车辆运动学基本知识，纵向距离Sbr(t)也可表示为：
当t＝0时，XMb(t)＝XMb(0)，Xm(t)＝Xm(0)，所以
Sbr(0)＝Xm(0)-XMb(0)-LMb-LM cosθ＝Min(M，Mb)-LMb-LMcosθ (11)
只要Sr(t)大于0，就不会发生任何形式的碰撞，将Sbr(0)代入Sbr(t)，得出本车与左侧车道后方车辆的最小变道安全距离：
①比较本车与左侧车道前方车辆车距Sf和本车与左侧车道前方车辆最小变道安全距离的大小，②比较本车与左侧车道后方车辆车距Sb和本车与左侧车道后方车辆最小变道安全距离的大小；
当且时，本车可以进行向左侧变道，车辆仪表盘提示变道信息，否则不能变道；本车采取最大的制动力进行减速，减少事故的严重程度；右侧车道判断方法同左侧车道判断方法。
若驾驶员不执行转向或转向过度，控制系统进行变道路径规划，然后启动紧急变道避撞干预措施。
控制系统进行变道路径规划，具体为：目前用于车辆最佳车道变换的数学模型有很多种：通过圆弧曲线、贝塞尔样条曲线、考纽螺线或高次多项式拟合轨迹；利用正弦函数作为横向向加速度函数模型，进行积分得到变道轨迹。基于紧急变道避撞的车道变换一般采用单移线的行驶轨迹，本发明采用基于正弦函数加速度模型的车道变换轨迹模型，假设车辆在车道变换操作之前沿直线行驶，初始的侧向加速度、速度及侧向位移都为零，并且在进行变换车道之前对纵向行驶速度进行了调整，则车辆的横向加速度模型为：
其中ay为变道过程中车辆的横向加速度，ye为车辆完成换道后横向位移，Td为变道持续时间参数，TR为驾驶员的反应时间，te为紧急变道所持续的时间；
式(13)中为变道过程中最大的横向加速度，即对应着方向盘转角峰值K。
可得方向盘转角：
其中δ(t)为方向盘转角，K为驾驶员变道过程中方向盘转角峰值参数；
将方向盘转角输入转向控制器，实现车辆自动变道。
紧急变道避撞干预措施具体为：紧急变道避撞干预措施包括制动干预和转向干预，制动干预系统包含制动控制器，电机驱动机构，加装在制动踏板上的机械机构和加装在油门踏板的机械机构，制动控制器与信息处理单元相连，制动控制器采用传统的PID算法来控制电机驱动机构，电机与加装在制动踏板上的机械机构和加装在油门踏板的机械机构相连，以此来拉动制动踏板和油门踏板，实现紧急变道前减速。转向系统干预包含转向控制器，电机驱动机构和液压驱动机构，转向控制器与信息处理单元相连，转向机构包含转向执行机构和纵向执行机构，电机驱动机构作为转向的执行机构，液压驱动机构作为纵向执行机构来助力转向。转向控制器通过模型控制算法输入加速度模型来控制电机和液压驱动机构，电机安装在转向机构上，液压驱动机构安装在液压助力泵上。系统通过方向盘转角的检测可确定驾驶员的转向操作是否到位(包括过度转向)，制动控制器和转向控制器施加能够让驾驶员感觉到的制动踏板力和方向盘转向力。同时电子稳定控制系统(ESC)被启动，以便使车轮在快速避让机动过程中不离开路面，并通过有选择性地和及早对个别车轮施加初始制动压力来保持汽车稳定，从而最终实现变道干预操作。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高速状态下车辆紧急变道避撞的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，控制系统初始化，本车通过高清摄像头获取路面附着系数f，并传输给信息处理模块；本车通过速度传感器和加速度传感器分别采集本车车速V和加速度a，并实时传输给存储模块和信息处理模块；
步骤二，控制系统判断本车车速V的大小，当V≥60km/h时，控制系统执行步骤三，否则返回步骤一；
步骤三，GPS/INS和毫米波雷达根据存储模块中存有的本车车速V和加速度a，得出前车的速度V1和加速度a1，相邻车道车辆的速度Vf、Vb和加速度af、ab，并传送给信息处理模块；
步骤四，本车通过GPS/INS和毫米波雷达分别采集本车与前车车距S1、本车与相邻车道车辆的车距Sf和Sb，并传送给信息处理模块；
步骤五，毫米波雷达检测到前方突然出现障碍物或者前方车辆突然减速时，信息处理模块计算本车与前车的制动安全距离Sa，并比较本车与前车的车距S1与制动安全距离Sa大小，从而判断本车发生碰撞的紧急程度，采取相应的措施。
2.根据权利要求1所述的一种高速状态下车辆紧急变道避撞的控制方法，其特征在于，所述步骤五中判断本车发生碰撞的紧急程度，采取相应的措施具体为：
当本车与前车车距S1≥Sa时，信息处理模块计算本车与前车的报警安全距离Sd，当本车与前车车距S1≤Sd时，进行报警，并在仪表盘提示转向信息，否则返回步骤二；
当本车与前车车距S1＜Sa时，表明不能通过紧急刹车来避免事故，控制系统判断本车的避让方向，并通过仪表盘提示转向信息；若驾驶员不执行转向或转向过度，控制系统进行变道路径规划，然后启动紧急变道避撞干预措施。
3.根据权利要求2所述的一种高速状态下车辆紧急变道避撞的控制方法，其特征在于，控制系统判断本车的避让方向具体为：①比较本车与左侧车道前方车辆车距Sf和本车与左侧车道前方车辆最小变道安全距离的大小，其中t为变道时长，Sm为静态安全车距，fμ为路面附着系数的权重因素；②比较本车与左侧车道后方车辆车距Sb和本车与左侧车道后方车辆最小变道安全距离的大小；当且时，本车可以进行向左侧变道，车辆仪表盘提示变道信息，否则不能变道；本车采取最大的制动力进行减速，减少事故的严重程度；右侧车道判断方法同左侧车道判断方法。
4.根据权利要求2所述的一种高速状态下车辆紧急变道避撞的控制方法，其特征在于，紧急变道避撞干预措施具体为：紧急变道避撞干预措施包括制动干预和转向干预，
制动干预系统包括制动控制器、电机驱动机构、加装在制动踏板上的机械机构和加装在油门踏板的机械机构，制动控制器采用传统的PID算法来控制电机驱动机构，以此来拉动制动踏板和油门踏板，实现紧急变道前减速；
转向干预系统包括转向控制器、电机驱动机构和液压驱动机构，转向控制器通过模型控制算法输入加速度模型来控制电机、液压驱动机构，来实现转向。
5.根据权利要求4所述的一种高速状态下车辆紧急变道避撞的控制方法，其特征在于，控制系统进行变道路径规划，具体为：
横向加速度模型：其中ay为变道过程中车辆的横向加速度，ye为车辆完成换道后横向位移，Td为变道持续时间参数，t为变道时长，TR为驾驶员的反应时间，te为紧急变道所持续的时间；可得方向盘转角：其中δ(t)为方向盘转角，K为驾驶员变道过程中方向盘转角峰值参数；将方向盘转角输入转向控制器，实现车辆自动变道。
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