CN107380162B - 基于功能分配与多目标模糊决策的协同避撞方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于功能分配与多目标模糊决策的协同避撞方法，包括如下步骤：车辆在行驶时通过车载传感器实时采集车辆运行状态信息，并发送至上层控制器；上层控制器根据接收到的车辆运行状态信息及制动和转向安全距离进行计算，确定当前车辆所处紧急工况并选择相应的避撞方式；运用多目标模糊决策来确定下层的转向控制器与制动控制器的功能分配系数，以实现转向与制动功能分配控制，控制车辆有效避撞，提高行车安全性。

Description

基于功能分配与多目标模糊决策的协同避撞方法

技术领域

本发明属于汽车主动安全技术领域，具体涉及一种基于功能分配与多目标模糊决策的协同避撞方法。

背景技术

车辆主动避撞系统(Vehicle Collision Avoidance System，VCAS)作为智能交通系统(Intelligent Transport System，ITS)的组成部分，对于提高行驶安全、预防碰撞事故具有重要的作用。

纵向制动避撞控制通过降低自车车速避免与前车追尾，但所需避撞安全车距较大，若前车突然制动或减速，自车容易因车距较小而不能有效避撞。转向避撞控制在高相对速度、低附着系数等工况下相对于制动避撞控制所需的纵向距离更小，避撞效能更高。但单一转向避撞控制仍存在局限性，例如，车辆通过单一制动控制无法避开自车道前车，通过单一转向控制可以避开前车，但转向的目标车道上前车车速较低，转向时自车易与目标车道前车相撞，因此需要转向与制动协同控制，防止发生斜碰、侧碰、追尾等事故。

目前，避撞设计时有的通过两车实际距离与安全距离比较选择一维或二维避撞方式，包括转向辅助、制动、预警或转向与制动协同避撞等，此方法避免了单一避撞方式的局限；有的提出采用非线性模型预测控制算法进行转向与制动协同避撞控制，此方法考虑车辆侧向加速度大小来限制车轮转角，保证稳定性；但这些协同控制方法的控制目标都较单一。

发明内容

本发明针对某些紧急工况下单一转向或单一制动控制不能有效避撞或避撞时操纵稳定性较差的问题，提出一种无人驾驶汽车避撞方法，即基于功能分配与多目标模糊决策的避撞方法。

技术方案：一种基于功能分配与多目标模糊决策的协同避撞方法，包括如下步骤：

车辆在行驶时通过车载传感器实时采集车辆运行状态信息，并发送至上层控制器；

上层控制器根据接收到的车辆运行状态信息及制动和转向安全距离进行计算，确定当前车辆所处紧急工况并选择相应的避撞方式；

在选择转向与制动协同控制的避撞方式下，运用多目标模糊决策来确定下层的转向控制器与制动控制器的功能分配系数，以实现转向与制动功能分配控制，控制车辆有效避撞；

其中，功能分配系数指的是转向系数λ和制动系数γ；所述车辆运行状态信息包括自车纵向位移、纵向加速度和侧向加速度以及前车纵向车速、右前车纵向车速。

进一步的，上层控制器对单一转向控制、单一制动控制和转向与制动协同控制的壁撞方式选择原则是：

当自车右前角点与前车右后角点间实际距离d_b不小于自车与前车的制动安全距离S₁时，通过制动控制即可有效避撞，制动系数γ＝1，转向系数λ＝0；

当自车右前角点与前车右后角点间实际距离d_b小于自车与前车的制动安全距离S₁，且自车与前车的制动安全距离S₁不小于自车与右前车的转向初始安全距离S_S(0)，且自车右前角点与目标车道前车左后角点间实际距离S₂大于自车与右前车的转向初始安全距离S_R(0)，且自车纵向车速u_M(t)不大于右前车纵向车速u_FR(t)，且自车纵向车速u_M(t)不大于80km/h时，通过转向换道可以有效避撞，制动系数γ＝0，转向系数λ＝1；

当不符合前面两项任意一项的条件时选择转向与制动协同控制。

进一步的，采用多目标模糊决策的vague集方法来确定转向系数λ和制动系数γ的范围。

进一步的，制动系数选取原则:制动系统采用路面可提供的最大制动力进行制动，因此转向与制动协同控制时制动系数的范围为0＜γ≤1。

进一步的，转向系数的选取原则：防止自车与前车的右后点碰撞：避撞轨迹为恰好避开前车、右前车的轨迹，若自车与前车实际距离等于转向安全距离，则只有λ≥1的轨迹可以使自车避开前车；若自车与前车实际距离大于转向安全距离，即存在余量Δ(纵向位移差)，则可利用此余量增大λ的选取范围，通过余量利用方式确定转向系数取值下限；防止自车撞上最右侧路肩，即自车右边缘与右侧路肩间距大于零，由此确定转向系数λ的上限值。

进一步的，转向控制器与制动控制器分别采用PI控制，控制实际的加速度跟踪期望的加速度。

进一步的，该方法还包括建立车辆稳定性评价，通过比较车辆转向行驶时的实际的横摆角速度和质心侧偏角与计算得到的理想横摆角速度和质心侧偏角的偏差来评价车辆稳定性。

进一步的，采用线性2自由度车辆模型计算出车辆转向行驶时的理想横摆角速度和理想质心侧偏角。

本发明克服了单一制动避撞和单一转向避撞的局限性，采用制动、转向、制动和转向协同控制三种方式，且相对于传统的协同控制能更好地满足不同紧急情况下的避撞要求，控制车辆有效避撞，提高行车安全性。

附图说明

图1是实施例中所述的协同控制系统示意图；

图2是实施例中所述的换道轨迹示意图；

图3是实施例中所述的转向与制动系数值域示意图；

图4是实施例中所述的纵向位移示意图；

图5是实施例中所述的侧向位移示意图；

图6是实施例中所述的横摆角速度响应示意图；

图7是实施例中所述的质心侧偏角响应示意图。

具体实施方式

为更清楚地表述本发明的技术方案，下面将基于功能分配与多目标模糊决策的协同避撞方法结合仿真平台的具体实施例进行说明。

基于功能分配与多目标模糊决策的协同避撞方法包括以下步骤：

步骤一：选取CarSim环境中的车辆模型作为整车动力学模型。

由于本文研究的协同控制系统是面向车辆的整个系统进行控制的，需要建立的动力学系统模型十分庞大复杂，若要进行简化建模，则会因为忽略的因素过多而使得模型精确性降低。因此本文采用虚拟动力学仿真软件Carsim建立能够实时模拟车辆运行状态、反映系统动态特性的动力学系统模型，并将其导入到Matlab/Simulink中进行联合仿真。

步骤二：选取一元五次多项式描述换道轨迹，求取期望侧向加速度。

一元五次多项式描述换道轨迹为：

y_M(t)＝(H/t_lat ⁵)(6t⁵-15t_latt⁴+10t_lat ²t³) (1)

式中，0≤t≤t_lat，y_M(t)为自车侧向位移，t表示时间，H是车辆完成换道过程的侧向位移,取3.75米。t_lat是换道总时间，取2.5秒。

由(1)式求导，得侧向速度v_M(t)，即：

v_M(t)＝(30Ht_lat ⁵)(t⁴-2t_latt³+t_lat ²t²) (2)

由(2)式求导，得期望侧向加速度a_MY(t)，即：

a_MY(t)＝(60H/t_lat ⁵)(2t³-3t_latt²+t_lat ²t) (3)

式中，0≤t≤t_lat。

步骤三：求取期望纵向加速度。

期望纵向加速度a_MX为：

a_MX＝μg (4)

式中，a_MX为自车纵向加速度，μ为路面附着系数。

步骤二和步骤三求取的期望侧向加速度和期望纵向加速度也就是对实际加速度控制后期望达到的理想值。

步骤四：建立基于多目标模糊决策的避撞策略。

车辆在行驶时通过各种车载传感器实时感知车辆运行状态，上层功能分配协同控制器(即上层控制器)判断车辆所处状态，决策避撞方式，功能分配协同控制器根据自车运行状态按单一制动控制和单一转向控制的有效区域(如图3中的仿真结果)来确定各下层控制器(即转向控制器和制动控制器)的作用权重。转向权重系数为λ，制动权重系数为γ。下层控制器分别输出期望的侧向加速度和纵向加速度给车辆系统，使车辆完成避撞且保持较好操纵稳定性。

车辆需要转向与制动协同控制的典型工况如下：

(1)车辆通过单一制动控制无法避开自车道前车，通过单一转向控制可以避开前车，但转向的目标车道上前车车速较低，转向时自车易与目标车道前车相撞，因此需要转向与制动协同控制，防止发生斜碰、侧碰、追尾等事故。

(2)车辆通过单一制动控制无法避开自车道前车，通过单一转向控制可以避开前车，但转向时自车车速较大，单一转向控制，车辆稳定性较差，因此需要转向与制动协同控制，防止发生侧滑、侧碰事故。

单一转向控制、单一制动控制和转向与制动协同控制作用的有效区域，以及转向权重系数和制动权重系数的取值原则如下：

(1)当S₁≥d_b时，制动系数γ＝1，转向系数λ＝0。

其中，S₁为自车右前角点与前车右后角点间实际距离，d_b为自车与前车的制动安全距离。当两车实际距离大于制动安全距离时，通过制动控制即可有效避撞。

(2)当S₁＜d_b,S₁≥S_S(0),S₂＞S_R(0)且u_M(t)≤u_FR(t)，且u_M(t)＜80km/h时，制动系数γ＝0，转向系数λ＝1。

其中，S₂为自车右前角点与目标车道前车左后角点间实际距离，S_S(0)为自车与前车转向初始安全距离，S_R(0)为自车与右前车的转向初始安全距离。u_M(t)为自车纵向车速，u_FR(t)为右前车纵向车速。该紧急情况下通过转向换道可以有效避撞。

(3)不符合(1)、(2)条件时选择转向与制动协同控制。

协同控制系统采用多目标模糊决策确定功能分配系数，即合理选择转向系数λ和制动系数γ，对于协同转向与制动实现紧急避撞有关键作用。

由于在避撞设计时，在实现多目标控制过程中有一些不确定性，多目标模糊决策的vague集方法在处理不确定性方面具有明显优势。因此，本发明采用多目标模糊决策的vague集方法来确定λ、γ的范围。

协同控制器使自车有效避开前车和目标车道的前车的目标是：较小的纵向位移、较小的横摆角速度、较小的质心侧偏角，分别用C₁、C₂、C₃表示。则目标集可表示C＝{C₁,C₂,C₃}。供选方案：单一转向控制、单一制动控制、转向与制动协同控制，用A₁、A₂、A₃表示，则方案集为A＝{A₁,A₂,A₃}。

方案A_i可以用Vague集表示为：

A_i＝{(C₁[t_i1,1-f_i1]),(C₂[t_i2,1-f_i2]),(C₃[t_i3,1-f_i3])} (5)

式中，t_ij为方案A_i满足目标C_j的程度，即目标C_j属于方案A_i的真隶属函数；f_ij为方案A_i不满足目标C_j的程度，即目标C_j不属于方案A_i的真隶属函数。t_ij∈[0,1]，f_ij∈[0,1]，t_ij+f_ij≤1。i＝1,2,3j＝1,2,3。

若决策者选择一个方案来同时满足目标C₁、C₂、C₃，则满足这一方案的估计函数E可定义为：

其中，

根据估计函数，定义评价函数

若J(E(A_i))为最大，则方案A_i是最佳选择，J(E(A_i))∈[-1,1]，i＝1,2,3

根据上述的多目标决策理论可知，当满足取值原则(3)时，同时转向制动的避撞策略效果最好，根据多目标模糊决策理论可以得到：

J(E(A₃))＞max{J(E(A₁)),J(E(A₂))} (8)

即，

制动系数选取原则:制动系统采用路面可提供的最大制动力进行制动，因此转向与制动协同控制时制动系数的范围为0＜γ≤1。

转向系数的选取原则：

(1)防止自车与前车的右后点碰撞。避撞轨迹为恰好避开前车、右前车的轨迹，若自车与前车实际距离等于转向安全距离，则只有λ≥1的轨迹可以使自车避开前车。若自车与前车实际距离大于转向安全距离，即存在余量Δ(余量为实际距离与转向安全距离之差)，则可利用此余量增大λ的选取范围，因此λ＜1也有可能实现避撞。通过余量利用方式确定转向系数取值下限。通过仿真实验得到轨迹纵向位移差与转向系数下限的对应关系，如表1所示。

表1纵向位移与转向系数关系

(2)防止自车撞上最右侧路肩，即图中5处自车右边缘与右侧路肩间距大于零，由此确定转向系数λ的上限值，通过高速避撞仿真实验得上限为1.25。

步骤五：建立转向控制器与制动控制器。

转向控制器与制动控制器分别采用PI控制，控制实际的加速度跟踪期望的加速度。其中，转向控制器的输入为期望侧向加速度与实际侧向加速度的偏差，经过PI调节后输出给逆转向动力学模型，经过仿真调试，P＝1.8，I＝0.6；制动控制器的输入为理想纵向加速度与期望纵向加速度的偏差，经过PI调节后输出给逆制动动力学模型，经过仿真调试，P＝1.5，I＝0.8。

步骤六：建立车辆稳定性评价。根据线性2自由度车辆模型可以计算出车辆转向行驶时的理想横摆角速度和理想质心侧偏角分别为：

式中，K为稳定性因素，δ_f为前轮转角，m表示整车质量，l表示轴距，k₁和k₂为前、后轮的侧偏刚度。

步骤七：仿真验证算法正确性。将转向与制动协同控制系统在CarSim和Simulink环境中进行联合仿真，三辆仿真实验车车辆均选用D‐Class Sedan车型，整车参数如表2。

表2整车参数

仿真条件：路面附着系数为0.8，自车与前车纵向距离为25m，相邻右侧车道上前车与自车纵向距离为15m，三车初始时刻质心位于车道中心线上，自车初始纵向车速110km/h,初始侧向车速为0，前车纵向匀速车速100km/h,右前车纵向匀速车速为85km/h前车F和右前车FR在仿真实验过程中无侧向位移。通过功能分配协同控制和单一转向控制对比来验证控制策略的效果。

定义Vague集为：

A₁＝{(C₁[0.2,0.3]),(C₃[0.95，0.95]),(C₄[,0.9,0.9])}，

A₂＝{(C₁[0.9,0.9]),(C₃[0.3,0.7]),(C₄[0.6,0.4])}

通过式(8)以及转向系数与制动系数取值原则，得转向与制动系数值域。经调试取转向权重系数λ＝0.85，制动权重系数为γ＝0.51。

下面结合附图及具体实施例进一步详细说明。

图1中，车辆在行驶时通过各种车载传感器实时感知车辆运行状态，上层功能分配协同控制器判断车辆所处状态，决策避撞方式，控制系统根据自车运行状态按单一制动控制和单一转向控制的有效区域来确定各下层控制器的作用权重。转向权重系数为λ，制动权重系数为γ。下层控制器(即转向控制器和制动控制器)分别输出期望的侧向和纵向加速度给车辆系统，使车辆完成避撞且保持较好操纵稳定性。

图2中，改变转向系数λ得到自车M的换道轨迹1、2、3、4，其中λ₄＜λ₃。

转向系数的选取原则：(1)防止自车与前车的右后点碰撞。避撞轨迹(即图中λ₃＝1轨迹)为恰好避开前车、右前车的轨迹，若自车与前车实际距离等于转向安全距离，则只有λ≥1的轨迹可以使自车避开前车；若自车与前车实际距离大于转向安全距离，即存在余量Δ(余量为实际距离与转向安全距离之差)，则可利用此余量增大λ的选取范围。

轨迹簇与右前车右侧边缘延长线的交点所对应的纵向位置为x₁、x₂、x₃、x₄，若x₂与x₃的差值小于余量Δ，则轨迹2可以避开前车，同理若x₁与x₃的差值小于余量Δ，则轨迹1可以避开前车，因此λ＜1也有可能实现避撞。通过余量利用方式确定转向系数取值下限。

(2)防止自车撞上最右侧路肩，即图中5处自车右边缘与右侧路肩间距大于零，由此确定转向系数λ的上限值，通过高速避撞仿真实验得上限为1.25。

图3中，值域由三条给定表达式的线段和边界线段λ＝1.25、γ＝0、γ＝1所围成，即图3中区域A所示。

图4中，自车通过单一转向控制过程中，在t＝2.25s时，自车M的纵向位移与右前车FR的纵向位移相同，在图5中，自车M在t＝2.25s时质心侧向位移为‐1.12m，考虑到车宽为1.795m，自车与前车已发生碰撞。M车通过协同控制过程中始终与前车FS和右前车FR保持安全距离，且换道轨迹光滑。

图6中，自车M单一转向控制过程中的横摆角速度与理想横摆角速度最大瞬态偏差为2.09，自车M协同控制过程中横摆角速度与理想的横摆角速度最大瞬态偏差为0.51，相对偏差同比减少32.6％。这主要由于高速转向车辆横摆角速度较大，转向同时进行制动协同控制，有效降低车速，减小车辆横摆运动，提高了操纵稳定性。

图7中，协同控制过程中自车M的质心侧偏角与理想质心侧偏角最大瞬态偏差为0.39，单一转向控制的质心侧偏角与理想质心侧偏角最大偏差为0.28，换道后期自车M质心侧偏角绝对值迅速减小主要由于高速转向同时进行制动协同控制，有效减小了车辆侧滑可能性，提高了操纵稳定性。

综上可见，采用多目标模糊决策方法进行避撞决策，控制器能够在考虑紧急工况下三个方案满足决策者需要适合程度基础上给出最优决策方案；采用功能分配方法进行制动与转向协同控制，仿真结果表明该方法能够增大汽车紧急工况下避撞的安全域以及提高操纵稳定性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于功能分配与多目标模糊决策的协同避撞方法，其特征在于，车辆在行驶时通过车载传感器实时采集车辆运行状态信息，并发送至上层控制器；

上层控制器根据接收到的车辆运行状态信息及制动和转向安全距离进行计算，确定当前车辆所处紧急工况并选择相应的避撞方式；

在选择转向与制动协同控制的避撞方式下，运用多目标模糊决策来确定下层的转向控制器与制动控制器的功能分配系数，以实现转向与制动功能分配控制，控制车辆有效避撞；

其中，功能分配系数指的是转向系数λ和制动系数γ，具体采用多目标模糊决策的vague集方法来确定转向系数λ和制动系数γ的范围；

所述制动系数γ选取的原则包括:制动系统采用路面可提供的最大制动力进行制动，转向与制动协同控制时制动系数的范围为0<γ≤1；

所述转向系数λ选取的原则包括：防止自车与前车的右后点碰撞：避撞轨迹为恰好避开前车、右前车的轨迹，若自车与前车实际距离等于转向安全距离，则只有λ≥1的轨迹可以使自车避开前车；若自车与前车实际距离大于转向安全距离，即存在余量△，则可利用此余量增大λ的选取范围，通过余量利用方式确定转向系数取值下限；防止自车撞上最右侧路肩：即自车右边缘与右侧路肩间距大于零，由此确定转向系数λ的上限值；

所述车辆运行状态信息包括自车纵向位移、纵向加速度和侧向加速度以及前车纵向车速、右前车纵向车速。

2.如权利要求1所述的协同避撞方法，其特征在于，上层控制器对单一转向控制、单一制动控制和转向与制动协同控制的壁撞方式选择的原则是：

当自车右前角点与前车右后角点间实际距离d_b不小于自车与前车的制动安全距离S₁时，通过制动控制即可有效避撞，制动系数γ＝1，转向系数λ＝0；

当自车右前角点与前车右后角点间实际距离d_b小于自车与前车的制动安全距离S₁，且自车与前车的制动安全距离S₁不小于自车与右前车的转向初始安全距离S_S(0)，且自车右前角点与目标车道前车左后角点间实际距离S₂大于自车与右前车的转向初始安全距离S_R(0)，且自车纵向车速u_M(t)不大于右前车纵向车速u_FR(t)，且自车纵向车速u_M(t)不大于80km/h时，通过转向换道可以有效避撞，制动系数γ＝0，转向系数λ＝1；

当不符合前面两项任意一项的条件时选择转向与制动协同控制。

3.如权利要求1所述的协同避撞方法，其特征在于，转向控制器与制动控制器分别采用PI控制，控制实际的加速度跟踪期望的加速度。

4.如权利要求1所述的协同避撞方法，其特征在于，还包括建立车辆稳定性评价，通过比较车辆转向行驶时的实际的横摆角速度和质心侧偏角与计算得到的理想横摆角速度和质心侧偏角的偏差来评价车辆稳定性。

5.如权利要求4所述的协同避撞方法，其特征在于，采用线性2自由度车辆模型计算出车辆转向行驶时的理想横摆角速度和理想质心侧偏角。