CN107738644B - 一种车辆避碰控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆避碰控制方法，通过车辆依据环境感知能力获取车辆自身速度、车辆自身加速度、前车速度、前车加速度、以及车辆自身与前车间距的信息，建立转向/制动避碰动作决策机制，当前车辆的碰撞风险程度且满足车辆自身与前车纵向间距D_adj不小于车辆自身与前车纵向的最小间距D_M‑Fd，则进行转向避碰，若或当前道路状况不满足转向避碰条件时，则进行纵向制动避碰控制，通过转向避碰和制动避碰控制相结合，从而保证了在车辆遇险时选择安全收益最大的制动避碰或者转向避碰动作，极大地提高智能车辆避碰能力，提高道路交通安全水平。

Description

一种车辆避碰控制方法

技术领域

本发明属于智能车辆控制领域，尤其涉及一种车辆避碰控制方法。

背景技术

随着世界范围内车辆保有量的不断增加，道路交通安全问题也日益严峻。与此同时，汽车的智能化水平不断提高，越来越多的汽车集成了高级辅助驾驶(ADAS)功能，有效提高了车辆的主动安全性。但是目前针对智能车辆的避碰控制多是通过对节气门开度和制动压力的协调控制实现车间距保持和车速跟随，对制动过程中的乘坐舒适性和道路附着能力限制考虑不足。少有的其他避碰控制系统则是基于换道避碰轨迹，设计横向控制器进行转向避碰控制，但是大多只考虑了行人等静止障碍物，应用范围有限，与实际行驶工况差异较大。

由此可见，目前智能车辆避碰控制系统多是将制动和转向分开来单独研究，未能发挥制动和转向的避碰潜力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种车辆避碰控制方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种车辆避碰控制方法，包括以下步骤：

步骤1，获取车辆自身移动速度、车辆自身加速度、车辆自身气门开度和车辆自身制动压力的信息，获取前车速度和前车加速度，获取车辆自身与前车纵向间距D_adj；

步骤2，根据车辆自身与前车的运动状态信息，建立转向/制动避碰动作决策机制，以碰撞时间的倒数TTC^-1表征车辆自身与前车的碰撞风险程度，如公式1所示，

其中：v_x为自车纵向速度、v_f为前车纵向速度、d_rel为两车实际纵向间距；

步骤3，当前车辆的碰撞风险程度且满足车辆自身与前车纵向间距D_adj不小于车辆自身与前车纵向的最小间距D_M-Fd，则进行转向避碰，若或当前道路状况不满足转向避碰条件时，即当前道路为单向车道或者当前车辆两侧均有车辆或者障碍物时，则进行纵向制动避碰控制，其中为车辆临界制动，为车辆转向临界。

进一步的，通过激光雷达和摄像头获取车辆自身与前车纵向间距、前车速度和前车加速度，通过车辆自身CAN总线获取车辆自身移动速度、车辆自身加速度、车辆自身气门开度和车辆自身制动压力的信息。

进一步的，步骤2中，转向/制动避碰动作决策机制分为三种工况决策机制，包括前车静止、前车匀速和前车减速；

前车静止工况下的临界制动由公式(2)和公式(3)计算：

转向临界

式中，D_mss为临界制动距离，a_des为期望制动减速度，d₀为两车静止相对距离，T_h、T_s分别为避碰控制系统识别反应时间和汽车制动系统协调增长时间；

前车匀速运动工况下的临界制动计算如公式(5)和公式(6)：

转向临界计算如公式(7)：

式中：T为转向避碰动作时间；转向避碰的时间设为T＝2s；

前车减速运动条件下的临界制动计算如公式(8)和公式(9)：

转向临界计算如公式(10)：

式中：a_f为前车平均制动减速度。

进一步的，车辆自身与前车纵向的最小间距D_M-Fd计算如公式(11)：

式中：v_Fd为相邻车道后车纵向速度，a_Fd为相邻车道后车平均制动减速度，L为车身长度。

进一步的，若车辆满足转向避碰要求，即当前车辆的碰撞风险程度且满足车辆自身与前车纵向间距D_adj不小于车辆自身与前车纵向的最小间距D_M-Fd，则进行多项式避碰路径规划，以车辆根据多项式参考路径移动时车辆质心横向位置误差e_cg和车辆与避碰参考路径航向角误差θ_e之和作为模糊推理输入，离散PID调节参数Δk_p、Δk_i、Δk_d作为模糊推理输出，最终得到的前轮转角δ：

式中，k∈(0,1)为调整参数、Δk_p为比例调整系数、Δk_i为积分调整系数、Δk_d为微分调整系数。

进一步的，若车辆满足制动避碰要求，纵向制动避碰采用分层控制，建立LQR期望加速度控制器，依据离散形式的车辆纵向制动状态空间模型和最优控制理论得到期望加速度，再根据逆纵向动力学传动模型计算期望节气门开度或者制动压力。

进一步的，纵向制动避碰根据期望制动减速度值分为舒适级制动、限制

级制动和紧急制动：

a为期望加速度。

进一步的，当车辆采取制动避碰时，首先由发动机倒拖力矩、滚动阻力矩和空气阻同时提供减速度，当发动机倒拖力矩、滚动阻力矩和空气阻同时提供的减速度不足以满足期望制动减速度要求时，纵向制动控制系统施加制动主缸压力，即：

(1)a_des-a₀＞0.1m/s²时，采用节气门控制，制动主缸压力为0；

(2)a_des-a₀＜-0.1m/s²时，节气门开度为0，施加制动主缸压力；

(3)|a_des-a₀|≤0.1m/s²时，状态保持，维持上一时刻的制动压力和节气门开度；

式中：a_des为期望制动减速度，a₀为当前车速下初始减速度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种车辆避碰控制方法，通过车辆依据环境感知能力获取车辆自身速度、车辆自身加速度、前车速度、前车加速度、以及车辆自身与前车间距的信息，建立转向/制动避碰动作决策机制，当前车辆的碰撞风险程度且满足车辆自身与前车纵向间距D_adj不小于车辆自身与前车纵向的最小间距D_M-Fd，则进行转向避碰，若或当前道路状况不满足转向避碰条件时，则进行纵向制动避碰控制，通过转向避碰和制动避碰控制相结合，从而保证了在车辆遇险时选择安全收益最大的制动避碰或者转向避碰动作，极大地提高智能车辆避碰能力，提高道路交通安全水平。

进一步的，分为三种工况决策机制，包括前车静止、前车匀速和前车减速，充分考虑了车辆实际运行过程中遇到的各种路况，选择不同避碰决策能够有效减少因制动或者转向单项选择时的事故发生情况，有效提高了前车静止、前车匀速运动和前车减速工况下的智能车辆避碰安全性。

进一步的，为了兼顾避碰安全性和乘坐舒适性，本方法采用横向控制时设计了考虑乘坐舒适性的避碰参考路径，纵向制动时采取制动强度分级控制，本发明适用范围广、乘坐舒适性好，有效提高了前车静止、前车匀速运动和前车减速工况下的智能车辆避碰安全性。

进一步的，当车辆采取制动避碰时，首先由发动机倒拖力矩、滚动阻力矩和空气阻同时提供减速度，当发动机倒拖力矩、滚动阻力矩和空气阻同时提供的减速度不足以满足期望制动减速度要求时，纵向制动控制系统施加制动主缸压力，充分合理的利用车辆自身阻力结合制动主缸压力，使车辆最大限度的满足乘坐的舒适性，减少制动力输出的同时能够

附图说明

图1为本发明的避碰控制系统结构示意图；

图2为本发明的静止障碍物制动/转向避碰TTC^-1比较示意图；

图3为本发明的前车匀速制动/转向避碰TTC^-1比较示意图；

图4为本发明的前车减速制动/转向避碰TTC^-1比较示意图；

图5为本发明的五次多项式避碰参考路径示意图；

图6为本发明的车辆转向避碰道路环境示意图；

图7为本发明的横向避碰模糊PID控制框图；

图8为本发明的模糊推理输入变量隶属度示意图；

图9为发明的输出变量隶属度示意图；

图10为本发明的传动系统逆纵向动力学模型示意图；

图11为本发明的节气门/制动压力逻辑切换逻辑示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

一种车辆避碰控制系统，包括转向/制动避碰决策单元、转向避碰参考路径规划单元、横向模糊PID控制器、纵向LQR期望加速度控制器和车辆逆纵向动力学模型；

如图1至图11所示，一种车辆避碰控制方法，包括以下步骤：

步骤1，获取车辆自身移动速度、车辆自身加速度、车辆自身气门开度和车辆自身制动压力的信息，获取前车速度和前车加速度，获取车辆自身与前车纵向间距D_adj；

步骤2，根据车辆自身与前车的运动状态信息，建立转向/制动避碰动作决策机制，以碰撞时间的倒数TTC^-1表征车辆自身与前车的碰撞风险程度，如公式1所示，

其中：v_x为自车纵向速度、v_f为前车纵向速度、d_rel为两车实际纵向间距；

步骤3，当前车辆的碰撞风险程度且满足车辆自身与前车纵向间距D_adj不小于车辆自身与前车纵向的最小间距D_M-Fd，则进行转向避碰，若或当前道路状况不满足转向避碰条件时，即当前道路为单向车道或者当前车辆两侧均有车辆或者障碍物时，则进行纵向制动避碰控制，其中为车辆临界制动，为车辆转向临界。

具体的，步骤1中，通过激光雷达和摄像头获取车辆自身与前车纵向间距、前车速度和前车加速度，通过车辆自身CAN总线获取车辆自身移动速度、车辆自身加速度、车辆自身气门开度和车辆自身制动压力的信息；

步骤2中，转向/制动避碰动作决策机制分为三种工况决策机制，包括前车静止、前车匀速和前车减速；

前车静止工况下的临界制动由公式(2)和公式(3)计算：

转向临界

式中，D_mss为临界制动距离，a_des为期望制动减速度，d₀为两车静止相对距离，T_h、T_s分别为避碰控制系统识别反应时间和汽车制动系统协调增长时间，静止障碍物制动/转向避碰TTC^-1比较示意图如图2所示；

前车匀速运动工况下的临界制动计算如公式(5)和公式(6)：

转向临界计算如公式(7)：

式中：T为转向避碰动作时间；转向避碰的时间设为T＝2s；前车匀速制动/转向避碰TTC^-1比较示意图如图3所示；

前车减速运动条件下的临界制动计算如公式(8)和公式(9)：

转向临界计算如公式(10)：

式中：a_f为前车平均制动减速度；前车减速制动/转向避碰TTC^-1比较示意图如图4所示。

步骤3中，车辆自身与前车纵向的最小间距D_M-Fd计算如公式(11)：

式中：v_Fd为相邻车道后车纵向速度，a_Fd为相邻车道后车平均制动减速度，L为车身长度。

若车辆满足转向避碰要求，即当前车辆的碰撞风险程度且满足车辆自身与前车纵向间距D_adj不小于车辆自身与前车纵向的最小间距D_M-Fd，则首先进行5次多项式避碰路径规划，然后运用建立的模糊PID控制器输出前轮转角δ，取限定转向避碰的时间设为T＝2s，横向位移距离大于前车车宽，取2m，规定车辆转向起点到终点的纵向距离为Δx，侧向距离为Δy，所述避碰参考路径由五次多项式计算得到，如公式(12)：

Δy＝c₀+c₁Δx+c₂Δx²+c₃Δx³+c₄Δx⁴+c₅Δx⁵ (12)

将起始点的横向位移、侧向速度和侧向加速度为0的初始条件代入上式有：

c₀＝c₁＝c₂＝0

自车车速20m/s下的避碰参考路径如图5所示。

步骤3中，建立横向运动模糊PID控制器，如图6和图7所示，以车辆跟踪前述的五次多项式参考路径的质心横向位置误差e_cg和车辆与避碰参考路径航向角误差θ_e之和作为模糊推理输入，以离散PID调节参数Δk_p、Δk_i、Δk_d作为模糊推理输出，最终得到的前轮转角δ，如公式(13)：

式中，k∈(0,1)为调整参数、Δk_p为比例调整系数、Δk_i为积分调整系数、Δk_d为微分调整系数；所述模糊PID控制的输入、输出变量隶属度函数见图8、图9。

若车辆满足制动避碰要求，纵向制动避碰采用分层控制，首先建立LQR期望加速度控制器，依据离散形式的车辆纵向制动状态空间模型和最优控制理论得到期望加速度，再根据逆纵向动力学传动模型计算期望节气门开度或者制动压力，逆纵向动力学传动模型如图10所示；

构建含自车实际加速度的状态向量为控制量为u＝a，干扰量为前车加速度Γw，得到离散形式的汽车纵向制动状态空间模型，如公式(14)：

其中：定义ε为临界制动距离与实际车距的差值，如公式(15)，为前车和自车的速度差，如公式(16)：

ε＝d_rel-D_mss (15)

式中：v_f为前车车速；D_mss为车辆临界制动距离；

自车与前车的相对距离d_rel如公式(17)：

d_rel＝X_f-X_c (17)

式中：X_f为前车纵向位置，X_c为自车纵向位置；

依据最优控制理论，设计性能指标函数为，如公式(18)：

最终得到的期望加速度如公式(19)：

其中k₁、k₂、k₃是根据矩阵A_d、B_d、Q、R的取值，由线性二次型调节器LQR计算而得；

所述纵向制动避碰控制，不能同时施加油门开度和制动压力，设计含状态保持层的节气门/制动压力切换逻辑曲线，如图11所示。

所述逆纵向动力学传动模型包括发动机逆模型和制动器逆模型，发动机逆模型如下：

假设发动机经液力变矩器、变速器、主减速器传递到车轮上的驱动力为F_t，在驱动力不超过道路-轮胎附着条件下，可得到F_t的简化计算方法，如公式(20)：

上式中：η为机械效率；T_e为发动机输出转矩；τ为液力变矩器特性；R_g为变速器速比；R_m为主减速器传动比；r为车轮半径。

得到已知期望加速度下的期望发动机输出转矩，如公式(21)：

将上式代入发动机扭矩逆特性曲线，即可得到期望节气门开度α，如公式(22):

α＝f(T_e,ω_e) (22)

上式中：ω_e为发动机转速。

制动器逆模型推导如下：

制动力如公式(23)：

F_b＝|ma_des+F_wx+F_roll| (23)

在满足路面最大制动力条件的情况下，制动力可认为是制动主缸压力的线性函数，表达式如公式(24)：

F_b＝K_b·P_b (24)

得到期望制动主缸压力如公式(25)：

式中，F_wx为纵向风阻，F_roll为滚动阻力，P_b为制动主缸压力；K_b为制动力和制动压力的比例系数。

当车辆采取制动避碰时，首先由发动机倒拖力矩、滚动阻力矩和空气阻力提供减速度，当上述阻力提供的减速度不足以满足期望制动减速度要求时，纵向制动控制系统施加制动主缸压力，即：

(1)a_des-a₀＞0.1m/s²时，采用节气门控制，制动主缸压力为0；

(2)a_des-a₀＜-0.1m/s²时，节气门开度为0，施加制动主缸压力；

(3)|a_des-a₀|≤0.1m/s²时，状态保持，维持上一时刻的制动压力和节气门开度；

式中：a_des为期望制动减速度，a₀为当前车速下初始减速度。

为了提高转向和制动避碰时的乘坐舒适性和转向稳定性，转向控制需满足的约束条件如公式(26)：

式中：a_ymax为最大侧向加速度；β为质心侧偏角。

并且为兼顾了乘坐舒适性和制动避碰安全性，将制动强度划分等级，分别为舒适级制动、限制级制动和紧急制动，制动强度分级如表1。

表1

车辆采取制动避碰时，首先由式(19)计算期望加速度，当得到的期望加速度值为负值时，即为期望制动减速度；为降低纵向制动时的不舒适感，将期望制动减速度限制在相应制动强度级别内，

若车辆满足转向避碰条件，将步骤4横向运动模糊PID控制器得到的前轮转角δ控制车辆转向；若车辆满足制动避碰条件，将得到的期望节气门开度α或制动主缸压力P_b控制车辆速度变化，达到避碰效果。

Claims (8)

1.一种车辆避碰控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，获取车辆自身移动速度、车辆自身加速度、车辆自身气门开度和车辆自身制动压力的信息，获取前车速度和前车加速度，获取车辆自身与前车纵向间距D_adj；

步骤2，根据车辆自身与前车的运动状态信息，建立转向/制动避碰动作决策机制，以碰撞时间的倒数TTC^-1表征车辆自身与前车的碰撞风险程度，如公式1所示，

其中：v_x为自车纵向速度、v_f为前车纵向速度、d_rel为两车实际纵向间距；

步骤3，当前车辆的碰撞风险程度且满足车辆自身与前车纵向间距D_adj不小于车辆自身与前车纵向的最小间距D_M-Fd，则进行转向避碰，若或当前道路状况不满足转向避碰条件时，即当前道路为单向车道或者当前车辆两侧均有车辆或者障碍物时，则进行纵向制动避碰控制，其中为车辆临界制动，为车辆转向临界。

2.根据权利要求1所述的一种车辆避碰控制方法，其特征在于，步骤1中，通过激光雷达和摄像头获取车辆自身与前车纵向间距、前车速度和前车加速度，通过车辆自身CAN总线获取车辆自身移动速度、车辆自身加速度、车辆自身气门开度和车辆自身制动压力的信息。

3.根据权利要求1所述的一种车辆避碰控制方法，其特征在于，步骤2中，转向/制动避碰动作决策机制分为三种工况决策机制，包括前车静止、前车匀速和前车减速；

前车静止工况下的临界制动由公式(2)和公式(3)计算：

转向临界

式中，D_mss为临界制动距离，a_des为期望制动减速度，d₀为两车静止相对距离，T_h、T_s分别为避碰控制系统识别反应时间和汽车制动系统协调增长时间；

前车匀速运动工况下的临界制动计算如公式(5)和公式(6)：

转向临界计算如公式(7)：

式中：T为转向避碰动作时间；转向避碰的时间设为T＝2s；

前车减速运动条件下的临界制动计算如公式(8)和公式(9)：

转向临界计算如公式(10)：

式中：a_f为前车平均制动减速度。

4.根据权利要求1所述的一种车辆避碰控制方法，其特征在于，车辆自身与前车纵向的最小间距D_M-Fd计算如公式(11)：

式中：v_Fd为相邻车道后车纵向速度，a_Fd为相邻车道后车平均制动减速度，L为车身长度。

5.根据权利要求1所述的一种车辆避碰控制方法，其特征在于，若车辆满足转向避碰要求，即当前车辆的碰撞风险程度且满足车辆自身与前车纵向间距D_adj不小于车辆自身与前车纵向的最小间距D_M-Fd，则进行多项式避碰路径规划，以车辆根据多项式参考路径移动时车辆质心横向位置误差e_cg和车辆与避碰参考路径航向角误差θ_e之和作为模糊推理输入，离散PID调节参数Δk_p、Δk_i、Δk_d作为模糊推理输出，最终得到的前轮转角δ：

式中，k∈(0,1)为调整参数、Δk_p为比例调整系数、Δk_i为积分调整系数、Δk_d为微分调整系数。

6.根据权利要求1所述的一种车辆避碰控制方法，其特征在于，若车辆满足制动避碰要求，纵向制动避碰采用分层控制，建立LQR期望加速度控制器，依据离散形式的车辆纵向制动状态空间模型和最优控制理论得到期望加速度，再根据逆纵向动力学传动模型计算期望节气门开度或者制动压力。

7.根据权利要求6所述的一种车辆避碰控制方法，其特征在于，纵向制动避碰根据期望制动减速度值分为舒适级制动、限制级制动和紧急制动：

a为期望加速度,a_des为期望制动减速度。

8.根据权利要求6所述的一种车辆避碰控制方法，其特征在于，当车辆采取制动避碰时，首先由发动机倒拖力矩、滚动阻力矩和空气阻同时提供减速度，当发动机倒拖力矩、滚动阻力矩和空气阻同时提供的减速度不足以满足期望制动减速度要求时，纵向制动控制系统施加制动主缸压力，即：

(1)a_des-a₀＞0.1m/s²时，采用节气门控制，制动主缸压力为0；

(2)a_des-a₀＜-0.1m/s²时，节气门开度为0，施加制动主缸压力；

(3)|a_des-a₀|≤0.1m/s²时，状态保持，维持上一时刻的制动压力和节气门开度；

式中：a_des为期望制动减速度，a₀为当前车速下初始减速度。