CN108569288A - 一种汽车危险工况的界定与避撞控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车危险工况的界定与避撞控制方法，基于的系统包括探测雷达、摄像头、车速传感器、横摆角速度传感器、前轮转角传感器、危险工况判断模块、路面附着系数估计模块、避撞控制模块、转向执行机构、制动执行机构以及执行控制单元。工作时路面附着系数估计模块首先估计路面附着系数，将其和车速、两车相对距离一起输入危险工况判定模块，判定紧急工况为制动避撞、转向避撞、协调避撞、无法避撞四种工况中的何种类型并分别采用不同避撞控制方法实现主动规避。本发明保证了紧急工况下且路面突变等恶劣情况下的自适应主动避撞，可以更有效的解决极端恶劣环境下的紧急避撞问题。

Description

一种汽车危险工况的界定与避撞控制方法

技术领域

本发明涉及汽车主动安全领域，尤其涉及一种汽车危险工况的界定与避撞控制方法。

背景技术

随着人工智能时代的来临，无人驾驶已成为当今的研究热点。无人车的上路最大的问题是安全问题，汽车主动安全技术必然越来越受到人们的关注。大部分交通事故都是由于车辆之间的碰撞导致的。任何主动避撞控制系统的目标是设计一个控制算法让车能避开即将发生的事故。纵向控制(仅仅制动)和侧向控制(仅仅转向)是进行避撞操纵的可能选项。但是当单一制动避不开的情况下，通过制动与转向协调的避撞是值得考虑的选项。为更好的分析避撞问题，需要把避撞工况进行分类处理，针对不同工况设计不同控制策略这样才能更有效的解决紧急避撞问题，为此将提出一种汽车危险工况的界定与避撞控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种汽车危险工况的界定与避撞控制方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种汽车危险工况的界定与避撞控制方法，包含以下步骤：

步骤1)，在汽车上设置探测雷达、摄像头、车速传感器、第一至第二轮速传感器、横摆角速度传感器、前轮转角传感器分别用于获得汽车与前车的距离S、前车的照片、汽车的车速v_c、汽车两个前轮的轮速、汽车质心处的横摆角速度、汽车前轮的转角；

步骤2)，计算出路面附着系数：

步骤2.1)，根据以下公式计算汽车前轮的滑移率λ和名义的纵向力F_n：

其中，v_w是两个前轮的平均轮速,v_c是车速；F_x和F_z分别表示汽车前轮的纵向力和法向力；依据魔术轮胎公式可得轮胎的纵向力F_x为：

F_x＝μsin[Aarctan(Bλ)]

其中，A为汽车前轮的形状因子，B为汽车前轮的刚度因子，μ为预设的初始路面附着系数；

忽略载荷的转移，汽车前轮法向力F_zf为：

其中，m为汽车总质量，g是重力加速度，a为汽车质心到前轴的距离，b为汽车质心到后轴的距离；

步骤2.2)，设定最小二乘参数辨识的标准形式：

仅考虑车辆的纵向运动，忽略轮胎侧向力，则：

其中，t为时间，是采样输出，θ(t)＝k(μ)是需要估计的未知参数，是回归矩阵；

步骤2.2.1)，令t＝0，设置θ(0)为预设的第一阈值、协方差矩阵P(0)为预设的一阶方阵，并设置遗忘因子ζ为预设的第二阈值，所述预设的第二阈值大于零小于1；

步骤2.2.2)，采样当前输出y(t)，计算回归矩阵

步骤2.2.3)，计算估计误差

步骤2.2.4)，根据以下公式计算增益矩阵K(t)和协方差矩阵P(t)：

其中，I为预设的一阶单位矩阵；

步骤2.2.5)，令θ(t)＝θ(t-1)+K(t)e(t)，t＝t+1；

步骤2.2.6)，重复执行步骤2.2.2)至步骤2.2.5)，直至e(t)小于预设的误差阈值；

步骤2.2.7)，根据μ＝Ck(μ)+D求出最大路面附着系数，其中，C为预设的权重系数，D为预设的修正量；

步骤3)，根据以下公式计算出汽车以地面所能提供最大制动减速度减速至停止时所需的距离S_b：

步骤4)，根据汽车质心处的横摆角速度、汽车前轮的转角计算汽车满足稳定性约束的最大前轮转角θ_s，根据汽车和前车之间的距离S、结合前车的照片计算出前车的宽度H，然后根据以下公式计算汽车在当前速度下以满足稳定性约束的最大前轮转角避开前车所需最小纵向距离S_m：

步骤5)，根据以下公式计算汽车在当前速度下以满足机械结构约束的最大前轮转角都无法避开的最大纵向距离S_end：

其中，θ_e是汽车满足机械结构约束的最大前轮转角；

步骤6)，将汽车和前方前车辆之间的距离S分别和S_b、S_m、S_end进行比较：

步骤6.1)，如果S＞S_b，对汽车进行制动操作；

步骤6.2)，如果S_b＞S＞S_m，对汽车进行转向操作；

步骤6.3)，如果S_m＞S＞S_end，对汽车同时进行制动和转向操作。

作为本发明一种汽车危险工况的界定与避撞控制方法进一步的优化方案，所述预设的误差阈值为0.1。

作为本发明一种汽车危险工况的界定与避撞控制方法进一步的优化方案，C＝0.03，D＝0.07。

作为本发明一种汽车危险工况的界定与避撞控制方法进一步的优化方案，所述步骤4)中，采用基于相平面方法计算θ_s。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明将避撞工况进行分类处理，方便针对不同工况设计不同控制策略，能够更有效的解决紧急避撞问题。

附图说明

图1为本发明中避撞工况分类图；

图2为本发明中s_m距离定义图；

图3为本发明中s_end距离定义图；

图4为本发明中某附着系数下相平面图；

图5为本发明中四种避撞工况的避撞控制策略图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

在图1中车上标号1、2、3代表汽车处在三个不同位置。s_b代表汽车以地面所能提供最大制动减速度减速至停止时所需的距离，s_m代表汽车在当前车速下以满足稳定性约束的最大前轮转角恰好避开所需最小纵向距离，s_end表示汽车在当前车速下以满足机械结构约束的最大前轮转角都无法避开的最大纵向距离。s_s表示在此段距离内可以通过单独转向完成避撞，s_c表示在此段距离内必须通过制动和转向同时工作完成避撞，在s_end段距离内任何操纵都无法避免碰撞的发生。故根据与前车的不同距离可以把避撞模式分为制动避撞、转向避撞、协调避撞、无法避撞四种情况。

假设前车静止，则s_b的表达式如下：

为了更清晰的描述避撞过程几何关系，汽车和前车的轮廓用矩形框表示，如图2中所示。根据图2中几何关系，s_m的表达式如下：

其中θ_s是满足稳定性约束的最大前轮转角，H是前车的宽度。

根据图3中几何关系，s_end的表达式如下：

其中θ_e是满足机械结构约束的最大前轮转角取(30-40°)。

将上述计算公式封装在危险工况判定模块中，根据稳定性控制模块，车速、轮速传感器、路面附着系数估计模块信息完成危险工况的判定。

在上述中路面附着系数估计时，利用不同路况下牵引力标称值与滑移率之间的关系，采用递推最小二乘算法，通过估计牵引力标称值-滑移率曲线斜率进而估计路面附着系数。轮速传感器、车速传感器分别收集汽车的轮速与车速计算滑移率，依据魔术轮胎公式获得轮胎的纵向力F_x为：

F_x＝μsin[Aarctan(Bλ)]

其中A为汽车前轮的形状因子，B为汽车前轮的刚度因子，μ为预设的初始路面附着系数,λ为滑移率。

忽略载荷的转移，则汽车前轮的法向力F_zf为：

将上述滑移率和轮胎纵向力与法向力计算公式封装在路面附着系数估计模块，通过车速、轮速传感器输入经计算获得当前路面附着系数；

稳定性约束的最大前轮转角θ_s的确定方法如下：建立非线性二自由度公式为：

魔术轮胎的侧向力公式如下：

F_yf＝μF_zf sin[E_f arctan(H_fα_f)]

F_yr＝μF_zr sin[E_r arctan(H_rα_r)]

其中E_f和E_r代表前后轮形状因子,H_f和H_r代表前后轮刚度因子,根据所选取车型进行确定。

前后轮侧偏角可以通过如下公式求得：

其中r为横摆角速度，β为质心侧偏角，v_c为质心处速度，F_yf为前轮侧向力，F_yr为后轮侧向力，α_f为前轮侧偏角，α_r为后轮侧偏角，I_z为转动惯量。

通过建立了质心侧偏角-质心侧偏角速度的相平面来刻画车辆稳定域，进而确定满足稳定性约束的最大前轮转角θ_s，如图4所示。通过建立了质心侧偏角-质心侧偏角速度的相平面来刻画车辆稳定域，相平面的稳定域边界为两条平行直线且关于原点中心对称，直线内部区域为稳定域，外部为非稳定域，其稳定域的表达式为式中的E₁、E₂为常数，通过确定稳定域边界的两条直线得到。将上述公式封装在稳定性控制模块中依据车速传感器、前轮转角传感器、路面附着系数估计模块输入完成稳定性判断以及θ_s的求取。

在图5中根据危险判定系统进行工况分类以后，将其信息输入避撞控制模块，在制动避撞时，通过执行控制单元控制直流电机推动制动踏板进行制动，在转向避撞时：通过执行控制单元控制步进电机带动转向柱进行转向操纵，在协调避撞时：执行控制单元同时控制步进电机与直流电机按不同比例因子进行协调操纵。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种汽车危险工况的界定与避撞控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1)，在汽车上设置探测雷达、摄像头、车速传感器、第一至第二轮速传感器、横摆角速度传感器、前轮转角传感器分别用于获得汽车与前车的距离S、前车的照片、汽车的车速v_c、汽车两个前轮的轮速、汽车质心处的横摆角速度、汽车前轮的转角；

步骤2)，计算出路面附着系数：

步骤2.1)，根据以下公式计算汽车前轮的滑移率λ和名义的纵向力F_n：

其中，v_w是两个前轮的平均轮速,v_c是车速；F_x和F_z分别表示汽车前轮的纵向力和法向力；依据魔术轮胎公式可得轮胎的纵向力F_x为：

F_x＝μsin[Aarctan(Bλ)]

其中，A为汽车前轮的形状因子，B为汽车前轮的刚度因子，μ为预设的初始路面附着系数；

忽略载荷的转移，汽车前轮法向力F_zf为：

其中，m为汽车总质量，g是重力加速度，a为汽车质心到前轴的距离，b为汽车质心到后轴的距离；

步骤2.2)，设定最小二乘参数辨识的标准形式：

仅考虑车辆的纵向运动，忽略轮胎侧向力，则：

其中，t为时间，是采样输出，θ(t)＝k(μ)是需要估计的未知参数，是回归矩阵；

步骤2.2.1)，令t＝0，设置θ(0)为预设的第一阈值、协方差矩阵P(0)为预设的一阶方阵，并设置遗忘因子ζ为预设的第二阈值，所述预设的第二阈值大于零小于1；

步骤2.2.2)，采样当前输出y(t)，计算回归矩阵

步骤2.2.3)，计算估计误差

步骤2.2.4)，根据以下公式计算增益矩阵K(t)和协方差矩阵P(t)：

其中，I为预设的一阶单位矩阵；

步骤2.2.5)，令θ(t)＝θ(t-1)+K(t)e(t)，t＝t+1；

步骤2.2.6)，重复执行步骤2.2.2)至步骤2.2.5)，直至e(t)小于预设的误差阈值；

步骤2.2.7)，根据μ＝Ck(μ)+D求出最大路面附着系数，其中，C为预设的权重系数，D为预设的修正量；

步骤3)，根据以下公式计算出汽车以地面所能提供最大制动减速度减速至停止时所需的距离S_b：

步骤4)，根据汽车质心处的横摆角速度、汽车前轮的转角计算汽车满足稳定性约束的最大前轮转角θ_s，根据汽车和前车之间的距离S、结合前车的照片依据图像标定技术计算出前车的宽度H，然后根据以下公式计算汽车在当前速度下以满足稳定性约束的最大前轮转角避开前车所需最小纵向距离S_m：

步骤5)，根据以下公式计算汽车在当前速度下以满足机械结构约束的最大前轮转角都无法避开的最大纵向距离S_end：

其中，θ_e是汽车满足机械结构约束的最大前轮转角；

步骤6)，将汽车和前方前车辆之间的距离S分别和S_b、S_m、S_end进行比较：

步骤6.1)，如果S＞S_b，对汽车进行制动操作；

步骤6.2)，如果S_b＞S＞S_m，对汽车进行转向操作；

步骤6.3)，如果S_m＞S＞S_end，对汽车同时进行制动和转向操作。

2.根据权利要求1所述的汽车危险工况的界定与避撞控制方法，其特征在于，所述预设的误差阈值为0.1。

3.根据权利要求1所述的汽车危险工况的界定与避撞控制方法，其特征在于，C＝0.03，D＝0.07。

4.根据权利要求1所述的汽车危险工况的界定与避撞控制方法，其特征在于，所述步骤4)中，采用基于相平面的方法计算θ_s。