CN109334564B - 一种防碰撞的汽车主动安全预警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防碰撞的汽车主动安全预警系统,包括传感单元、ECU和执行单元三大部分。采用传感器和全景测距雷达得到实时的行车状态信号、驾驶员状态信号以及道路环境信号,通过A/D转换将监测信号送入ECU。ECU采用分层控制器结构,上层控制器利用上述信号并通过操纵逆动力学计算输出期望车速与期望方向盘转角,并根据不同的危险工况设置不同的危险状态等级及切换规则。下层控制器将上层输出的信号转换为控制指令,输出期望的制动压力和方向盘转矩以及预警信号给执行单元,及时避免行车发生碰撞。本系统通过将主动预警、主动制动及主动转向控制相结合,能有效防止汽车与前车或障碍物发生碰撞的危险。
Description
技术领域
本发明属于汽车主动安全技术领域,具体涉及一种防碰撞的汽车主动安全预警系统。
背景技术
随着科技的发展与汽车产业创新能力的提高,人们对汽车行驶安全性能的要求也越来越高,而造成人员伤亡的重大交通事故多发生在汽车追尾、碰撞等工况,因此研究汽车的防碰撞系统对保障驾乘人员的人身安全具有重大意义。
在现有技术中,汽车安全系统主要分为主动安全系统和被动安全系统。常见的汽车被动安全系统有安全带、安全气囊等,仅能在车辆在事故发生后起到一定的保护作用;而为了预防汽车发生事故,采用的主动安全设计主要有ABS、EPS、TCS等,但上述措施在汽车可能发生追尾等事故下不能进行协同工作。
发明内容
发明目的:为了克服现有技术中存在的不足,本发明提供一种防碰撞的汽车主动安全预警系统,解决了汽车在不同车速下行驶会发生的碰撞问题,及时对驾驶员状态进行评估预警,有效保障了驾驶员在驾驶过程中的安全性。
技术方案:为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种防碰撞的汽车主动安全预警系统,包括依次连接的传感单元、ECU和执行单元,其中,
所述传感单元包括全景测距雷达和若干传感器,监测实时的行车状态信号、驾驶员状态信号以及道路环境信号,通过A/D转换将监测信号送入ECU;
所述ECU采用分层控制器结构,包括上层控制器和下层控制器;其中,
上层控制器为数据计算系统,利用所述监测信号并通过操纵逆动力学计算输出期望车速与期望方向盘转角,并根据不同的危险工况设置不同的危险状态等级及切换规则,其中,根据当前车辆与前车或障碍物的实时相对距离d与安全距离阈值D*的大小关系判定汽车处于安全状态或一级危险状态或二级危险状态;切换规则为根据汽车的危险状态等级发出主动制动或主动转向控制的执行命令;
下层控制器包括主动安全预警控制器、ABS控制器、EPS控制器,将上层控制器输出的信号转换为控制指令,输出期望的制动压力和方向盘转矩以及预警信号给执行单元;
所述执行单元包括主动安全预警执行器、ABS执行器、EPS执行器,收到下层控制器的控制指令后,调节车轮制动液压,并启动转向电动机产生相应大小和方向的辅助动力,协助驾驶员进行操作,避免行车发生碰撞危险。
进一步的,所述传感单元的传感器包括车速传感器、侧向加速度传感器、方向盘转角/转矩传感器、制动压力传感器,其中,车速传感器设置于汽车前保险杠上,侧向加速度传感器安装于汽车底盘上,二者用于监测行车状态信号;方向盘转角/转矩传感器安装于方向盘与转向开关之间的转向柱上,制动压力传感器安装于制动踏板内部,二者用于监测驾驶员状态信号;全景测距雷达安装于汽车车身上,用于监测道路环境信号。
进一步的,所述执行单元的具体执行方式为:主动安全预警执行器选用声光预警执行器,通过发出声音或灯光来警示驾驶员前方危险隐患;ABS执行器调节车轮制动液压,EPS执行器让转向电机产生相应大小和方向的辅助动力,协助驾驶员进行操纵,避免行车发生碰撞危险。
进一步的,所述操纵逆动力学的计算步骤包括:
(1)搭建三自由度车辆模型;
(2)建立最优控制模型;
(3)求解最优控制问题;
(4)求得最优操纵输入,包括期望的车速u*、期望的方向盘转角δ*。
进一步的,所述危险状态等级的设置方法具体为:
首先,将监测信号的数据计算出不同车速下的安全距离阈值D*,其中,当车速小于或等于50km/h时,得到的是基于制动的安全距离阈值Db *;当车速高于50km/h时,得到的是基于转向的安全距离阈值Ds *;以下将两类安全距离阈值均称为安全距离阈值D*;
其次,将ECU接收到的当前车辆与前车或障碍物的实时相对距离d与安全距离阈值D*相比较,判定当前碰撞发生的可能性,对其进行危险状态判断,危险状态判断逻辑为:
(1)若d>1.2D*,行车无碰撞危险,汽车处于安全状态;
(2)一级危险状态的判定条件:D*<d<1.2D*时,此时实时相对距离d仍处于安全距离阈值D*之外,但有发生碰撞的潜在危险性;
(3)二级危险状态的判定条件:d<D*,此时实时相对距离d处于安全距离阈值D*之内,车辆发生碰撞的危险性提高,需及时采取有效措施。
进一步的,其中,基于制动的安全距离阈值D*的计算公式为:
式中,jr为相对加速度,tj为从当前加速度到以最大制动减速度制动避撞的时间,a0为自车初始加速度,vt为自车速度,vj为相对速度,vl为前车速度,atmin为自车最小加速度,al为前车加速度,ds为最小停车安全距离,at为自车加速度;
基于转向的安全距离阈值Ds *的计算公式为:
Ds *=c+ds,
式中,c为车辆完成换到纵向位移s的一半,ds为最小停车安全距离。
进一步的,所述切换规则为:当行车车速小于或等于50km/h时,ECU根据危险状态发出主动制动的执行命令;当行车车速大于50km/h时,ECU根据危险状态发出主动转向控制的执行命令。
进一步的,所述切换规则为:
(1)当行车车速小于或等于50km/h时:若行车处于一级危险状态下,主动安全预警控制器发出预警命令,主动安全预警执行器开始报警,ABS控制器、EPS控制器不发出命令;若行车处于二级危险状态下,主动安全预警执行器持续报警,ABS控制器发出制动命令,ABS执行器进行制动操作,EPS控制器不发出命令;
(2)当行车车速大于50km/h时:若行车处于一级危险状态下,主动安全预警控制器发出预警命令,主动安全预警执行器开始报警,ABS控制器、EPS控制器不发出命令;若行车处于二级危险状态下,主动安全预警执行器持续报警,EPS控制器发出转向命令,EPS执行器进行主动转向操作,ABS控制器不发出命令。
进一步的,在一级危险状态下,主动安全预警执行器报警后,若传感器监测到驾驶员采取主动制动或主动转向操作信号,则预警消除;若在安全时间阈值t*下未监测到驾驶员操纵状态信号,系统自动启动二级危险状态模式,主动安全预警执行器持续报警,ABS控制器或EPS控制器发出相应命令。
进一步的,所述安全时间阈值t*的参考区间为[3s~5s]。
有益效果:本发明提供的一种防碰撞的汽车主动安全预警系统,与现有技术相比,具有以下优势:
1)本系统通过将主动预警、主动制动及主动转向控制相结合,能有效防止行车与前车或障碍物发生碰撞的危险。
2)采用分层式控制结构,上下控制器分工明确,可以通过上下控制器的分别设计,满足多项控制要求。
3)本系统提出的危险状态等级及切换规则能对不同车速下的行车工况进行有效判断,及时高效的做出避撞反应。
4)将驾驶员的操纵状态信号作为触发信号之一,为主动安全控制系统提供了更精确的介入时机,弥补了该系统出现误判的可能性,可靠性高,方便实用。
附图说明
图1为本发明的工作流程图。
图2为操纵逆动力学计算流程图。
图3为危险状态判断逻辑及切换规则。
具体实施方式
本发明公开了一种防碰撞的汽车主动安全预警系统,包括传感单元、ECU(中央控制处理单元)和执行单元三大部分。本发明采用各类传感器和全景测距雷达得到实时的行车状态信号、驾驶员状态信号以及道路环境信号,通过A/D转换将监测信号送入ECU。ECU采用分层控制器结构,上层控制器利用上述信号并通过操纵逆动力学计算输出期望车速与期望方向盘转角,并根据不同的危险工况设置不同的危险状态等级及切换规则。下层控制器(主动安全预警控制器、ABS控制器、EPS控制器)将上层输出的信号转换为控制指令,输出期望的制动压力和方向盘转矩以及预警信号给执行单元(主动安全预警执行器、ABS执行器、EPS执行器),及时避免行车发生碰撞。本系统通过将主动预警、主动制动及主动转向控制相结合,能有效防止汽车与前车或障碍物发生碰撞的危险。采用分层式控制结构,上下控制器分工明确,可以通过上下控制器的分别设计,满足多项控制要求。将驾驶员的操纵状态信号作为触发信号之一,为主动安全控制系统提供了更精确的介入时机,弥补了该系统出现误判的可能性,可靠性高,方便实用。
下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1,本实例包括传感单元、ECU(中央控制处理单元)和执行单元三大部分。
其中,传感单元包括车速传感器、方向盘转角/转矩传感器、侧向加速度传感器、制动压力传感器、全景测距雷达。车速传感器设置于汽车前保险杠上,侧向加速度传感器安装于汽车底盘上,二者用于监测行车状态信号;方向盘转角/转矩传感器安装于方向盘与转向开关之间的转向柱上,制动压力传感器安装于制动踏板内部,用于监测驾驶员状态信号;全景测距雷达安装于车辆车身上,用于监测道路环境信号。
其中,ECU由软件及硬件两部分组成,采用分层控制器结构,上层控制器通过操纵逆动力学计算输出期望车速与期望方向盘转角,并根据不同的危险工况设置不同的危险状态等级及切换规则。下层控制器(主动安全预警控制器、ABS控制器、EPS控制器)将上层输出转换为控制指令,输出期望的制动压力和方向盘转矩以及预警信号给执行单元。
其中,执行单元包括主动安全预警执行器、ABS执行器及EPS执行器。主动安全预警控制器发出预警信号到声光预警执行器,执行器发出声光预警,从而提示驾驶员前方危险隐患。同时ABS执行器、EPS执行器接收到ABS控制器及EPS控制器的控制指令后,调节车轮制动液压以及让转向电动机,让其产生相应大小和方向的辅助动力,协助驾驶员进行操作,从而避免行车发生碰撞危险。
操纵逆动力学步骤包括:
步骤3.1),建立三自由度车辆模型;
式中,v为汽车的侧向速度;u为汽车的纵向速度;ωr为汽车的横摆角速度;m为整车总质量;Iz为整车绕铅垂轴转动惯量;a、b分别为整车质心至前、后轴的距离;k1、k2分别为前、后轮综合侧偏刚度;δ为前轮转角;Fyf为前轮侧偏力;Fyr为后轮侧偏力;Fxf为前轮驱动力/制动力(Fxf≥0为驱动力,Fxf<0为制动力);Fxr为后轮驱动力/制动力;Ff为滚动阻力(Ff=m gf,f为滚动阻力系数);Fw为空气阻力(Fw=CDA(3.6u)2/21.15,CD为空气阻力系数,A为迎风面积)。
若考虑驱动力/制动力对侧偏力的影响,则有:
式中,φ为路面摩擦系数;Fzf为前轮垂直力;Fzr后轮垂直力。
考虑纵向载荷转移,有:
式中,hg为汽车质心高度。
步骤3.2),建立最优控制模型
状态变量x(t)=[v(t)ω(t)u(t)x(t)y(t)θ(t)]T。控制变量Z(t)为方向盘转角δsw(t)和前轮驱动力/制动力Fxf(t),控制任务是以最短时间通过给定路径。
约束条件:
(1)边值约束
初始值如下:
x(0)=[0,0,u0,0,0,0]T
(2)过程约束
考虑到防止汽车在避开障碍物过程中发生侧翻,建立如下的过程约束条件:
式中,L为轮距,K为稳定性因数。
当汽车受到驱动力且是前轮驱动时,有:
式中,φ是路面摩擦系数;
当汽车受到制动力,且假设前后轮都处于抱死状态,有:
(3)控制变量和状态变量约束
受汽车性能及道路条件等因素的影响,汽车要满足一定的状态变量和控制变量约束以保证顺利完成转向行驶过程。因此,建立如下的约束条件:
umin≤u≤umax
δmin≤δ≤δmax
步骤3.3),求解最优控制问题
步骤3.2.1),用Gauss伪谱法将最优控制问题转换成非线性规划问题
(1)将上述逆动力学问题归纳为以Mayer型为优化目标的最优控制问题:
min J=ψ(x(te),te)
C[x(t),z(t),t]≤0
(2)区间变换
将最优控制问题的时间区间t∈[t0,te]转换成τ∈[-1,1],对时间变量t作变换:τ=2t/(te-t0)-(te+t0)/(te-t0)
可得
min J=ψ(x(τe),te)
C[x(τ),z(τ),τ;t0,te]≤0
(3)全局插值多项式近似状态变量和控制变量
Gauss伪谱法选取N个LG点和一个初始点τ0=-1为节点,构造N+1个Lagrange插值多项式Li(τ)(i=0,…,N),并以此为基函数近似状态变量
其中,Lagrange插值多项式函数
使得节点上的近似状态与实际状态相等,即x(τi)=X(τi),(i=0,…,N)。
采用Lagrange插值多项式L* i(τ),(i=1,…,N)作为基函数来近似控制变量,即:
(3)运动学微分方程约束转换为代数约束
将动力学微分方程约束转换为代数约束,即:
其中微分矩阵Dki∈RN×(N+1)在插值节点个数给定的情况下为一常值,表达式为:
其中,τk(k=1,…,N)为集合κ中的点,而τi(i=0,…,N)属于集合κ0={τ0,τ1,…,τN}。在插值节点τk(1≤k≤N)处离散。这样,可将最优控制问题的动力学微分方程约束转换为代数约束,对于k=1,…,N有:
(4)离散条件下的终端状态约束
终端状态也应满足动力学方程约束:
将终端约束条件离散并用Gauss积分来近似,可得:
将边值约束式及路径约束式在插值点进行离散可得下式:
C[X(τk),Z(τk),τk;t0,te]≤0
经过上述变换,由汽车操纵逆动力学问题转变的最优控制问题的求解就转化为对非线性规划问题的求解。
步骤3.2.1),用SQP求解非线性规划问题
一般非线性约束最优控制问题如下
式中,f(x),ci(x)都是实值连续函数并且至少两者有其一是非线性的,E={1,2,…,me},I={me+1,…,m},构造子问题
其中gk是函数f(x)在点xk的梯度,Bk是拉格朗日函数的海色阵的近似。记上述子问题的解为dk,本专利用到的Wilson-Han-Powell方法就是用dk作为第k次迭代的搜索方向,它是许多罚函数的下降方向。
逐步二次规划算法步骤:
(1)给出x1∈Rn,σ>0,δ>0,B1∈Rn×n,ε≥0,k:=1
(2)求解上述子问题得到dk;如果||dk||≤ε,则停;求αk∈[0,δ]使得
(3)xk+1=xk+αkdk;计算Bk+1;k:=k+1;转步骤2.
用拟牛顿公式逐步迭代来计算Bk+1,取
sk=xk+1-xk,
采用BFGS校正公式计算Bk+1
不同危险状态判断过程为:通过将各类监测数据送入ECU中,计算出不同车速下的安全距离阈值(D*)。其中,当车速小于或等于50km/h时,得到的是基于制动的安全距离阈值Db*;当车速高于50km/h时,得到的是基于转向的安全距离阈值Ds*;以下将两类安全距离阈值均称为安全距离阈值D*。随即将接收到的实时相对距离d与安全距离阈值D*相比较,判定当前碰撞发生的可能性,对其进行危险状态判断,得到不同的危险等级信号后将其发送给执行模块。
其中,基于制动的安全距离阈值D*的计算公式为:
式中,jr为相对加速度,tj为从当前加速度到以最大制动减速度制动避撞的时间,a0为自车初始加速度,vt为自车速度,vj为相对速度,vl为前车速度,atmin为自车最小加速度,al为前车加速度,ds为最小停车安全距离,at为自车加速度。
基于转向的安全距离阈值Ds *的计算公式为:
Ds *=c+ds,
式中,c为车辆完成换到纵向位移s的一半,ds为最小停车安全距离。
图2所示的危险状态判断逻辑为:
(1)若d>1.2D*,行车无碰撞危险,汽车处于安全状态。
(2)一级危险状态的判定条件:D*<d<1.2D*时,此时实时相对距离d仍处于安全距离阈值D*之外,但有发生碰撞的潜在危险性;
(3)二级危险状态的判定条件:d<D*,此时实时相对距离d处于安全距离阈值D*之内,车辆发生碰撞的危险性提高,需及时采取有效措施。
图2所示的切换规则为:
当行车车速小于或等于50km/h时:若行车处于一级危险状态下,主动安全预警控制器发出预警命令,主动安全预警执行器开始报警,ABS控制器、EPS控制器不发出命令。若行车处于二级危险状态下,主动安全预警执行器持续报警,ABS控制器发出制动命令,ABS执行器进行制动操作,EPS控制器不发出命令。
当行车车速大于50km/h时:若行车处于一级危险状态下,主动安全预警控制器发出预警命令,主动安全预警执行器开始报警,ABS控制器、EPS控制器不发出命令。若行车处于二级危险状态下,主动安全预警执行器持续报警,EPS控制器发出转向命令,EPS执行器进行主动转向操作。ABS控制器不发出命令。
另外,在一级危险状态下,主动安全预警执行器报警后,若传感器监测到驾驶员采取主动制动或主动转向操纵信号,则预警消除;若在安全时间阈值t*下未监测到驾驶员操纵状态信号,系统自动启动二级危险状态模式,主动安全预警执行器持续报警,ABS控制器或EPS控制器发出相应命令。一般的,安全时间阈值t*的参考区间为[3s~5s]。
进一步的,执行主动制动控制可有效避免中低速时的碰撞危险,而在中高速时采用主动转向控制效果会更好一些。因此,当ECU接收到行车车速小于或等于50km/h时,ECU根据危险状态发出的执行命令为主动制动。当ECU接收到行车车速在50km/h之上时,系统根据危险状态发出的执行命令为主动转向控制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种防碰撞的汽车主动安全预警系统,其特征在于:包括依次连接的传感单元、ECU和执行单元,其中,
所述传感单元包括全景测距雷达和若干传感器,监测实时的行车状态信号、驾驶员状态信号以及道路环境信号,通过A/D转换将监测信号送入ECU;
所述ECU采用分层控制器结构,包括上层控制器和下层控制器;其中,
上层控制器为数据计算系统,利用所述监测信号并通过操纵逆动力学计算输出期望车速与期望方向盘转角,并根据不同的危险工况设置不同的危险状态等级及切换规则,其中,根据当前车辆与前车或障碍物的实时相对距离d与安全距离阈值D*的大小关系判定汽车处于安全状态或一级危险状态或二级危险状态;切换规则为根据汽车的危险状态等级发出主动制动或主动转向控制的执行命令;
下层控制器包括主动安全预警控制器、ABS控制器、EPS控制器,将上层控制器输出的信号转换为控制指令,输出期望的制动压力和方向盘转矩以及预警信号给执行单元;
所述执行单元包括主动安全预警执行器、ABS执行器、EPS执行器,收到下层控制器的控制指令后,调节车轮制动液压,并启动转向电动机产生相应大小和方向的辅助动力,协助驾驶员进行操作,避免行车发生碰撞危险;
所述执行单元的具体执行方式为:主动安全预警执行器选用声光预警执行器,通过发出声音或灯光来警示驾驶员前方危险隐患;ABS执行器调节车轮制动液压,EPS执行器让转向电机产生相应大小和方向的辅助动力,协助驾驶员进行操纵,避免行车发生碰撞危险;
所述危险状态等级的设置方法具体为:
首先,将监测信号的数据计算出不同车速下的安全距离阈值D*,其中,当车速小于或等于50km/h时,得到的是基于制动的安全距离阈值Db *;当车速高于50km/h时,得到的是基于转向的安全距离阈值Ds *;以下将两类安全距离阈值均称为安全距离阈值D*;
其次,将ECU接收到的当前车辆与前车或障碍物的实时相对距离d与安全距离阈值D*相比较,判定当前碰撞发生的可能性,对其进行危险状态判断,危险状态判断逻辑为:
(1)若d>1.2D*,行车无碰撞危险,汽车处于安全状态;
(2)一级危险状态的判定条件:D*<d<1.2D*时,此时实时相对距离d仍处于安全距离阈值D*之外,但有发生碰撞的潜在危险性;
(3)二级危险状态的判定条件:d<D*,此时实时相对距离d处于安全距离阈值D*之内,车辆发生碰撞的危险性提高,需及时采取有效措施;
所述传感单元的传感器包括车速传感器、侧向加速度传感器、方向盘转角/转矩传感器、制动压力传感器,其中,车速传感器设置于汽车前保险杠上,侧向加速度传感器安装于汽车底盘上,二者用于监测行车状态信号;方向盘转角/转矩传感器安装于方向盘与转向开关之间的转向柱上,制动压力传感器安装于制动踏板内部,二者用于监测驾驶员状态信号;全景测距雷达安装于汽车车身上,用于监测道路环境信号;
所述操纵逆动力学的计算步骤包括:
(1)搭建三自由度车辆模型;
(2)建立最优控制模型;
(3)求解最优控制问题;
(4)求得最优操纵输入,包括期望的车速u*、期望的方向盘转角δ*;
其中,基于制动的安全距离阈值Db *的计算公式为:
式中,jr为相对加速度,tj为从当前加速度到以最大制动减速度制动避撞的时间,a0为自车初始加速度,vt为自车速度,vj为相对速度,vl为前车速度,atmin为自车最小加速度,al为前车加速度,ds为最小停车安全距离,at为自车加速度;
基于转向的安全距离阈值Ds *的计算公式为:
Ds *=c+ds,
式中,c为车辆完成换到纵向位移s的一半,ds为最小停车安全距离;
所述切换规则为:当行车车速小于或等于50km/h时,ECU根据危险状态发出主动制动的执行命令;当行车车速大于50km/h时,ECU根据危险状态发出主动转向控制的执行命令;
所述切换规则为:
(1)当行车车速小于或等于50km/h时:若行车处于一级危险状态下,主动安全预警控制器发出预警命令,主动安全预警执行器开始报警,ABS控制器、EPS控制器不发出命令;若行车处于二级危险状态下,主动安全预警执行器持续报警,ABS控制器发出制动命令,ABS执行器进行制动操作,EPS控制器不发出命令;
(2)当行车车速大于50km/h时:若行车处于一级危险状态下,主动安全预警控制器发出预警命令,主动安全预警执行器开始报警,ABS控制器、EPS控制器不发出命令;若行车处于二级危险状态下,主动安全预警执行器持续报警,EPS控制器发出转向命令,EPS执行器进行主动转向操作,ABS控制器不发出命令。
2.根据权利要求1所述的一种防碰撞的汽车主动安全预警系统,其特征在于:在一级危险状态下,主动安全预警执行器报警后,若传感器监测到驾驶员采取主动制动或主动转向操作信号,则预警消除;若在安全时间阈值t*下未监测到驾驶员操纵状态信号,系统自动启动二级危险状态模式,主动安全预警执行器持续报警,ABS控制器或EPS控制器发出相应命令。
3.根据权利要求2所述的一种防碰撞的汽车主动安全预警系统,其特征在于:所述安全时间阈值t*的参考区间为[3s~5s]。
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