CN110329147A - 车辆方向盘失去控制时的安全介入系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种车辆方向盘失去控制时的安全介入系统和方法，该系统包括驾驶员监测模块、乘客监控模块、语音警示模块、方向盘锁止控制模块、环境感知模块、安全驾驶模块和一键恢复模块，以上模块通过CAN总线通信。通过检测驾驶员和乘客的实时状态，判断是否有危及车辆行驶安全的可能，通过采取语音警示和方向盘锁止进行介入，方向盘锁止控制模块将方向盘锁死，同时将所述线控转向系统的下位转向电机与上位电机之间的信号切断，并触发安全驾驶模块，接管驾驶员权限，实现自动驾驶和安全停车。
Description
技术领域
本发明涉及汽车控制技术领域，具体涉及一种车辆方向盘失去控制时的安全介入系统和方法。
背景技术
汽车是人们出行的主要交通工具之一，在给人带来巨大便利的同时，车辆事故率也有所上升，尤其是公交车的安全关乎更多人的生命及众多家庭的幸福。一方面，司机在驾驶行为的过程中要遵守交通法规、文明出行外；另一方面，乘客的理解配合也需有待提高，因乘客个人原因拉拽司机、抢夺方向盘导致车辆失控而发生交通事故的情况引起了全社会的关注。为避免类似事件的发生，当公交车方向盘在失去驾驶员控制时，需要进行安全介入。
目前方向盘需要介入控制大多是因为车辆在行驶过程中出现爆胎而对方向盘的一个锁死介入，避免由于车胎爆裂使得驾驶员出现慌乱而盲目地打方向盘导致车辆失稳。然而针对车辆在正常行驶的过程中方向盘突然失去控制的安全介入却是空白。
发明内容
为了在车辆正常行驶中出现方向盘失控等险情时保证车辆及全车乘客的人身安全，本发明提供一种车辆方向盘失去控制时的安全介入系统，能够针对驾驶员及乘客的情况发出语音警示，进一步接管驾驶权限并安全停车。
车辆方向盘失去控制时的安全介入系统，所述车辆采用线控转向系统，所述安全介入系统包括驾驶员监测模块、乘客监控模块、语音警示模块、方向盘锁止控制模块、环境感知模块、安全驾驶模块和一键恢复模块；所述驾驶员监测模块通过实时采集驾驶员图像，对驾驶员的人脸及行为特征进行识别，判断驾驶员是否有失去意识的情况，如有则触发所述语音警示模块和所述方向盘锁止控制模块，所述驾驶员监测模块如果检测到驾驶员有疲劳或注意力不集中现象，则触发所述语音警示模块；所述乘客监控模块用于对靠近驾驶员的乘客进行图像和声音采集，判断乘客对驾驶员是否有干扰行为，如果有辱骂、威胁行为则触发所述语音警示模块，如果乘客进一步有抢夺方向盘或与驾驶员肢体接触的行为则触发所述方向盘锁止控制模块；所述语音警示模块，用于对驾驶员的分心行为和乘客的违规行为进行语音警示；所述方向盘锁止控制模块，接收来自所述驾驶员监测模块和所述乘客监控模块的触发信号，在发生乘客抢夺方向盘或与驾驶员肢体接触或驾驶员失去意识引起的方向盘失去控制的情况下，所述方向盘锁止控制模块将方向盘锁死，同时将所述线控转向系统的下位转向电机与上位电机之间的信号切断，并触发所述安全驾驶模块；所述环境感知模块用于对行车环境进行检测，在驾驶员失去车辆控制权限时为所述安全驾驶模块提供支持；所述安全驾驶模块用于在方向盘失去控制时控制车辆制动，并进行转向操作，确保车辆安全靠边停车；所述一键恢复模块用于当险情解除时，驾驶员通过一键恢复模块将整个通讯系统上的信号恢复，驾驶员重新获得权限。
进一步的，还包括红外感知模块，用于监测乘客是否越过驾驶室防护栏，并将信号发送到所述语音警示模块和所述方向盘锁止控制模块。
进一步的，所述环境感知模块至少包括视觉摄像头、毫米波雷达和激光雷达；所述视觉摄像头至少为4个，车身的前后左右至少各设置一个，前置摄像头用于观测前方车辆以及车道线，后置摄像头用于观测车后方的车辆，车身左右两侧的摄像头用于对车辆两侧车道的其他车辆和路况进行观测；所述毫米波雷达至少8个，用于监测车辆四周各个方位的路况，同时获取与其他车辆的相对距离Δd、相对速度Δv、相对方位角α；所述激光雷达至少5个，分布于车身四周，用于获取车辆周围的行人、车辆的位置信息，构建车辆周围环境的点云图。
进一步，所述环境感知模块还包括速度传感器和GPS。
进一步，所述安全驾驶模块包括制动控制器、下位转向电机控制器、车灯及车门开关控制器；所述制动控制器在车辆周围环境允许的情况下进行减速制动，所述下位转向电机控制器控制所述下位转向电机右转，使车辆靠边，所述车灯及车门开关控制器在车辆完全停止时，控制车灯打开双闪，同时开启车门。
相对应的，本发明还提供一种车辆方向盘失去控制时的安全介入方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、车辆在行驶过程中，驾驶员监测模块对驾驶员的面部和行为特征进行监测，判断驾驶员是否出现疲劳、低头、注意力不集中现象，如有则执行S2，如果监测到驾驶员失去意识，则执行S2和S3；同时乘客监控模块对靠近驾驶员的乘客进行图像和声音采集，判断乘客对驾驶员是否有辱骂、威胁驾驶员的行为，如有则再判断乘客是否与驾驶员有肢体接触的行为，如果有则执行S3，如果监测到乘客有抢夺方向盘的行为，也执行S3；
S2、根据触发条件的不同，语音警示模块对驾驶员的分心行为和乘客的违规行为发出语音警示；
S3、方向盘锁止控制模块将方向盘锁死，并将线控转向系统的下位转向电机与上位电机之间的信号切断，仅由下位电机执行转向操作，开启自动驾驶模式；
S4、环境感知模块通过对车道线检测确保车辆沿当前车道行驶，前置的毫米波雷达实时计算前方车辆与本车的相对距离Δd、相对速度Δv和相对方位角α，据此进行相应的加减速控制，保证在行驶过程中不与前方车辆发生碰撞；设置在车身四周的摄像头和其他毫米波雷达采集本车与周围障碍物、行人或车辆的位置，计算出各自的相对距离、相对速度和相对方位角数据，为靠边停车做准备；
S5、安全驾驶模块在所述环境感知模块的引导下进行制动、靠边停车，同时控制车灯打开双闪，并开启车门；
S6、险情解除后，驾驶员通过一键恢复模块将安全介入系统中的信号传递恢复，驾驶员重新获得驾驶权限。
进一步，S1中还包括：红外感知模块监测是否有乘客肢体越过驾驶室防护栏，如有则执行S2和S3。
进一步，所述语音警示模块与车载广播系统公用。
本发明的有益效果包括：
(1)通过驾驶员监测模块对驾驶员出现疲劳、注意力不集中、低头等情况进行识别，并且乘客监控模块将乘客对驾驶员有辱骂、威胁等行为进行识别，若有上述行为的发生则进行相应的语音警示；
(2)通过乘客监控模块和红外感知模块识别出乘客对驾驶员有肢体接触、抢夺方向盘等行为，或者驾驶员监测模块识别出驾驶员失去意识时，则立即进行安全介入，锁死方向盘，切断方向盘总成与转向执行器之间的信号传递，取消驾驶员的权限，由自动驾驶模式接管，避免安全事故的发生；
(3)通过激光雷达、毫米波雷达以及视觉摄像头同时构建周围的环境信息，能够更加精准地获取与周边车辆、行人、障碍物等位置信息；
(4)通过车载辅助控制模块将车辆进行制动减速，同时伴随转向操作，将车辆安全靠边停止，然后打开双闪警示后方车辆注意避让，同时打开车门，便于乘客顺序撤离，确保乘客生命财产安全。
附图说明
图1为本发明一实施例车辆方向盘失去控制时的安全介入系统结构示意图；
图2为本发明另一实施例车辆方向盘失去控制时的安全介入方法流程图；
图3为图2实施例中车辆方向盘失去控制时的自动驾驶模式下接管操作示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例介绍一种车辆方向盘失去控制时的安全介入系统，车辆采用线控转向系统，所述安全介入系统包括驾驶员监测模块、乘客监控模块、语音警示模块、方向盘锁止控制模块、环境感知模块、安全驾驶模块和一键恢复模块，如图1所示，以上模块通过CAN总线通信。
驾驶员监测模块通常采用摄像头，通过实时采集驾驶员图像，对驾驶员的人脸及行为特征进行识别，判断驾驶员是否有失去意识的情况，如有则触发语音警示模块和方向盘锁止控制模块，如果检测到驾驶员有疲劳或注意力不集中现象，那么这种情况只需要语音提醒即可，发出诸如“请保持驾驶专注，集中注意力”的语音，而不用触发方向盘锁止控制模块。
乘客监控模块用于对靠近驾驶员的乘客进行图像和声音采集，判断乘客对驾驶员是否有干扰行为，如果有辱骂、威胁等行为则语音警示模块发出诸如“您已涉嫌犯罪，请退后”的语音进行警示；如果乘客进一步干扰驾驶员的行为，比如有肢体接触，则触发方向盘锁止控制模块；如果监测到乘客有抢夺方向盘行为也会触发方向盘锁止控制模块。
语音警示模块，用于对上述驾驶员的分心行为和乘客的违规行为进行语音警示。通常，语音警示模块与车载广播系统公用。
方向盘锁止控制模块，接收来自所述驾驶员监测模块和所述乘客监控模块的触发信号，在发生乘客抢夺方向盘或与驾驶员有肢体接触又或者驾驶员失去意识引起的方向盘失去控制的情况下，方向盘锁止控制模块将方向盘锁死，同时将线控转向系统的下位转向电机与上位电机之间的信号切断，此时仅下位电机进行单独的转向控制，即由安全介入系统取代驾驶员的权限。
环境感知模块用于对车道线、前后方车辆、行人、障碍物等行车环境进行检测，在驾驶员失去车辆控制权限时为安全驾驶模块提供技术上的支持。
在通常的实施方式中，环境感知模块至少包括视觉摄像头、毫米波雷达和激光雷达；视觉摄像头至少为4个，车身的前后各一个，车身左右两侧各一个，前置摄像头用于观测前方车辆以及车道线，后置摄像头用于观测车后方的车辆，车身左右两侧的摄像头用于对车辆两侧车道的其他车辆和路况进行观测；毫米波雷达至少为8个，车头左侧、中部、右侧各三个，车身中部左右两侧各一个，车尾左侧、中部、右侧各一个，用于监测车辆四周各个方位的车辆位置信息，同时获取与其他车辆的相对距离Δd、相对速度Δv、相对方位角α；激光雷达至少为5个，分布于车身四周，用于获取车辆周围的行人、车辆的位置信息，构建车辆周围环境的点云图。在一些实施方式中，环境感知模块还包括速度传感器和GPS，进一步提高介入控制的安全性。
安全驾驶模块用于在方向盘失去控制时控制车辆制动，并进行转向操作，确保车辆安全靠边停车，包括制动控制器、下位转向电机控制器、车灯及车门开关控制器；制动控制器在车辆周围环境允许的情况下进行减速制动，下位转向电机控制器则控制下位转向电机右转，使车辆靠边，车灯及车门开关控制器在车辆完全停止时，控制车灯打开双闪，同时开启车门。
一键恢复模块用于当险情解除时，驾驶员通过一键恢复模块将整个通讯系统上的信号恢复，驾驶员重新获得权限。
在一些实施方式中，本实施例的安全介入系统还包括红外感知模块，用于监测乘客的肢体是否越过驾驶室防护栏，如有则将信号发送到语音警示模块和方向盘锁止控制模块。
实施例2
本实施例介绍利用实施例1中的安全介入系统进行安全介入的方法，其流程如图2所示。
步骤1、采集信息：车辆在行驶过程中，驾驶员监测模块对驾驶员的面部和行为特征进行监测，判断驾驶员是否出现疲劳、低头、注意力不集中现象，如有则执行步骤2，如果监测到驾驶员失去意识，则执行步骤2和步骤3；同时乘客监控模块对靠近驾驶员的乘客进行图像和声音采集，判断乘客对驾驶员是否有辱骂、威胁驾驶员的行为，如有则执行步骤2，如果监测到乘客进一步有抢夺方向盘的行为或与驾驶员有肢体接触，则进入步骤3；红外感知模块监测是否有乘客肢体越过驾驶室防护栏，如有则执行步骤2和步骤3。
步骤2、语音警示：根据触发条件的不同，语音警示模块对驾驶员的分心行为和乘客的违规行为发出语音警示。如监测到驾驶员出现疲劳或注意力不集中现象，则发出诸如“请保持驾驶专注，集中注意力”的语音；如果监测到乘客有辱骂、威胁驾驶员的行为则发出诸如“您已涉嫌犯罪，请退后”的语音进行警示，如果险情隐患解除，则返回步骤1。
步骤3、安全介入：当方向盘锁止控制模块触发时，立即将采用线控转向系统的方向盘锁死，同时取消线控转向系统中方向盘总成与转向执行器之间的联系，仅保留控制器ECU与转向执行器之间的信号传递，此时取消驾驶员的权限，由自动驾驶模式接管，同时可伴随语音提示：“现已进入自动驾驶模式，请乘客不要惊慌”。
步骤4、环境感知模块的组成与作用如图3所示：
(1)当驾驶员的权限被取代，由自动驾驶模式接管时，环境感知模块中的车道线检测装置前置摄像头首先确保车辆沿当前车道行驶；
(2)前置的毫米波雷达用于实时计算前方车辆与本车的相对距离Δd、相对速度Δv、相对方位角α，将获得的数据经过处理计算，并进行相应的加减速控制，保证车辆在正常行驶的同时不与前方车辆发生碰撞；
(3)车身两侧及车尾的摄像头判别周围是否有行人、障碍物、车辆等，同时结合毫米波雷达计算车辆周围物体距本车正前、左前、左后、右前、右后、正后方的距离Δd正前、Δd左前、Δd左后、Δd右前、Δd右后、Δd正后，相对相对速度Δv正前、Δv左前、Δv左后、Δv右前、Δv右后、Δv右前以及相对方位角α正前、α左前、α左后、α右前、α右后、α正后等，获取实时交通路况信息以及构建周围交通环境的信息点云图，为车辆的主动避撞提供数据上的支持，同时为车辆靠边停车做准备。
(4)当车辆不位于最右侧车道时，则需要进行换道路径规划，将规划路线设置为5次多项式：
其中，Xd(t),Yd(t)分别为路径的横纵坐标，ki,kj均为多项式系数。
步骤5、车辆由自动驾驶模式接管时，说明车内驾驶员已经不能完全保持对驾驶权的控制，故剥夺驾驶员驾驶权限。此时最重要的是保证乘客以及驾驶员的生命财产安全，因此首先确保车辆正常行驶，继而立刻寻找安全地点靠边停车。如图3所示，根据车身周围布置的各个视觉摄像头以及雷达传感器获取的数据，当换道所需时间t1小于与后方车辆碰撞时间t2时(为留有一定的安全裕量，令t2-t1≥2，若后方无车辆，即默认t2为无穷大)，即监测到车辆周围没有车辆、行人、障碍物等碰撞危险时，制动控制器采取轻缓制动，同时车灯控制器打开右转转向灯，下位的转向电机进行转向控制与步骤六中的换道路径规划相结合，转向控制采用模型预测控制，记状态空间方程为：
x(k+1)＝A(k+1|k)x(k)+B(k+1|k)u(k)
y(k+1)＝C(k|k)x(k+1)+D(k|k)u(k+1)
式中，x(k+1)为k+1时刻的状态向量；A(k+1|k)为k时刻到k+1时刻的状态转移矩阵；B(k+1|k)为输入矩阵；C(k|k)为输出矩阵；D(k|k)为前馈矩阵；u(k)为控制量矩阵。
将状态量扩展，得到新的状态方程如下：
式中，ξ(k+1)、η(k+1)分别为扩展后的状态量和输出量；扩展状态转移矩阵为扩展输入矩阵Δu(k)为控制增量矩阵。
目标函数通常引入预测值和期望值的平方差，设定目标函数J如下：
其中，ζ为预测轨迹；ζr为规划轨迹；Q、R为权重系数。
当车辆完全停止时，关闭右转转向灯、打开双闪警示后方车辆：本车处于紧急停车请注意避让，同时打开车门，便于乘客安全逃离。
步骤6、险情解除后，驾驶员通过一键恢复模块将安全介入系统中的信号传递恢复，同时方向盘解锁，驾驶员重新获得权限，此时返回步骤一。
本发明实施例还介绍一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有数据处理程序，所述数据处理程序被处理器执行时实现如上述任一技术方案所述的车辆行驶发生险情时的安全介入方法的步骤。本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
Claims (9)
1.一种车辆方向盘失去控制时的安全介入系统，其特征在于：所述车辆采用线控转向系统，所述安全介入系统包括驾驶员监测模块、乘客监控模块、语音警示模块、方向盘锁止控制模块、环境感知模块、安全驾驶模块和一键恢复模块；
所述驾驶员监测模块通过实时采集驾驶员图像，对驾驶员的人脸及行为特征进行识别，
判断驾驶员是否有失去意识的情况，如有则触发所述语音警示模块和所述方向盘锁止控制模块，所述驾驶员监测模块如果检测到驾驶员有疲劳或注意力不集中现象，则触发所述语音警示模块；
所述乘客监控模块用于对靠近驾驶员的乘客进行图像和声音采集，判断乘客对驾驶员是否有干扰行为，如果有辱骂、威胁行为则触发所述语音警示模块，如果乘客进一步有抢夺方向盘或与驾驶员肢体接触的行为则触发所述方向盘锁止控制模块；
所述语音警示模块，用于对驾驶员的分心行为和乘客的违规行为进行语音警示；
所述方向盘锁止控制模块，接收来自所述驾驶员监测模块和所述乘客监控模块的触发信号，在发生乘客抢夺方向盘或与驾驶员肢体接触或驾驶员失去意识引起的方向盘失去控制的情况下，所述方向盘锁止控制模块将方向盘锁死，同时将所述线控转向系统的下位转向电机与上位电机之间的信号切断，并触发所述安全驾驶模块；
所述环境感知模块用于对行车环境进行检测，在驾驶员失去车辆控制权限时为所述安全驾驶模块提供支持；
所述安全驾驶模块用于在方向盘失去控制时控制车辆制动，并进行转向操作，确保车辆安全靠边停车；
所述一键恢复模块用于当险情解除时，驾驶员通过一键恢复模块将整个通讯系统上的信号恢复，驾驶员重新获得权限。
2.根据权利要求1所述的车辆方向盘失去控制时安全介入系统，其特征在于：还包括红外感知模块，用于监测乘客是否越过驾驶室防护栏，并将信号发送到所述语音警示模块和所述方向盘锁止控制模块。
3.根据权利要求1所述的车辆方向盘失去控制时的安全介入系统，其特征在于：所述环境感知模块至少包括视觉摄像头、毫米波雷达和激光雷达；所述视觉摄像头至少为4个，车身的前后左右至少各设置一个，前置摄像头用于观测前方车辆以及车道线，后置摄像头用于观测车后方的车辆，车身左右两侧的摄像头用于对车辆两侧车道的其他车辆和路况进行观测；所述毫米波雷达至少8个，用于监测车辆四周各个方位的路况，同时获取与其他车辆的相对距离Δd、相对速度Δv、相对方位角α；所述激光雷达至少5个，分布于车身四周，用于获取车辆周围的行人、车辆的位置信息，构建车辆周围环境的点云图。
4.根据权利要求3所述的车辆方向盘失去控制时的安全介入系统，其特征在于：所述环境感知模块还包括速度传感器和GPS。
5.根据权利要求1所述的车辆方向盘失去控制时的安全介入系统，其特征在于：所述安全驾驶模块包括制动控制器、下位转向电机控制器、车灯及车门开关控制器；所述制动控制器在车辆周围环境允许的情况下进行减速制动，所述下位转向电机控制器控制所述下位转向电机右转，使车辆靠边，所述车灯及车门开关控制器在车辆完全停止时，控制车灯打开双闪，同时开启车门。
6.一种车辆方向盘失去控制时的安全介入方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、车辆在行驶过程中，驾驶员监测模块对驾驶员的面部和行为特征进行监测，判断驾驶员是否出现疲劳、低头、注意力不集中现象，如有则执行S2，如果监测到驾驶员失去意识，则执行S2和S3；同时乘客监控模块对靠近驾驶员的乘客进行图像和声音采集，判断乘客对驾驶员是否有辱骂、威胁驾驶员的行为，如有则再判断乘客是否与驾驶员有肢体接触的行为，如果有则执行S3，如果监测到乘客有抢夺方向盘的行为，也执行S3；
S2、根据触发条件的不同，语音警示模块对驾驶员的分心行为和乘客的违规行为发出语音警示；
S3、方向盘锁止控制模块将方向盘锁死，并将线控转向系统的下位转向电机与上位电机之间的信号切断，仅由下位电机执行转向操作，开启自动驾驶模式；
S4、环境感知模块通过对车道线检测确保车辆沿当前车道行驶，前置的毫米波雷达实时计算前方车辆与本车的相对距离Δd、相对速度Δv和相对方位角α，据此进行相应的加减速控制，保证在行驶过程中不与前方车辆发生碰撞；设置在车身四周的摄像头和其他毫米波雷达采集本车与周围障碍物、行人或车辆的位置，计算出各自的相对距离、相对速度和相对方位角数据，为靠边停车做准备；
S5、安全驾驶模块在所述环境感知模块的引导下进行制动、靠边停车，同时控制车灯打开双闪，并开启车门；
S6、险情解除后，驾驶员通过一键恢复模块将安全介入系统中的信号传递恢复，驾驶员重新获得驾驶权限。
7.根据权利要求6所述的车辆方向盘失去控制时的安全介入方法，其特征在于，S1中还包括：红外感知模块监测是否有乘客肢体越过驾驶室防护栏，如有则执行S2和S3。
8.根据权利要求6所述的车辆方向盘失去控制时的安全介入方法，其特征在于，所述语音警示模块与车载广播系统公用。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质上存储有数据处理程序，所述数据处理程序被处理器执行时实现如权利要求6～8任一项所述的车辆方向盘失去控制时的安全介入方法的步骤。
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