CN110481544B - 一种针对行人的汽车避撞方法及避撞系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对行人的汽车避撞方法及避撞系统，步骤1：获取汽车及周围障碍物的移动信息；步骤2：判断汽车前方是否存在危险行人目标；步骤3：比较汽车与危险行人目标的纵向距离与制动安全距离的大小；步骤4：转向避撞操作危险性判断；步骤5：自主决策采取主动制动或是主动转向操作；步骤6：判断危险是否解除，解除后保持正常行驶。本发明实时检测汽车与周围物体的移动信息，准确识别到前进方向上的危险行人目标，在主动制动无法规避碰撞的时候判断转向操作危险性，当系统通过计算判断转向操作安全时，汽车进行主动转向操作，有效避免人车碰撞事故的发生，最大限度地保护行人的交通安全。

Description

一种针对行人的汽车避撞方法及避撞系统

技术领域

本发明属于车辆安全领域，主要涉及一种针对行人的汽车避撞方法及避撞系统。

背景技术

交通事故频发给全社会造成了极大的损失，如何减少交通事故的发生成为各国政府致力解决的问题。汽车主动安全技术在预防事故方面拥有着巨大潜力，近年来呈现出飞速发展的态势。避撞技术作为汽车主动安全领域的重点而受到广泛关注。

现有的汽车避撞系统大多通过主动制动来实现避免车与车的追尾，显著降低了汽车追尾事故的发生概率。行人在碰撞事故中极易受到伤害，是最弱势的交通使用者，但是由于行人运动特性较为复杂，目前对于行人的避撞方法研究较少。当行人出现位置小于汽车所需的制动距离时，采用主动制动仍会与行人碰撞而造成伤害，若此时转向操作不存在危险，则可采取主动转向操作避免与行人碰撞。因此针对行人保护开发一种既能主动制动又能主动转向的汽车避撞系统，能够更大限度地保护行人的道路交通安全。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种针对行人的汽车避撞方法及避撞系统，当汽车检测到前进方向上危险的行人目标，且无法通过制动避免碰撞时，可在确定转向安全的情况下进行转向操作，提高了汽车对行人的保护效果。

为实现上述目的，本发明提供了一种针对行人的汽车避撞方法，包括以下步骤：

步骤1，获取汽车及周围障碍物的移动信息；

步骤2，判断汽车前方是否存在危险行人目标：

步骤3，比较汽车和危险行人目标的纵向距离与制动安全距离的大小；

步骤4，转向避撞操作危险性判断；

步骤5，自主决策采取主动制动或是主动转向操作；

步骤6，判断危险是否解除，解除后保持正常行驶。

所述的移动信息包括汽车移动的方向、速度、加速度、横摆角速度和周围障碍物的移动方向、速度、加速度、相对于汽车的横向距离和纵向距离，所述周围障碍物包括汽车周围的物静态障碍物(树木、栏杆、路缘、施工设施等)和动态障碍物(机动车、非机动车、行人、动物等)。

所述危险行人目标的判断包括以下过程：计算行人进入车辆行进区域的进入时间和离开车辆行驶区域的离去时间，所述车辆行驶区域指汽车沿当前行驶路径行驶时由车辆左右两侧围成的区域。计算汽车与行人的碰撞时间，并与行人进入时间和离去时间相比较，当满足进入时间≤碰撞时间≤离去时间时，认定该行人为危险目标，不满足时汽车应保持正常行驶。

所述制动安全距离指危险行人目标保持当时运动状态，汽车在当时路面条件下通过紧急制动来避免与其碰撞所需的距离。当制动安全距离小于等于行人与汽车纵向距离时，制动信号为1，否则为0。

所述转向危险性判断包括以下过程：(1)确定汽车的横向偏移量，预测碰撞时间内行人相对于汽车的横向位移，计算汽车转向避撞所需的横向偏移；(2)根据此横向偏移量计算汽车需达到的横向加速度，若横向加速度大于该路面条件下汽车能够达到的横向加速度，则认为转向操作存在危险；(3)转向路径上障碍物的判断，若汽车的规划路径上存在静态障碍物，则判断转向操作危险，检测转向过程有无和动态障碍物碰撞的风险，若与动态障碍物的距离不满足安全要求，则判断转向操作危险。

所述自主决策中，面对危险行人目标且制动信号为1时，若转向操作存在危险则决策采取主动制动操作，若转向操作安全则决策采取主动转向操作。

一种针对行人的汽车避撞系统，主要包括：

传感模块：在汽车行驶过程中对车辆周围的障碍物进行感知，确定障碍物的类型、位置、方向、速度和加速度等移动信息，通过轮速传感器、加速度传感器、横摆角速度传感器、方向盘转角传感器等来获取汽车的速度、加速度和转弯信息。

决策模块：根据传感模块获取的信息进行控制决策，首先进行安全状态的判断，计算汽车与各障碍物之间应保持的安全距离，对危险的行人目标进行识别。当汽车与危险行人目标的纵向距离达到制动安全距离，根据汽车与周围障碍物的移动信息进行转向危险性判断，最后进行控制方式的选择，控制方式分为主动制动和主动转向两种类型。做出决策后进行控制量的计算，包括制期望的制动减速度、期望发动机转矩、转向盘转角。

执行模块：包括制动执行器、节气门执行器和转向执行器，这些执行器根据决策模块输出的指令进行主动制动或转向。

在所述系统中，汽车通过装载的摄像头、激光雷达、毫米波雷达来获取周围障碍物的移动信息，通过红外摄像头识别夜晚的行人。

特别地，在所述系统中，所述决策模块根据路面情况计算出汽车能够达到的最大纵向减速度和横向加速度，根据所需减速度计算出制动器的制动压力和节气门开度。根据所需横向位移规划转向路径，并计算出方向盘转角。

特别地，在所述系统中，当汽车与危险行人目标的纵向距离大于并接近制动安全距离时发出警报，此时驾驶员可以通过自主操作避免碰撞，当驾驶员没有做出相应反应时，避撞系统进行自主决策。

本发明的有益效果：

通过汽车的传感器实时检测汽车与周围物体的移动信息，准确识别到前进方向上的危险行人目标，在主动制动无法规避碰撞的时候判断转向操作危险性，当系统通过计算判断转向操作安全时，汽车进行主动转向操作，有效避免人车碰撞事故的发生，最大限度地保护行人的交通安全。

附图说明

图1是根据本发明实施例的针对行人的汽车避撞方法的方法流程图；

图2是根据本发明中实施例的针对行人的汽车避撞系统的整体结构图；

图3为汽车主动转向前馈加反馈控制的系统结构图；

图4是汽车采取主动制动避撞操作时行人与汽车的运动过程示意图；

图5是汽车采取主动转向避撞操作时行人与汽车的运动过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是根据本发明一个实施例的针对行人的汽车避撞方法的方法流程图。如图1所示，本发明提供了一种针对行人的避撞方法，主要包括以下步骤：

步骤1：获取汽车及周围障碍物的移动信息；

步骤2：判断汽车前方是否存在危险行人目标；

步骤3：比较汽车与危险行人目标的纵向距离与制动安全距离的大小；

步骤4：转向避撞操作危险性判断；

步骤5：自主决策采取主动制动或是主动转向操作；

步骤6：判断危险是否解除，解除后保持正常行驶。

所述步骤1中，汽车获取的信息分为两种：一是通过加速度传感器、速度传感器、横摆角速度传感器获取的行驶速度v_ego、加速度a_ego和横摆角速度

等汽车移动信息；二是通过毫米波雷达、激光雷达和摄像头传感器获取的周围障碍物的移动信息，所述障碍物可分为静态障碍物和动态障碍物。静态障碍物包括树木、栏杆、施工设施等，动态障碍物包括机动车、非机动车、行人、动物等。汽车通过传感模块的数据处理单元对障碍物进行准确分类，并精确获取其移动方向、速度、加速度、与汽车的横向及纵向距离信息。

汽车采用激光雷达或毫米波雷达来获取障碍物的移动信息，其测距原理如下：雷达发射机向空间发射高频窄脉冲，当电磁波传播路径上存在障碍物时，雷达接收回波信号，障碍物与汽车距离的计算方法如下：

式中，R为目标距离；c为光速；n为测量脉冲数；f为计数脉冲重复频率。

与障碍物的纵向距离X_obj和纵向距离Y_obj的计算方法如下：

式中，θ为雷达对障碍物的探测角度。

障碍物的速度测量采用多普勒频移的方法，计算方法如下：

式中，v为障碍物的速度；λ为发射电磁波的波长；f_d为多普勒频移。

对雷达数据聚类处理，提取出感兴趣区域，摄像头通过模板匹配的方法对感兴趣区域内的障碍物进行识别，从而确定车辆行驶方向上的障碍物种类。

所述步骤2中，危险行人目标的判断包括以下过程：

利用步骤1中摄像头和雷达传感器获取到的行人速度v_ped、行走方向与汽车前进方向的夹角α(当行人和汽车同向时α＝0°，相向行驶时α＝180°)，以及相对于汽车坐标系的纵向距离x_ped和横向距离y_ped，计算行人的进入时间。进入时间为行人按当前速度与方向进入汽车未来行驶区域的时间，行驶区域指汽车沿当前行驶路径行驶时由车辆左右两侧围成的区域。行人进入时间(TTE)的具体计算方法如下：

式中，w_ego为汽车宽度；w_ped为行人宽度；w_margin为最小安全距离，即汽车边界应该与行人保持的最小距离。

计算行人的离去时间，离去时间为行人按当前速度与方向离开车辆未来行驶区域的时间。行人离去时间(TTD)的具体计算方法如下：

计算行人与汽车的碰撞时间，碰撞时间为行人与汽车按当前速度在车辆行驶方向上发生碰撞的时间。碰撞时间(TTC)的具体计算方法如下:

其中D的具体计算方法如下：

比较行人进入时间、离去时间和碰撞时间的大小，确定车辆识别到的行人是否为危险目标。得到危险行人目标信号PT的具体计算方法如下：

所述步骤3中，制动安全距离为危险行人目标保持当前运动状态，汽车通过紧急制动来避免与其碰撞所需的距离。当制动安全距离小于等于行人与汽车纵向距离时，制动信号为1，否则为0。制动安全距离的具体计算方法如下：

式中，a_max为汽车在当前路面附着条件下能实现的最大减速度。

所述步骤4中，转向操作危险性判断包括以下过程：

假设行人保持当前移动状态，预测TTC时刻行人所处的位置，得到汽车所需要的横向偏移量S_ped，根据此横向偏移量计算汽车需要达到的横向加速度。若横向加速度大于该路面条件下汽车能够达到的横向加速度，则认为转向操作存在危险，横向加速度的具体计算方法如下：

检测转向路径上是否存在障碍物，若汽车的规划路径上存在静态障碍物，则认为转向操作存在危险，此时转向信号ST＝0。检测转向路径上有无和动态障碍物碰撞的风险，汽车在转向避撞的过程中应该与左右两侧的动态障碍物保证一定的安全距离，称为转向安全距离。

与前方左右两侧的动态障碍物安全距离具体计算方法如下：

式中，v_f为前方动态障碍物的纵向速度；a_f为前方动态障碍物的最大减速度；d_margin为汽车应该与动态障碍物保持的最小距离。

与后方左右两侧的动态障碍物安全距离具体计算方法如下：

式中，v_b为后方动态障碍物的纵向速度；a_b为后方动态障碍物的最大减速度。

当汽车与前后动态障碍物会发生碰撞危险时，则认为转向存在危险，此时转向信号ST＝0。当上述判断均无危险，则认为转向操作安全，此时转向信号ST＝1。

所述步骤5中，汽车决策的选择逻辑如下：

所述步骤6中，当判断危险已经解除时，汽车保持正常行驶，当危险没有解除时，判断此时发生人员伤亡，此时汽车发出求救报警信号。

图2是根据本发明中一个实施例的针对行人的汽车避撞系统的整体结构图，如图2所示，本发明提供了一种针对行人的汽车避撞系统，包含传感模块、决策模块、执行模块。

所述传感模块用于环境感知及汽车状态获取，包括用于环境感知的摄像头、毫米波雷达、激光雷达以及相应数据处理单元，用于汽车状态获取的加速度传感器、速度传感器、横摆角速度传感器及相应数据处理单元，传感模块的输出为周围障碍物及汽车的移动信息，这些信息通过CAN总线传输到决策模块。

所述决策模块根据传感模块获取的信息进行控制决策，首先进行安全状态的判断，计算汽车与各障碍物之间应保持的安全距离，对危险的行人目标进行识别。然后进行控制方式的选择，控制方式分为主动制动和主动转向两种类型，其中主动转向又包括主动右转和主动左转。做出决策后进行控制量的计算，包括制期望的制动减速度、期望发动机转矩、转向盘角度。

所述执行模块主要包括制动执行器，节气门执行器，转向执行器，这些执行器接收来自于决策模块的控制量信号，进行决策的执行。所述制动执行器和节气门执行器采用PID控制结构。所述转向执行器采用前馈加反馈的控制结构，如图3所示，图中u_FFC和u_FBC为前馈控制信号和反馈控制信号。

图4是汽车采取主动制动避撞操作时行人与汽车的运动过程示意图。该实施例中，汽车行驶路径分为两条车道，汽车在第二车道上匀速行驶，速度为v_ego，假设t0时刻汽车通过传感模块发现一行人目标，其与汽车纵向距离为x_ped，与汽车横向距离为y_ped，行人的移动速度为v_ped，行驶方向垂直于汽车。计算行人的进入时间，离去时间、碰撞时间，得到TTD>TTC>TTE，将此行人标记为危险行人目标，此时危险行人目标信号PT＝1。当汽车与行人的纵向距离等于制动安全距离时，制动信号BT＝1。判断转向操作有无危险存在，检测到右侧路径存在静态障碍物R1和R2，且与左侧路径的后方来车L1纵向距离小于转向安全距离，判断转向存在危险，转向信号ST＝0。此时汽车采取主动制动来避免碰撞，t1时刻汽车速度降低为0，行人安全通过。

图5是汽车采取主动转向避撞操作时行人与汽车的运动过程示意图。该实施例与上述实施例的不同之处为：当汽车进行转向危险性判断时，左侧路径没有动态障碍物与静态障碍物存在。汽车判断转向操作不存在危险，此时采取主动转向来避免碰撞，t1时刻汽车顺利通过行人行驶路径，避免与行人发生碰撞。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种针对行人的汽车避撞方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，获取汽车及周围障碍物的移动信息；

步骤2，判断汽车前方是否存在危险行人目标；

步骤3，比较汽车和危险行人目标的纵向距离与制动安全距离的大小；

步骤4，转向避撞操作危险性判断；

步骤5，自主决策采取主动制动或是主动转向操作；

步骤6，判断危险是否解除，解除后保持正常行驶；

步骤2中，危险行人目标的判断方法：

利用步骤1中摄像头和雷达传感器获取到的行人速度v_ped、行走方向与汽车前进方向的夹角α，当行人和汽车同向时α＝0°，相向行驶时α＝180°，以及相对于汽车坐标系的纵向距离x_ped和横向距离y_ped，计算行人的进入时间；进入时间为行人按当前速度与方向进入汽车未来行驶区域的时间，行驶区域指汽车沿当前行驶路径行驶时由车辆左右两侧围成的区域；

计算行人的离去时间，离去时间为行人按当前速度与方向离开车辆未来行驶区域的时间；

计算行人与汽车的碰撞时间，碰撞时间为行人与汽车按当前速度在车辆行驶方向上发生碰撞的时间；

比较行人进入时间、离去时间和碰撞时间的大小，判断车辆识别到的行人是否为危险目标。

2.根据权利要求1所述的一种针对行人的汽车避撞方法，其特征在于，步骤1的实现方法包括：通过加速度传感器、速度传感器、横摆角速度传感器获取车辆的行驶速度v_ego、加速度a_ego和横摆角速度

通过毫米波雷达、激光雷达和摄像头传感器获取的周围障碍物的移动信息；汽车通过传感模块的数据处理单元对障碍物进行准确分类，并精确获取其移动方向、速度、加速度、与汽车的横向及纵向距离信息。

3.根据权利要求1所述的一种针对行人的汽车避撞方法，其特征在于，行人进入时间TTE的具体计算方法如下：

式中，w_ego为汽车宽度；w_ped为行人宽度；w_margin为最小安全距离，即汽车边界应该与行人保持的最小距离；

行人离去时间TTD的具体计算方法如下：

碰撞时间TTC的具体计算方法如下：

其中D的具体计算方法如下：

a_ego表示汽车加速度，v_ego表示车辆的行驶速度。

4.根据权利要求3所述的一种针对行人的汽车避撞方法，其特征在于，判断危险目标信号PT的具体计算方法如下：

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