CN110723141A - 一种车辆主动避撞系统及其避撞方式切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种车辆主动避撞系统及其避撞方式切换方法，根据信息采集模块获取车辆在行驶过程中的车障距X车‑障、主车车速v0、障碍车宽度w、道路附着系数μ等行车信息，通过轨迹规划模块规划五次多项式匀速、变速变道轨迹。基于行车信息和五次多项式避撞轨迹分别计算预警距离X预警、制动避撞临界安全距离X制动、转向避撞临界安全距离X转向和协同避撞临界安全距离X协同。将实时测得的行车信息与计算得到的三种避撞方式临界安全距离输入避撞方式判断模块，从而确定最佳的避撞方式。最终，避撞控制模块选择相应的控制方法控制车辆完成避撞。本发明有效地解决了单一避撞方式的不足，能够进一步提高车辆的避撞能力，在降低交通事故发生率方面更加有效，从而最大程度的减轻事故伤害。

Description

一种车辆主动避撞系统及其避撞方式切换方法
技术领域
本发明属于车辆主动安全领域，具体是一种车辆主动避撞系统及其避撞方式切换方法。
背景技术
人工智能时代的来临使智能车辆成为近些年的研究热点。在智能车辆领域，交通安全是影响其上路的最关键问题。主动避撞系统作为智能车辆的核心子系统之一，对行车安全性的提高具有重要意义。当车载雷达及传感器检测到前方出现危险状况而驾驶员不能及时采取措施时，主动避撞系统会自动接管车辆，控制车辆躲避危险，从而避免交通事故的发生。主动避撞系统的发展经历了纵向(制动)避撞系统和横向(转向)避撞系统两个阶段，目前都已经发展的较为成熟。但是，采用单纯的制动避撞或转向避撞在一些特定工况下往往会导致避撞失败。此时，通过多种避撞方式协调避撞是一种行之有效的方法。因此，不同避撞方式之间进行切换的方法在主动避撞系统中占有很高的研究地位。目前对于主动避撞方式切换方法的研究中，大都聚焦于制动和转向两种避撞方式，避撞方式考虑地不够全面，切换形式单一，使得切换方法对不同工况的适应性较差。
发明内容
针对当前主动避撞系统采用单一子模式避撞导致避撞效果在不同工况下差异较大甚至避撞失败的问题，本发明提出一种车辆主动避撞系统及其避撞方式切换方法，以提高其在不同危险工况下的适应性。
本发明所采用的技术方案如下：
一种车辆主动避撞系统，包括信息采集模块，所述信息采集模块分别连接主控电脑计算模块和轨迹规划模块，所述轨迹规划模块连接主控电脑计算模块；所述主控电脑计算模块连接避撞方式判断模块，所述避撞方式判断模块连接避撞控制模块，所述避撞控制模块包括制动避撞模块、转向避撞模块和协同避撞模块；
进一步，所述信息采集模块包括雷达、传感器、摄像头和道路附着系数估计器分别用于获取车障距X车-障、主车车速v0、障碍车宽度w、道路附着系数μ；
进一步，所述轨迹规划模块规划五次多项式变道轨迹并将轨迹信息传递给主控电脑计算模块；所述主控电脑计算模块计算制动避撞临界安全距离X制动和预警距离X预警并基于轨迹信息根据车辆临界碰撞场景分别计算出转向避撞临界安全距离X转向和协同避撞临界安全距离X协同；
进一步，避撞方式判断模块根据实时测得的车障距X车-障与计算得到的三种避撞方式临界安全距离进行比较判定行车状态；
进一步，所述避撞控制模块根据行车状态，控制制动避撞模块、转向避撞模块和协同避撞模块采取相应的避撞方式完成有效避撞；
一种车辆主动避撞系统避撞方式切换方法，当车载雷达检测到前方有障碍物时，根据车障距X车-障与制动避撞临界安全距离X制动、预警距离X预警、转向避撞临界安全距离X转向和协同避撞临界安全距离X协同之间的大小和关系进行避撞方式切换，切换规则如下：
若X车-障≥X预警，保持直行或预警；
若X车-障≥X制动且X车-障≥X转向，采取转向避撞；
若X车-障≥X制动且X车-障＜X转向，采取制动避撞；
若X车-障＜X制动且X车-障≥X转向，采取转向避撞；
若X车-障＜X制动且X车-障＜X转向且X车-障≥X协同，采取制动与转向协同避撞；
若X车-障＜X制动且X车-障＜X转向且X车-障＜X协同，碰撞不可避免，以最大减速度紧急制动减轻碰撞伤害。
进一步，所述制动避撞临界安全距离X制动和预警距离X预警的计算方法为：
Figure BDA0002209245350000022
其中，t1为驾驶员反应时间，t2为制动器延迟时间，t3为减速度从0增加到最大减速度所需时间，v0为初始车速，d0为自车停止后应与障碍车保持的最小安全间距，μ为道路附着系数，g为重力加速度。
进一步，根据临界碰撞场景，转向避撞临界安全距离X转向和协同避撞临界安全距离X协同的计算方法为：
Figure BDA0002209245350000031
Figure BDA0002209245350000032
其中，X(tc)为临界碰撞时刻车辆质心的纵向位移，tc为临界碰撞时刻，df为车辆质心至车辆最前端的距离，θc为tc时刻的车辆航向角，b为车宽，Δd为安全余量；
本发明的有益效果：
通过本发明专利提出的方法，能够得到不同避撞方式之间进行切换的避撞能力相同的临界点，据此可确定各子模式的优势区域，能使车辆在行驶过程中遇到危险情况时准确评估碰撞危险等级，进而选择最佳的避撞方式进行规避，有效地解决了单一子模式避撞的不足。比如，当μ＝0.8,w＝2时，制动避撞和转向避撞的切换点为(47.9km/h,12.6m)；制动避撞和协同避撞的切换点为(41.5km/h,9.7m)。在切换点处二者避撞能力相同，进而可得到各子模式的优势区域。车辆在行驶过程中，结合实时测得的车障距与主车车速即可判定行车状态，从而采取相应的避撞方式完成有效避撞。所引入的多种避撞方式的切换方法进一步提高了车辆的避撞能力，在降低交通事故发生率方面更加有效，从而最大程度的减轻事故伤害。
附图说明
图1是本发明中主动避撞系统结构示意图；
图2是本发明中避撞方式切换方法流程图；
图3是本发明中避撞工况图；
图4是本发明中车辆临界碰撞场景图。
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用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1，本发明所提出的一种车辆主动避撞系统，包括信息采集模块，信息采集模块包括雷达、传感器、摄像头和道路附着系数估计器分别用于实时获取车障距X车-障、主车车速v0、车宽b、道路附着系数μ等行车信息；信息采集模块分别连接轨迹规划模块和主控电脑计算模块，轨迹规划模块连接主控电脑计算模块；轨迹规划模块规划五次多项式变道轨迹并将轨迹信息传递给主控电脑计算模块，主控电脑计算模块根据所采集的行车信息可以计算出制动避撞临界安全距离X制动和预警距离X预警并基于轨迹信息根据车辆临界碰撞场景分别计算出转向避撞临界安全距离X转向和协同避撞临界安全距离X协同；主控电脑计算模块连接避撞方式判断模块，避撞方式判断模块根据实时测得的车障距X车-障与计算得到的三种避撞方式临界安全距离进行比较判定行车状态，避撞方式判断模块连接避撞控制模块，避撞控制模块包括制动避撞模块、转向避撞模块和协同避撞模块，避撞控制模块根据行车状态，控制制动避撞模块、转向避撞模块和协同避撞模块采取相应的避撞方式完成有效避撞。
基于上述车辆主动避撞系统，本发明还提出了一种车辆主动避撞系统避撞方式切换方法，具体过程如下：
步骤1、雷达与传感器通过测量实时获取行车状态及信息；
步骤2、基于车辆制动过程分析计算制动避撞临界安全距离X制动和预警距离X预警；
Figure BDA0002209245350000041
Figure BDA0002209245350000042
其中，t1为驾驶员反应时间；t2为制动器延迟时间；t3为减速度从0增加到最大减速度所需时间；v0为初始车速；d0为自车停止后应与障碍车保持的最小安全间距；μ为道路附着系数；g为重力加速度。
步骤3、如图3规划五次多项式匀速变道轨迹：
Figure BDA0002209245350000043
其中，Y(X)为车辆横向位移，X为车辆纵向位移，Xe、Ye分别为车辆从变道起点到变道终点的纵向位移和横向位移，vx为初始车速，aymax为最大侧向加速度，te为以满足稳定性约束的最大侧向加速度值计算得到的变道时间。
步骤4、考虑车辆临界碰撞场景如图4，主车与障碍车恰好不发生碰撞的临界条件为：主车的右前角点的横向位移等于障碍车的宽度时，主车与障碍车尚有一定的安全间距，基于五次多项式匀速变道轨迹并通过公式(4)～(8)计算转向避撞临界安全距离X转向。此时：
Figure BDA0002209245350000051
Figure BDA0002209245350000052
X(tc)＝vxtc (6)
Figure BDA0002209245350000053
Figure BDA0002209245350000054
其中，tc为临界碰撞时刻，X(tc)、Y(tc)分别为临界碰撞时刻车辆质心的纵向位移和横向位移，θc为tc时刻的车辆航向角，df为车辆质心至车辆最前端的距离，b为主车宽度，w为障碍车宽度，Δd为安全余量。
步骤5：根据公式(9)规划转向与制动协同避撞轨迹；
Figure BDA0002209245350000055
其中，ax为制动减速度。
避撞过程中，纵横向耦合力需满足轮胎摩擦圆约束：
Figure BDA0002209245350000056
步骤6：考虑车辆临界碰撞场景，基于五次多项式变速变道轨迹并通过公式(4)、(11)-(14)计算转向与制动协同避撞临界安全距离X协同。
Figure BDA0002209245350000057
Figure BDA0002209245350000058
Figure BDA0002209245350000059
步骤7：将实时检测出车障距X车-障与制动避撞临界安全距离X制动、预警距离X预警、转向避撞临界安全距离X转向和协同避撞临界安全距离X协同之间的大小和关系进行避撞方式切换；
当车载雷达检测到前方无障碍物时：车辆定速巡航、车道保持，不采取任何措施。
当车载雷达检测到前方有障碍物时：
若X车-障≥X预警，保持直行或预警；
若X车-障≥X制动且X车-障≥X转向，采取转向避撞；
若X车-障≥X制动且X车-障＜X转向，采取制动避撞；
若X车-障＜X制动且X车-障≥X转向，采取转向避撞；
若X车-障＜X制动且X车-障＜X转向且X车-障≥X协同，采取制动与转向协同避撞；
若X车-障＜X制动且X车-障＜X转向且X车-障＜X协同，碰撞不可避免，以最大减速度紧急制动减轻碰撞伤害。
在实施过程中，t1选取数值为1秒，t2选取数值为0，t3选取数值为0.2秒，d0选取数值为0.1米，μ选取数值为0.8，g选取数值为9.8m/s2，Ye选取数值为3.75米，aymax选取数值为0.67μg，df选取数值为1.8米，b选取数值为2米，w选取数值为2米，Δd选取数值为0.1米。
本发明所设计的一种车辆主动避撞系统避撞方式切换方法，该方法涵盖预警、制动、转向、转向和制动协同、碰撞无法避免时以最大减速度紧急制动五种模式，以满足切换方法在大多数工况下的要求，从而有效提高车辆行驶安全性。根据临界安全距离可以得到不同方式间进行切换的避撞能力相同的临界点。比如，当μ＝0.8,w＝2时，制动方式和转向方式之间的临界车速为47.9km/h；制动方式和协同方式之间的临界车速为41.5km/h。当车速低于临界车速时，位于制动方式优势区域；当车速高于临界车速时，位于转向方式和协同方式优势区域。在车辆行驶过程中，雷达与传感器通过实时测得的车障距与主车车速即可判定行车状态，从而采取相应的避撞方式完成有效避撞。同时本发明的结果可为进一步研究主动避撞系统控制策略提供参考依据。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种车辆主动避撞系统，其特征在于，包括信息采集模块，所述信息采集模块分别连接主控电脑计算模块和轨迹规划模块，所述轨迹规划模块连接主控电脑计算模块；所述主控电脑计算模块连接避撞方式判断模块，所述避撞方式判断模块连接避撞控制模块，所述避撞控制模块包括制动避撞模块、转向避撞模块和协同避撞模块。
2.根据权利要求1所述的一种车辆主动避撞系统，其特征在于，所述信息采集模块包括雷达、传感器、摄像头和道路附着系数估计器分别用于获取车障距X车-障、主车车速v0、障碍车宽度w、道路附着系数μ。
3.根据权利要求1所述的一种车辆主动避撞系统，其特征在于，所述轨迹规划模块规划五次多项式变道轨迹并将轨迹信息传递给主控电脑计算模块；所述主控电脑计算模块计算制动避撞临界安全距离X制动和预警距离X预警并基于轨迹信息根据车辆临界碰撞场景分别计算出转向避撞临界安全距离X转向和协同避撞临界安全距离X协同。
4.根据权利要求1所述的一种车辆主动避撞系统，其特征在于，避撞方式判断模块根据实时测得的车障距X车-障与计算得到的三种避撞方式临界安全距离进行比较判定行车状态。
5.根据权利要求1所述的一种车辆主动避撞系统，其特征在于，所述避撞控制模块根据行车状态，控制制动避撞模块、转向避撞模块和协同避撞模块采取相应的避撞方式完成有效避撞。
6.一种基于权利要求1-5中任意一项权利要求所述的车辆主动避撞系统的避撞方式切换方法，其特征在于，当车载雷达检测到前方有障碍物时，根据车障距X车-障与制动避撞临界安全距离X制动、预警距离X预警、转向避撞临界安全距离X转向和协同避撞临界安全距离X协同之间的大小和关系进行避撞方式切换，切换规则如下：
若X车-障≥X预警，保持直行或预警；
若X车-障≥X制动且X车-障≥X转向，采取转向避撞；
若X车-障≥X制动且X车-障＜X转向，采取制动避撞；
若X车-障＜X制动且X车-障≥X转向，采取转向避撞；
若X车-障＜X制动且X车-障＜X转向且X车-障≥X协同，采取制动与转向协同避撞；
若X车-障＜X制动且X车-障＜X转向且X车-障＜X协同，碰撞不可避免，以最大减速度紧急制动减轻碰撞伤害。
7.根据权利要求6所述的一种车辆主动避撞系统避撞方式切换方法，其特征在于，所述制动避撞临界安全距离X制动和预警距离X预警的计算方法为：
Figure FDA0002209245340000021
Figure FDA0002209245340000022
其中，t1为驾驶员反应时间，t2为制动器延迟时间，t3为减速度从0增加到最大减速度所需时间，v0为初始车速，d0为自车停止后应与障碍车保持的最小安全间距，μ为道路附着系数，g为重力加速度。
8.根据权利要求6所述的一种车辆主动避撞系统避撞方式切换方法，其特征在于，根据临界碰撞场景，转向避撞临界安全距离X转向和协同避撞临界安全距离X协同的计算方法为：
Figure FDA0002209245340000023
Figure FDA0002209245340000024
其中，X(tc)为临界碰撞时刻车辆质心的纵向位移，tc为临界碰撞时刻，df为车辆质心至车辆最前端的距离，θc为tc时刻的车辆航向角，b为车宽，Δd为安全余量。
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