CN112046455A - 一种基于车辆质量辨识的自动紧急制动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于车辆质量辨识的自动紧急制动方法，包括以下步骤：步骤1、搭建自动紧急制动系统，同时建立自动紧急制动的TTC安全距离模型，设定理想TTC门槛值；步骤2、结合车辆的纵向运动学模型，根据车辆的运行数据，通过实时辨识获得车辆实际总质量；步骤3、建立基于车辆负载的运动学模型，通过代入步骤2辨识的车辆实际总质量，对理想TTC门槛值进行校正，得到当前负载下的TTC门槛值，当自车与前车的实时TTC值小于校正后的TTC门槛值时触发自动紧急制动系统。本发明考虑了车辆实际质量对制动性能的影响，该方法保证了车辆在任何负载下都拥有良好的制动性能，有效的防止车辆行驶过程中碰撞事故的发生，同时提高了驾驶的舒适性。

Description

一种基于车辆质量辨识的自动紧急制动方法

技术领域

本发明涉及高级辅助驾驶系统(Advanced Driver Assistance System，ADAS)领域，尤其涉及一种基于车辆质量辨识的自动紧急制动方法。

背景技术

随着人们生活水平的提高，人们对物质生活的追求越来越高，以汽车为代表的商品走进千家万户。目前因汽车保有量过高，产生了交通拥堵、交通碰撞事故等一系列的交通问题，给人们的生命财产安全造成了重大的威胁。研究表明，造成绝大部分的交通事故的原因是错误的驾驶操作。

车辆自动紧急制动(Autonomous Emergency Braking，AEB)是高级辅助驾驶ADAS的重要组成部分，利用摄像头、雷达等传感器感知车辆的驾驶环境，主要探测前方目标车辆的驾驶状态，包括主车与目标车辆之间的相对速度以及相对距离，并根据这些信息实时计算碰撞危险程度。AEB可以根据计算的碰撞危险程度控制车辆行驶，一旦碰撞危险程度高于设定的门槛值就触发自动紧急制动系统。在没有人为干预的情况下保证车辆的行驶安全，有效的减少车辆碰撞事故的发生，为人们的安全驾驶保驾护航。

目前自动紧急制动系统的研究难点在于碰撞危险程度门槛值的确定。如果设定的门槛值过小，将导致车辆因制动时间不足导致碰撞事故的发生；如果设定门槛值过大，将导致自动紧急制动系统响应过于频繁从而干扰驾驶员的正常驾驶。碰撞危险程度门槛值的影响因素多种多样，包括车辆制动性能、车辆驾驶环境以及驾驶员的驾驶行为等。目前众多研究通过辨识驾驶环境和驾驶员的驾驶状态确定碰撞危险程度门槛值，这种办法可以得到较为精确的门槛值，不过实时性要求高，辨识的难度大。研究表明，车辆负载也是影响碰撞危险程度门槛值的重要因素之一，车辆总质量以及质量的分布均能影响门槛值的大小。目前通过辨识车辆总质量确定碰撞危险程度门槛值的研究较少。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于车辆质量辨识的自动紧急制动方法，该方法通过辨识车辆实际总质量确定车辆的最大制动减速度，经过校正得到基于负载的碰撞危险程度门槛值；与常规的自动紧急制动策略相比，本策略考虑了车辆负载对车辆制动性能的影响，有效的防止碰撞事故发生的同时提高了驾驶的舒适性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种基于车辆质量辨识的自动紧急制动方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、搭建自动紧急制动系统，同时建立自动紧急制动的TTC安全距离模型，设定理想TTC门槛值；

步骤2、结合车辆的纵向运动学模型，包括驱动力的计算、坡道阻力的计算、阻力滚动的计算和空气阻力的计算，根据车辆的运行数据，通过实时辨识获得车辆实际总质量；

步骤3、建立基于车辆负载的运动学模型，通过代入步骤2辨识的车辆实际总质量，对步骤1中设定的理想TTC门槛值进行校正，得到当前负载下的TTC门槛值，当自车与前车的实时TTC值小于校正后的TTC门槛值时触发自动紧急制动系统。

进一步地，本发明的所述的步骤1中自动紧急制动系统应包括：感知单元，用于获取自车信息和目标车信息，包括车辆的速度以及车辆之间的相对距离，为运算单元实时提供数据；运算单元，用于判断安全状态和确定控制功能，为执行单元提供控制指令；执行单元，用于显示报警及制动命令，当碰撞危险程度高于设定的门槛值时，产生报警或制动动作。

进一步地，本发明的所述的步骤1中自动紧急制动TTC安全距离模型，用碰撞时间TTC的值衡量碰撞危险程度；TTC值越大，发生碰撞的可能性越小，碰撞危险程度低，车辆相对安全；反之，TTC越小，则发生碰撞的可能性越大，碰撞危险程度高；碰撞时间TTC的计算方法为：

式中，D_rel为主车与前方目标车辆的相对距离，V_rel为主车与前方目标车辆之间的相对速度；

在自动紧急制动系统中，TTC门槛值包括预警门槛值和制动门槛值；当实时TTC值小于预警门槛值时触发自动紧急制动系统，发出预警指令；当实时TTC值小于制动门槛值时，自动紧急制动系统发出制动指令，执行单元接收到制动指令后车辆制动；预警门槛值小于制动门槛值；

在自动紧急制动系统中，预警门槛值的计算方法为：

式中，V_rel为主车与前方目标车辆之间的相对速度；D_warn为主车和目标车辆之间的距离预警门槛值，D_warn的计算方法为：

式中，V_h为主车速度；V_l为前方目标车辆的速度；a_h为主车的最大制动减速度；a_l为前方目标车辆的最大制动减速度；a_h与a_l均为矢量，为正时与车辆运动方向相反，为负时与车辆运动方向相同；t_react为驾驶员的反应速度；

自动紧急制动系统中，理想的制动门槛值TTC_{e_br}的计算方法为：

式中，V_rel是主车和前方目标车辆之间的相对速度，该值可以通过自动紧急制动系统的感知模块获得；a_e为理想制动减速度，a_e为矢量，为正时与车辆运动方向相反，为负时与车辆运动方向相同。在常规的自动紧急制动系统中，a_a的大小与车辆负载无关。

进一步地，本发明的所述的步骤2中车辆纵向运动学模型，包括驱动力的计算、坡道阻力的计算、阻力滚动的计算和空气阻力的计算，其计算方法为：

F_t-(F_i+F_f+F_w)＝ma#(5)

式中，F_t为车辆驱动力；F_i为坡道阻力；F_f为摩擦阻力；F_w为空气阻力；m为车辆质量；a为车辆加速度；其中驱动力F_t的计算方法为：

式中，T_tq为发动机输出转矩；i_g为变速器传动比；i₀为主减速器传动比；η_T为整车动力传动效率；r为车轮有效半径；

将式子(5)离散后得到式子(7)和式子(8)，并且假定两个相近的时间段内坡道阻力、摩擦阻力和空气阻力没有变化，两式相减得到：

F_tk-(F_ik+F_fk+F_wk)＝ma_k#(7)

F_t(k+1)-(F_i(k+1)+F_f(k+1)+F_w(k+1))＝ma_k+1#(8)

m(a_k+1-a_k)＝F_t(k+1)-F_tk#(9)

将式子(6)的驱动力的计算方法代入式子(9)，辨识得到车辆的实际质量：

式中，m车辆的实际总重量；T_tq(k+1)为第k+1时刻的输出力矩；T_tqk为第k时刻的输出力矩；i_g为变速器传动比；i₀为主减速器传动比；η_T为整车动力传动效率；r为车轮有效半径；a_k+1为第k+1时刻的加速度；a_k为第k时刻的加速度；当驱动力矩变化大于一定阈值时，忽略其他影响因素，只考虑驱动力矩和加速度变化速率的比值，得到车辆实际质量。

进一步地，本发明的所述的步骤3中对设定的理想制动TTC门槛值进行校正的方法具体为：

根据牛顿第二定律建立基于车辆负载的运动学模型；车辆在水平道路上制动时的车辆运动学模型表示为：

F_max＝m_e*a_e#(11)

式中，F_max为车辆的最大制动力，F_max会随着驾驶环境的变化而变化，理想情况下，F_max为恒定值；m_e为理想的车辆总质量，指车辆空载时的质量，为已知量；a_e为理想的最大制动减速度，a_e为矢量，为正时与车辆运动方向相反，为负时与车辆运动方向相同；

当车辆带负载时，车辆的实际总质量为m，则有：

F_max＝m*a_m#(12)

式中，F_max为车辆的最大制动力；a_m为当前负载下的最大制动减速度；

将步骤2辨识得到的车辆总质量代入TTC安全距离模型，得到基于实际总质量的制动TTC门槛值；即将式子(11)和式子(12)代入式子(4)得：

式中，TTC_br为校正后的制动TTC门槛值；TTC_{e_br}为理想的制动TTC门槛值；m_e为理想的车辆总质量；m为辨识的车辆实际总质量。

进一步地，本发明的所述的步骤3中校正得到的当前负载下的TTC门槛值包括：预警门槛值TTCwam和制动门槛值TTCbr；

当负载越小时，车辆的实际质量越小，车辆拥有越大的制动减速度，在自动紧急制动系统中有良好的制动性能，此时制动TTC门槛值越小；当负载越大时，车辆的实际总质量越大，车辆的惯性越大，制动减速度越小，制动TTC门槛值越大；

在TTC安全距离模型中，当实时TTC门槛值小于预警门槛值TTCwarn时，车辆触发报警装置；当实时TTC门槛值小于校正后的制动门槛值TTCbr时，车辆进行制动。

本发明产生的有益效果是：1.根据车辆的纵向运动学模型和车辆的运行数据辨识车辆质量，得到基于负载下的车辆实际总质量。2.建立基于车辆实际总质量的TTC安全距离模型，可以对车辆的制动过程进行高效控制，保证车辆在任何负载下均能避免发生碰撞。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明一个实施例的自动紧急制动方法流程示意图；

图2为本发明一个实施例的自动紧急制动系统装置结构示意图；

图3为本发明一个实施例的自动紧急制动系统TTC安全距离模型示意图；

图4为本发明一个实施例的基于车辆质量辨识的自动紧急制动系统工作流程图。

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以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的基于车辆质量辨识的自动紧急制动策略，包括以下步骤：

步骤1、建立自动紧急制动的TTC安全距离模型。用碰撞时间TTC的大小衡量碰撞危险程度。TTC值越大，说明主车和前方目标车辆之间的碰撞危险程度低；TTC越小，说明主车和前方目标车辆之间的碰撞危险程度高。TTC安全距离模型中包含预警门槛值和和制动门槛值，系统根据感知信息实时计算TTC，若实时TTC小于预警门槛值则触发预警装置，若实时TTC小于制动门槛值则触发制动装置。

步骤2、结合车辆的纵向运动学模型，根据车辆的运行数据，通过实时辨识获得车辆实际总质量。由于车辆总质量随着负载的不同而变化，而车辆负载是影响TTC门槛值的主要因素之一，如果不校正TTC门槛值则会严重影响自动紧急制动系统的制动性能。通过车辆的纵向运动学模型和实时运行数据，可以辨识出当前负载下的车辆实际总质量，从而得出最大的制动减速度，最终得到基于负载下的TTC制动门槛值，保证车辆制动时的制动性能。

步骤3、建立基于车辆负载的运动学模型，通过代入辨识的车辆实际总质量，得到当前负载下的各个TTC门槛值的校正值。合适的TTC门槛值是自动紧急制动系统的一个重要指标；如果TTC门槛值较小，车辆将因制动时间不足导致与前车发生碰撞；如果TTC门槛值较大，自动紧急制动系统将因响应频繁而影响驾驶员的正常操作。

可见，由于车辆负载的变化，汽车的制动性能发改变，常规的自动紧急制动系统因未能实时校正而不能保证驾驶的安全。例如在空载的时候，车辆拥有最好的制动性能，如果在理想的TTC门槛值时减速，车辆可以避免与前方目标车辆发生碰撞，但是因制动距离阈值较大影响了驾驶员的驾驶舒适性；当车辆满载时，车辆的惯性大，制动效果差，制动距离较大，如果在理想的TTC门槛值时减速，将因制动时间不足导致碰撞。本发明实施例中，通过辨识车辆的实际总质量，得到当前负载下的最大制动减速度，通过校正得到合适的TTC门槛值，保证车辆在任何负载下都能避免与前方目标车辆发生碰撞，同时提升了驾驶的舒适性。

图2为本发明一个实施例的自动紧急制动系统装置结构示意图；如图2所示，与上述发明实施例的自动紧急制动系统装置包括感知单元、计算单元、执行单元三个部分。具体连接关系和各种部分的功能如下：

感知单元，用于感知探测周围环境信息，包括主车运动信息，前方目标车辆运动信息，例如车辆的速度、相对速度以及相对距离。结合传感器和车辆坐标系的相对关系，从而获得目标物相对车辆的位置信息，为自动紧急制动系统的运算单元提供原始数据。

运算单元，用于处理感知单元获取的各项信息并向执行单元发出控制指令。利用主车信息，前方目标车辆信息计算理想TTC门槛值，并利用辨识得到的实际车辆质量校正TTC门槛值，最终判断安全状态并确定控制功能。实时计算的TTC与校正后的TTC门槛值进行比较，当实时TTC值小于TTC门槛值时，产生报警指令和制动指令。

执行单元，用于执行运算单元发出的控制指令，执行报警及制动命令。若收到运算单元的报警指令，则通过视觉、听觉、触觉的方式提醒驾驶员前方有碰撞危险。若收到运算单元的制动指令，则产生制动动作。

图3为本发明一个实施例的自动紧急制动系统TTC安全距离模型示意图。如图3所示，在本发明实施例中，用碰撞时间TTC值的大小衡量碰撞危险程度，TTC越大，碰撞危险程度越小；反之，TTC越小，碰撞危险程度越大。TTC安全距离模型中有两个TTC门槛值，分别是预警门槛值TTCwarn和制动门槛值TTCbr。

预警：当实时TTC值小于预警门槛值TTCwarn时触发预警装置，提示前方有碰撞危险。预警装置由视觉、听觉、触觉传感器组成。

制动：当实时TTC值小于制动门槛值TTCbr时触发制动装置。车辆此时以当前负载下的最大制动减速度a_max进行制动，a_max的大小与车辆的实际质量有关。

自动紧急制动系统TTC安全距离模型在施加制动之前先报警，给驾驶员充分的反应时间。如果驾驶员在预警阶段或者制动阶段踩下制动踏板或者打开转向灯，表明驾驶员已经意识到前方有碰撞危险，自动紧急制动系统结束本次控制过程。该模型的TTC门槛值以及最大制动减速度基于车辆总质量，保证车辆在任何负载下均能避免与前方目标车辆发生碰撞。

图4为本发明一个实施例的基于车辆质量辨识的自动紧急制动系统工作流程图。如图4所示，该工作流程首先根据车辆的纵向动力学模型辨识出当前车辆的实际总质量；将实际总质量代入TTC安全距离模型，得到校正后的预警距离门槛值和制动门槛值。利用主车信息和前方目标车辆信息实时计算TTC，用实时TTC和校正后的TTC门槛值作比较。当实时TTC值小于预警门槛值时触发报警装置，车辆报警；当实时TTC值小于制动门槛值时触发制动装置，车辆制动。如果车辆在制动过程中主车停止或者与车辆发生碰撞，则关闭自动紧急制动系统。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (6)

1.一种基于车辆质量辨识的自动紧急制动方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、搭建自动紧急制动系统，同时建立自动紧急制动的TTC安全距离模型，设定理想TTC门槛值；

步骤2、结合车辆的纵向运动学模型，包括驱动力的计算、坡道阻力的计算、阻力滚动的计算和空气阻力的计算，根据车辆的运行数据，通过实时辨识获得车辆实际总质量；

步骤3、建立基于车辆负载的运动学模型，通过代入步骤2辨识的车辆实际总质量，对步骤1中设定的理想TTC门槛值进行校正，得到当前负载下的TTC门槛值，当自车与前车的实时TTC值小于校正后的TTC门槛值时触发自动紧急制动系统。

2.根据权利要求1所述的基于车辆质量辨识的自动紧急制动方法，其特征在于，所述的步骤1中自动紧急制动系统应包括：感知单元，用于获取自车信息和目标车信息，包括车辆的速度以及车辆之间的相对距离，为运算单元实时提供数据；运算单元，用于判断安全状态和确定控制功能，为执行单元提供控制指令；执行单元，用于显示报警及制动命令，当碰撞危险程度高于设定的门槛值时，产生报警或制动动作。

3.根据权利要求1所述的基于车辆质量辨识的自动紧急制动方法，其特征在于，所述的步骤1中自动紧急制动TTC安全距离模型，用碰撞时间TTC的值衡量碰撞危险程度；TTC值越大，发生碰撞的可能性越小，碰撞危险程度低，车辆相对安全；反之，TTC越小，则发生碰撞的可能性越大，碰撞危险程度高；碰撞时间TTC的计算方法为：

式中，D_rel为主车与前方目标车辆的相对距离，V_rel为主车与前方目标车辆之间的相对速度；

在自动紧急制动系统中，TTC门槛值包括预警门槛值和制动门槛值；当实时TTC值小于预警门槛值时触发自动紧急制动系统，发出预警指令；当实时TTC值小于制动门槛值时，自动紧急制动系统发出制动指令，执行单元接收到制动指令后车辆制动；预警门槛值小于制动门槛值；

在自动紧急制动系统中，预警门槛值的计算方法为：

式中，V_rel为主车与前方目标车辆之间的相对速度；D_warn为主车和目标车辆之间的距离预警门槛值，D_warn的计算方法为：

式中，V_h为主车速度；V_l为前方目标车辆的速度；a_h为主车的最大制动减速度；a_l为前方目标车辆的最大制动减速度；a_h与a_l均为矢量，为正时与车辆运动方向相反，为负时与车辆运动方向相同；t_react为驾驶员的反应速度；

自动紧急制动系统中，理想的制动门槛值TTC_{e_br}的计算方法为：

式中，V_rel是主车和前方目标车辆之间的相对速度，该值可以通过自动紧急制动系统的感知模块获得；a_e为理想制动减速度，a_e为矢量，为正时与车辆运动方向相反，为负时与车辆运动方向相同。在常规的自动紧急制动系统中，a_e的大小与车辆负载无关。

4.根据权利要求1所述的基于车辆质量辨识的自动紧急制动方法，其特征在于，所述的步骤2中车辆纵向运动学模型，包括驱动力的计算、坡道阻力的计算、阻力滚动的计算和空气阻力的计算，其计算方法为：

F_t-(F_i+F_f+R_w)＝ma#(5)

式中，F_t为车辆驱动力；F_i为坡道阻力；F_f为摩擦阻力；F_w为空气阻力；m为车辆质量；a为车辆加速度；其中驱动力F_t的计算方法为：

式中，T_tq为发动机输出转矩；i_g为变速器传动比；i₀为主减速器传动比；η_T为整车动力传动效率；r为车轮有效半径；

将式子(5)离散后得到式子(7)和式子(8)，并且假定两个相近的时间段内坡道阻力、摩擦阻力和空气阻力没有变化，两式相减得到：

F_tk-(F_ik+F_fk+F_wk)＝ma_k#(7)

F_t(k+1)-(F_i(k+1)+F_f(k+1)+F_w(k+1))＝ma_k+1#(8)

m(a_k+1-a_k)＝F_t(k+1)-F_tk#(9)

将式子(6)的驱动力的计算方法代入式子(9)，辨识得到车辆的实际质量：

式中，m车辆的实际总重量；T_tq(k+1)为第k+1时刻的输出力矩；T_tqk为第k时刻的输出力矩；i_g为变速器传动比；i₀为主减速器传动比；η_T为整车动力传动效率；r为车轮有效半径；a_k+1为第k+1时刻的加速度；a_k为第k时刻的加速度；当驱动力矩变化大于一定阈值时，忽略其他影响因素，只考虑驱动力矩和加速度变化速率的比值，得到车辆实际质量。

5.根据权利要求4所述的基于车辆质量辨识的自动紧急制动方法，其特征在于，所述的步骤3中对设定的理想制动TTC门槛值进行校正的方法具体为：

根据牛顿第二定律建立基于车辆负载的运动学模型；车辆在水平道路上制动时的车辆运动学模型表示为：

F_max＝m_e*a_e#(11)

式中，F_max为车辆的最大制动力，F_max会随着驾驶环境的变化而变化，理想情况下，F_max为恒定值；m_e为理想的车辆总质量，指车辆空载时的质量，为已知量；a_e为理想的最大制动减速度，a_e为矢量，为正时与车辆运动方向相反，为负时与车辆运动方向相同；

当车辆带负载时，车辆的实际总质量为m，则有：

F_max＝m*a_m#(12)

式中，F_max为车辆的最大制动力；a_m为当前负载下的最大制动减速度；

将步骤2辨识得到的车辆总质量代入TTC安全距离模型，得到基于实际总质量的制动TTC门槛值；即将式子(11)和式子(12)代入式子(4)得：

式中，TTC_br为校正后的制动TTC门槛值；TTC_{e_br}为理想的制动TTC门槛值；m_e为理想的车辆总质量；m为辨识的车辆实际总质量。

6.根据权利要求1所述的基于车辆质量辨识的自动紧急制动方法，其特征在于，所述的步骤3中校正得到的当前负载下的TTC门槛值包括：预警门槛值TTCwarn和制动门槛值TTCbr；

当负载越小时，车辆的实际质量越小，车辆拥有越大的制动减速度，在自动紧急制动系统中有良好的制动性能，此时制动TTC门槛值越小；当负载越大时，车辆的实际总质量越大，车辆的惯性越大，制动减速度越小，制动TTC门槛值越大；

在TTC安全距离模型中，当实时TTC门槛值小于预警门槛值TTCwarn时，车辆触发报警装置；当实时TTC门槛值小于校正后的制动门槛值TTCbr时，车辆进行制动。

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