CN112793566A - 一种避撞方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种避撞方法及装置，方法包括：基于环境信息对车辆进行碰撞风险评估；当车辆存在碰撞风险时，判断是否需要对车辆进行横向主动转向避撞控制；当需要对车辆进行横向主动转向避撞控制时，采用避撞模块计算得到横向转向避撞轨迹；在横向主动转向避撞控制过程中，控制轨迹投射装置在行驶道路上投射全局的横向转向避撞轨迹，通过所述投射的全局的横向转向避撞轨迹，达到提醒周围车辆的目的，保证了横向避撞过程中的安全性。

Description

一种避撞方法及装置
技术领域
本发明涉及车辆控制技术领域，具体涉及一种车辆避撞方法及装置。
背景技术
安全性是汽车技术发展的重要方向之一，随汽车智能化和电控技术的发展，主动安全技术得到了进一步拓展。其中自动紧急制动系统等状态已逐步推广到市场，并有效减少了碰撞事故的发生。而从避撞机理上分析，平面运动车辆可以通过纵向制动、加速和横向转向完成避撞，横向转向在高速、低附着、低重叠率等工况下能够更有效避免碰撞，也更符合驾驶员的驾驶特性。因此，横向避撞技术的研发尤为重要，如何保证横向避撞过程中的安全性，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题之一。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种避撞方法及装置，以保证车辆横向避撞控制过程中的安全性。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
一种避撞方法，包括：
基于环境信息对车辆进行碰撞风险评估；
当车辆存在碰撞风险时，判断是否需要对车辆进行横向主动转向避撞控制；
当需要对车辆进行横向主动转向避撞控制时，采用避撞模块计算得到横向转向避撞轨迹；
在横向主动转向避撞控制过程中，控制轨迹投射装置在行驶道路上投射全局的横向转向避撞轨迹。
可选的，上述避撞方法中，所述基于环境信息对车辆进行碰撞风险评估，包括：
获取车辆行驶道路的路面附着系数；
基于公式
Figure RE-GDA0003007844930000021
计算得到期望轨迹的最大曲率k，其中，所述μ为路面附着系数，所述g为重力加速度，所述Δa为预设的安全余量，所述v为车辆行驶速度；
以主车当前位置作为坐标原点建立全局坐标系，以终点坐标为(xe，ye) 为终点建立车辆目标轨迹方程
Figure RE-GDA0003007844930000022
其中，
Figure RE-GDA0003007844930000023
所述x为车辆行驶过程中的横向位置，所述xe为车辆当前行驶车道的相邻车道的中间位置坐标；
基于所述目标轨迹方程以及车辆前方目标障碍物的宽度计算得到转向避撞所需的第一极限避撞距离；
基于公式dLPTB＝Se-Sp+d0计算得到纵向制动所需的第二极限避撞距离 dLPTB，其中，所述Se为车辆的安全刹车距离，所述Sp为前方障碍物在车辆刹车过程中的移动距离，所述d0为第一预设安全距离；
基于车辆行驶状态计算车辆的TTC值和ETTC值，所述TTC值为基于时间型的避撞时间余量，所述ETTC值为基于加速度的避撞时间余量；
判断所述TTC值是否大于第一标准TTC值且ETTC值是否大于第一标准 ETTC值；
当所述TTC值大于第一标准TTC值且ETTC值大于第一标准ETTC值时，保持车辆正常行驶；
当所述TTC值不大于第一标准TTC值或ETTC值不大于第一标准ETTC 值时，表明车辆存在碰撞风险。
可选的，上述避撞方法中，所述判断是否需要对车辆进行横向主动转向避撞控制，包括：
判断所述TTC值是否大于第二标准TTC值且ETTC值是否大于第二标准 ETTC值；
当所述TTC值大于第二标准TTC值且ETTC值大于第二标准ETTC值时，输出碰撞预警；
当所述TTC值不大于第二标准TTC值或ETTC值不大于第二标准ETTC 值时，判断所述第二极限避撞距离是否大于第二预设安全距离；
当所述第二极限避撞距离大于所述第二预设安全距离时，控制车辆进行纵向主动制动避撞；
当所述第二极限避撞距离不大于第二预设安全距离时，判断所述第一极限避撞距离是否大于所述第二预设安全距离；
当所述第一极限避撞距离大于所述第二预设安全距离时，表明需要对车辆进行横向主动转向避撞控制。
可选的，上述避撞方法中，判定需要对车辆进行横向主动转向避撞控制之后，还包括：
判断是否存在避撞空间，当存在避撞空间时，对车辆进行横向主动转向避撞控制。
可选的，上述避撞方法中，所述判断是否存在避撞空间包括：
判断公式TTC-1≤TTC0 -1是否成立，如果成立，则表明存在避撞空间，其中，所述TTC0为所述第一标准TTC值。
一种避撞装置，包括：
风险评估模块，用于基于环境信息对车辆进行碰撞风险评估；
避撞模式决策模块，用于当车辆存在碰撞风险时，判断是否需要对车辆进行横向主动转向避撞控制；当需要对车辆进行横向主动转向避撞控制时，采用避撞模块计算得到横向转向避撞轨迹；
轨迹投射模块，用于在横向主动转向避撞控制过程中，控制轨迹投射装置在行驶道路上投射全局的横向转向避撞轨迹。
可选的，上述避撞装置中，所述风险评估模块在基于环境信息对车辆进行碰撞风险评估时，具体用于：
获取车辆行驶道路的路面附着系数；
基于公式
Figure RE-GDA0003007844930000041
计算得到期望轨迹的最大曲率k，其中，所述μ为路面附着系数，所述g为重力加速度，所述Δa为预设的安全余量，所述v为车辆行驶速度；
以主车当前位置作为坐标原点建立全局坐标系，以终点坐标为(xe，ye) 为终点建立车辆目标轨迹方程
Figure RE-GDA0003007844930000042
其中，
Figure RE-GDA0003007844930000043
所述x为车辆行驶过程中的横向位置，所述xe为车辆当前行驶车道的相邻车道的中间位置坐标；
基于所述目标轨迹方程y＝f(x)以及车辆前方目标障碍物的宽度w,通过牛顿迭代法计算得到转向避撞所需的第一极限避撞距离dLPTS，具体过程为取 x0＝ye/2，令，
Figure RE-GDA0003007844930000044
k＝0,1,2,...，直到|f(xk+1)-f(xk)|≤e,e＝0.01；
基于公式dLPTB＝Se-Sp+d0计算得到纵向制动所需的第二极限避撞距离 dLPTB，其中，所述Se为车辆的安全刹车距离，所述Sp为前方障碍物在车辆刹车过程中的移动距离，所述d0为第一预设安全距离；
基于车辆行驶状态计算车辆的TTC值和ETTC值，所述TTC值为基于时间型的避撞时间余量，所述ETTC值为基于加速度的避撞时间余量；
判断所述TTC值是否大于第一标准TTC值且ETTC值是否大于第一标准 ETTC值；
当所述TTC值大于第一标准TTC值且ETTC值大于第一标准ETTC值时，保持车辆正常行驶；
当所述TTC值不大于第一标准TTC值或ETTC值不大于第一标准ETTC 值时，表明车辆存在碰撞风险。
可选的，上述避撞装置中，所述避撞模式决策模块在判断是否需要对车辆进行横向主动转向避撞控制时，具体用于：
判断所述TTC值是否大于第二标准TTC值且ETTC值是否大于第二标准 ETTC值；
当所述TTC值大于第二标准TTC值且ETTC值大于第二标准ETTC值时，输出碰撞预警；
当所述TTC值不大于第二标准TTC值或ETTC值不大于第二标准ETTC 值时，判断所述第二极限避撞距离是否大于第二预设安全距离；
当所述第二极限避撞距离大于所述第二预设安全距离时，控制车辆进行纵向主动制动避撞；
当所述第二极限避撞距离不大于第二预设安全距离时，判断所述第一极限避撞距离是否大于所述第二预设安全距离；
当所述第一极限避撞距离大于所述第二预设安全距离时，表明需要对车辆进行横向主动转向避撞控制。
可选的，上述避撞装置中，所述避撞模式决策模块在判定需要对车辆进行横向主动转向避撞控制之后，还用于：
判断是否存在避撞空间，当存在避撞空间时，对车辆进行横向主动转向避撞控制。
可选的，上述避撞装置中，所述避撞模式决策模块在判断是否存在避撞空间时，具体用于：
判断公式TTC-1≤TTC0 -1是否成立，如果成立，则表明存在避撞空间，其中，所述TTC0为所述第一标准TTC值。
基于上述技术方案，本发明实施例提供的上述方案，通过基于环境信息对车辆进行碰撞风险评估；当车辆存在碰撞风险时，判断是否需要对车辆进行横向主动转向避撞控制；当需要对车辆进行横向主动转向避撞控制时，采用避撞模块计算得到横向转向避撞轨迹；在横向主动转向避撞控制过程中，控制轨迹投射装置在行驶道路上投射全局的横向转向避撞轨迹，通过所述投射的全局的横向转向避撞轨迹，达到提醒周围车辆的目的，保证了横向避撞过程中的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种避撞方法的流程示意图；
图2为本申请实施例公开的碰撞风险评估单元的结构示意图；
图3为本申请实施例公开的碰撞风险评估流程示意图；
图4为本申请实施例提供的避撞决策流程示意图；
图5为本申请实施例提供的避撞过程中的场景示意图；
图6为本申请实施例公开的横向转向避撞控制模块的结构示意图；
图7为本申请实施例公开的避撞装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
针对于为了实现在紧急状况下的横向避撞，本申请公开了一种避撞方法和装置，参见图1，该方法可以包括：
步骤S101：基于环境信息对车辆进行碰撞风险评估；
在进行碰撞风险评估时，可以基于车辆行驶的当前道路的环境信息、车辆状态信息以及前方障碍物状态信息进行碰撞风险评估；
应用本申请实施例公开的避撞方法车辆的控制系统上设置有环境感知单元，通过所述环境感知单元获取所述环境信息，参见图2，所述环境感知单元 100可以由安装在车辆上的毫米波雷达、激光雷达、摄像头和V2X传感单元组成，车辆上安装有车载传感器，通过车载传感器200获取车辆状态信息，参见图2，所述车载传感器200包括驾驶行为输入油门踏板开度传感器、制动踏板开度传感器，方向盘力矩传感器，方向盘角度传感器，以及车速、轮速、加速度等车辆状态传感器。进一步的，为了防止用户疲劳驾驶，车辆内还设置有车内摄像头300，通过所述车内摄像头监测驾驶员状态，在进行碰撞风险评估时可直接基于所述摄像头采集到的图像信息分析驾驶员状态，基于驾驶员状态进行碰撞风险评估。图2中，所述碰撞风险评估单元300用于实现基于环境信息对车辆进行碰撞风险评估，所述避撞模式决策模块400用于实现避撞模式决策，例如选择通过纵向制动避撞控制模式还是通过横向转向避撞控制的方式进行避撞控制，所述纵向制动避撞控制模块500用于实现纵向制动避撞控制，所述横向转向避撞控制模块600用于实现横向转向避撞控制，主动制动模块700用于实现控制车辆进入主动避撞模式，所述差动制动模块 800用于实现车辆避撞过程中的差动控制，主动转向模块900用于实现车辆避撞过程中的主动转向，所述轨迹投射装置1000用于实现避撞过程中避撞轨迹的投射。
具体的，在进行风险评估时，参见图3，可采用以下方法进行碰撞风险评估：
步骤S201：获取车辆行驶道路的路面附着系数；
在本申请实施例公开的技术方案中，可以通过大数据平台获取车辆当前行驶道路的路面附着系数μ，在所述大数据平台中，预存有各个道路对应的路面附着系数μ，本申请实施例公开的技术方案中，通过对车辆当前行驶的道路进行定位，依据定位结果由所述大数据平台中即可查找得到该条道路对应的路面附着系数μ。
进一步的，如果路面上存在积水或砂砾或者存在其他状况时，所述大数据平台所记载的路面附着系数μ并不可靠，此时，需要将行驶道路的路面附着系数μ下调至预设的安全附着系数，针对于这种情况，本申请可以通过车载摄像头检测主车行驶路径前方的图像信息，通过对车载摄像头的采集图像进行分析，判断主车行驶路径前方是否存在积水、泥沙覆盖等异常情况，若不存在，则基于所述大数据平台获取当前道路对应的路面附着系数，若存在，则直接将预设的安全附着系数作为当前道路的路面附着系数。
步骤S202：基于公式
Figure RE-GDA0003007844930000081
计算得到期望轨迹的最大曲率k，其中，所述μ为路面附着系数，所述g为重力加速度，所述Δa为预设的安全余量，所述v为车辆行驶速度；
步骤S203：以主车当前位置作为坐标原点建立全局坐标系，以终点坐标为(xe，ye)为终点建立车辆目标轨迹方程
Figure RE-GDA0003007844930000082
其中，
Figure RE-GDA0003007844930000083
所述x为车辆行驶过程中的横向位置，所述xe为车辆当前行驶车道的相邻车道的中间位置坐标；
在本方案中，为减少对车辆横向避撞时交通流的干扰，以及避撞完成后的稳定性，本方案以与车辆当前时刻形式的车道的相邻车道的线中心为目标横向位移，上述公式中，所述xe为车辆当前行驶车道的相邻车道的中间位置坐标，由公式
Figure RE-GDA0003007844930000091
即可接地到ye与k、x和xe之间的关系。
步骤S204：基于所述目标轨迹方程y＝f(x)以及车辆前方目标障碍物的宽度w,通过牛顿迭代法计算得到转向避撞所需的第一极限避撞距离dLPTS，具体过程为取x0＝ye/2，令，
Figure RE-GDA0003007844930000092
，直到 |f(xk+1)-f(xk)|≤e,e＝0；
步骤S205：基于公式dLPTB＝Se-Sp+d0计算得到纵向制动所需的第二极限避撞距离dLPTB，其中，所述Se为车辆的安全刹车距离，即车辆从刹车开始到车辆完全静止的过程中，车辆的移动距离，所述Sp为前方障碍物在车辆刹车过程中的移动距离，若前方障碍物为移动物体，所述Sp为车辆在刹车起始时刻至车辆静止时刻之间的时间段内所述移动物体的移动距离，该距离可以基于预估的刹车时长以及采集到的移动物体的移动速度计算得到，如果前方障碍物为一静止物体时，所述Sp为0，所述d0为第一预设安全距离；
步骤S206：基于车辆行驶状态计算车辆的TTC值和ETTC值；
所述TTC值为基于时间型的避撞时间余量，所述ETTC值为基于加速度的避撞时间余量，所述TTC((Time to collision))值和ETTC(enhanced Time to collision)值可以基于现有技术方案计算得到；
步骤S207：判断所述TTC值是否大于第一标准TTC值且ETTC值是否大于第一标准ETTC值；
步骤S208：当所述TTC值大于第一标准TTC值且ETTC值大于第一标准ETTC值时，保持车辆正常行驶；
在本方案中，将计算得到的TTC值与预设的第一标准TTC值进行对比，将所述ETTC值与预设的第一标准ETTC值进行对比，如果所述TTC值大于所述第一标准TTC值并且所述ETTC值大于所述第一标准ETTC值，则表明车辆不存在碰撞风险，可以继续按当前状态进行行驶；
步骤S209：当所述TTC值不大于第一标准TTC值或ETTC值不大于第一标准ETTC值时，表明车辆存在碰撞风险；
步骤S102：基于风险评估判断车辆是否存在碰撞风险；
即当上述步骤S209种，所述TTC值不大于第一标准TTC值或ETTC值不大于第一标准ETTC值时，表明车辆存在碰撞风险。
步骤S103：当车辆存在碰撞风险时，判断是否需要对车辆进行横向主动转向避撞控制；
当车辆存在碰撞风险是，该碰撞风险可能是轻微风险，或者是可以通过纵向制动避免的碰撞风险，也有可能是需要通过横向避撞操作才能避免的碰撞风险，在本方案中，需要继续对碰撞风险等级进行判断，以判断是否要对车辆进行横向主动转向避撞控制，具体的，本步骤判断是否需要对车辆进行横向主动转向避撞控制，可以通过图4所示的方案来判断，参见图4，所述 TTC值不大于第一标准TTC值或ETTC值不大于第一标准ETTC值时，执行步骤S301；
步骤S301：判断所述TTC值是否大于第二标准TTC值且ETTC值是否大于第二标准ETTC值；
所述第二标准TTC值和所述第二标准ETTC值为两个预设值，其大小可以在车辆设计时，依据车辆配置自行设置；
步骤S302：当所述TTC值大于第二标准TTC值且ETTC值大于第二标准ETTC值时，输出碰撞预警；
当所述TTC值大于第二标准TTC值且ETTC值大于第二标准ETTC值时，表明车辆存在与前方障碍物发生碰撞的风险，但发生碰撞的概率较低，提醒驾驶人员适当调整车速即可避免碰撞，因此，本步骤中，可以仅向驾驶员输出碰撞预警即可。
步骤S303：当所述TTC值不大于第二标准TTC值或ETTC值不大于第二标准ETTC值时，判断所述第二极限避撞距离是否大于第二预设安全距离d；
所述第二预设安全距离d为用户预先设置的一个安全距离d，其大小可以依据用户需求自行设置；
步骤S304：当所述第二极限避撞距离大于所述第二预设安全距离时，控制车辆进行纵向主动制动避撞；
当所述第二极限避撞距离大于所述第二预设安全距离时，表明可以通过纵向制动控制的方式避免车辆与前方障碍物发生碰撞，此时，控制车辆进行纵向主动制动避撞。
步骤S305：当所述第二极限避撞距离不大于第二预设安全距离时，判断所述第一极限避撞距离是否大于所述第二预设安全距离；
步骤S306：当所述第一极限避撞距离大于所述第二预设安全距离时，表明需要对车辆进行横向主动转向避撞控制；
当所述第一极限避撞距离大于所述第二预设安全距离时，表明可以通过主动转向避撞控制的方式避免车辆与前方障碍物发生碰撞，此时，控制车辆进行主动转向避撞控制。
步骤S104：当需要对车辆进行横向主动转向避撞控制时，采用避撞模块计算得到横向转向避撞轨迹；
在本步骤中，当需要对车辆进行横向主动转向避撞控制时，通过避撞模块计算得到横向转向避撞轨迹，其中，所述避撞模块可以采用现有的避撞模块，其横向转向避撞轨迹可以通过现有的轨迹计算方法计算得到；
步骤S105：在横向主动转向避撞控制过程中，控制轨迹投射装置在行驶道路上投射全局的横向转向避撞轨迹；
在本步骤中，参见图5所示，轨迹投射装置由前置摄像头1、LED矩阵及其控制装置2组成，图5中标识3为LED矩阵在路面上投射的全局的横向转向避撞轨迹投射轨迹。在路面上投射的横向转向避撞轨迹投射轨迹的主要作用是用来显示主车避撞过程中即将行驶的区域位置，以给主车驾驶员及周边交通参与者以提醒。
具体的，在执行横向主动转向避撞控制时，本步骤的具体流程如下：在决定采用横向避撞时，LED矩阵控制装置接收避撞模块输出的全局轨迹信息，所述全局轨迹信息即为全局的横向转向避撞轨迹，所述LED矩阵控制装置点亮与所述全局轨迹信息相对应的LED灯源，通过所述LED灯源输出的光线将全局轨迹信息投射在路面上，即将避撞的全局轨迹投影到主车前方。
在本方案中，为了保证全局轨迹信息投射结果的可靠性，还可以通过车载摄像头对车辆前方道路进行图像采集的方式实时提取LED投射轨迹信息，并将采集到的投射轨迹信息与避撞模块计算的全局轨迹信息进行比对，从而对路面坡度和车身姿态信息进行投影畸变的反馈校验，以保证投射结果的可靠性。在上述过程中通过借助LED灯源，摄像头可在无路灯等照明条件不好的情况下对主动避撞过程中车辆即将行驶局域进行更为准确的道路属性采集、障碍物校验和路面特性的对比，提高避撞过程中的安全性，即，通过车载摄像头采集全局轨迹信息所投射在的路面上的路面状况信息，基于采集到的路面状况信息判断避撞过程是否安全，例如，当判断全局轨迹信息所投射在的路面上存在坑洼或障碍物时，表明避撞过程并不安全，如果不安全，执行相应的预设策略。
在本申请另一实施例公开的技术方案中，为了进一步保障横向主动转向避撞的安全性，在判定需要对车辆进行横向主动转向避撞控制之后，执行横向主动转向避撞动作之前，还包括：
判断是否存在避撞空间，当存在避撞空间时，对车辆进行横向主动转向避撞控制。在判断是否存在避撞空间时，可以通过公式TTC-1≤TTC0 -1来判断是否存在避撞空间，如果判断公式TTC-1≤TTC0 -1是否成立，如果成立，则表明存在避撞空间，如果不成立，则强制车辆制动，以减缓碰撞冲击，其中，所述TTC0为所述第一标准TTC值。
在本申请实施例公开的技术方案中，可以通过横向转向避撞控制模块600 来控制车辆实现横向主动转向避撞控制，具体的，参见图6，所述横向转向避撞控制模块600可以包括：线性化车辆模型601、准确性约束单元602、稳定性约束单元603、执行器约束单元604、优化求解单元605和反馈校正单元606，本方案采用线性时变车辆动力学模型作为横向转向避撞控制模块600得预测模型，以车辆横向位置、航向角和横摆角速度作为参考变量，以前轮转角、四轮制动力作为控制变量。目标函数的选择为期望状态与实际状态的误差，考虑执行器特性的控制量增量和控制量增幅组成的二次型指标。根据横向避撞的需求，约束条件主要考虑车辆避撞过程安全边界，稳定性和执行器约束。同时以预测状态和实际状态的误差建立反馈校正环节，以补偿模型简化的误差。
根据达朗贝尔原理，车辆平面运动的沿车辆坐标系x轴，y轴以及绕z轴的运动方程如下：
Figure RE-GDA0003007844930000131
Figure RE-GDA0003007844930000132
Figure RE-GDA0003007844930000133
上述公式中，m为车身质量；x为车身沿x轴方向的位移；y为车身沿y轴方向的位移；
Figure RE-GDA0003007844930000134
为车身绕z轴方向的横摆角；Fx为各车轮沿x轴方向的纵向力，Fy为各车轮沿y轴方向的横向力，下标(·)·，fl、(·)·，fr、(·)·，rl和(·)·，rr分别表示前左，前右，后左，后右四个轮子；la和lb分别为前轴和后轴到车辆质心的位置，Tf和 Tr分别为前后轴轮距。
车辆质心坐标位置转化到全局坐标系下为：
Figure RE-GDA0003007844930000141
Figure RE-GDA0003007844930000142
同时，车辆坐标系下轮胎力可由轮胎坐标系下的轮胎力转化而来：
Fx,f·＝Fx·cosδf-Fy·sinδf
Fy,f·＝Fx·sinδf+Fy·cosδf
由于轮胎的侧偏特性存在较强非线性特性，因此横向转向避撞控制模块 600可以采用分段线性化方法，实时根据轮胎纵向力估计值和轮胎侧偏角插值获取轮胎侧偏刚度，从而据其作为对应时刻轮胎侧向力的线性预测模型，即：
Fy＝Kcα
其中Fy为轮胎侧向力，Kc为为分段线性化等效刚度，α为轮胎侧偏角
将简化后车辆横向动力学模型表示为：
x(k+1)＝f(x(k),u(k))
考虑到前轮转角值较小，对其进行一阶泰勒展开线性化。同时考虑到纵向速度变化对横向控制的影响，在上述基础上对车辆横向动力学模型，在各个工作点上进行统一的近似线性化，从而建立线性时变模型在提高系统求解效率和稳定性的同时，减小模型线性化带来的误差。即在任意t时刻，系统的工作点(xr,ur)处对被控系统进行泰勒展开，并保留一阶项，此时系统的状态变量可表示为：
Figure RE-GDA0003007844930000143
其中，系统状态矩阵Ak和控制矩阵Bk分别可表示为：
Figure RE-GDA0003007844930000144
系统误差dk为：
dk,t(k)＝xr(k+1)-Ak,txr(k)-Bk,tur(k)
此外，考虑到模型可能出现的误差，根据上一时刻对当前时刻状态预测值和当前时刻的采样值，在模型中引入状态反馈，以提高模型的精度。即
e(k)＝x(k)-(Ak-1,tx(k-1)+Bk-1,tu(k-1)+dk-1,t(k-1))..................(0.1)
同时为进一步简化计算，使Ak,t＝A0,t＝At,Bk,t＝B0,t＝Bt,k＝0,1,…,Hp-1
为了实现对控制量增量和控制量的限制，对该线性时变系统进行改写，将状态量和控制量组合成新的状态量，实现下式所述的增广系统：
Figure RE-GDA0003007844930000151
Figure RE-GDA0003007844930000152
其中，状态变量为：
Figure RE-GDA0003007844930000153
新的系统矩阵，输入矩阵，输出矩阵和直接传递矩阵如公式所示：
Figure RE-GDA0003007844930000154
Figure RE-GDA0003007844930000155
参考系统误差为：
Figure RE-GDA0003007844930000156
校正误差为：
Figure RE-GDA0003007844930000157
如上所述，本方案的控制变量为前轮转角和四轮制动力：
u(k)＝[δf Fx,fl Fx,fr Fx,rl Fx,rr]′
系统的状态变量为：
Figure RE-GDA0003007844930000158
其中，各变量名意义同上；
所述横向转向避撞控制模块600的目标函数：
本方案选择如下二次型目标函数，以表示轨迹跟踪过程中的精度和稳定性，其形式如下：
Figure RE-GDA0003007844930000161
其中，y为关注的输出变量，yref为对应的参考值，Q，R,G为对应项的权重系数。
本文采用车辆横向位置、横摆角和横摆角速度作为参考状态，即：
Figure RE-GDA0003007844930000162
所述横向转向避撞控制模块600的约束条件：
根据模型预测控制框架，可以对控制量增量、控制量幅值，状态变量和状态变量的线性组合进行约束。因此从横向避撞过程的稳定性和安全性考虑，本方案对控制量增量、幅值进行如下约束：
Figure RE-GDA0003007844930000163
Figure RE-GDA0003007844930000164
其中，
Figure RE-GDA0003007844930000165
为控制变量上限约束，u为控制变量下限约束，
Figure RE-GDA0003007844930000166
为控制增量上限约束，Δu为控制增量下限约束。
同时，借助状态变量约束方式，从避撞过程中车辆运动状态的稳定性出发，根据路面附着条件对车辆横摆角速度的幅值进行约束，即：
Figure RE-GDA0003007844930000167
其中，μ为路面附着系数，g为重力加速度，其他变量意义同上。
从车辆横向稳定性出发，对车辆运动过程的后轮侧偏角进行约束，即：
Figure RE-GDA0003007844930000171
式中，αrmax为后轮侧偏角幅值，其他变量意义同上。
转化求解
在上述基础上，本方案所述横向转向避撞控制模块600在各个求解时刻通过矩阵变换，可以转化为如下所述的标准QP问题，从而实现高效稳定的求解。
Figure RE-GDA0003007844930000172
s.t.:
Ac·x≤bc
Figure RE-GDA0003007844930000173
其中H，f为目标函数系数矩阵，u为控制输入，Ac为状态约束系数矩阵， bc为状态约束上限，
Figure RE-GDA0003007844930000174
为控制变量上限约束，u为控制变量下限约束
在本方案所述控制器设计中，H矩阵为正定和半正定，且约束为线性，因此该问题为存在唯一解的凸优化问题。
横向避撞转向控制模块600，在对上述方案的使用如下：
1、结合车速、惯性导航、GPS等传感器结合车辆状态估计方法，得到车辆的横向速度、纵向速度、横摆角、横摆角速度、横向位置，纵向位置，轮胎纵向力和轮胎侧偏角等车辆状态信息。同时通过分段线性化方法，根据轮胎纵向力和侧偏角查表获取当前状态下的轮胎侧偏特性；
2、根据车辆状态和避撞轨迹更新预测模型中的系统矩阵，输入矩阵，输出矩阵。同时根据车辆当前状态和上一周期对当前状态的预测值间误差，建立状态反馈。从而得到当前状态下的预测模型、约束条件和目标函数。
3、通过上述方案中的矩阵运算，建立二次规划问题，并求解得到当前状态下最优控制量增量序列，将序列的第一个值输出到转向和制动执行机构。
4、通过以上控制循环实现避撞的横向控制，直到车辆运行到避撞轨迹终点，或避撞过程终止。
本实施例中公开了一种避撞装置，该避撞装置中的各个单元的具体工作内容，请参见上述方法实施例的内容，下面对本发明实施例提供的避撞装置进行描述，下文描述的避撞装置与上文描述的避撞方法可相互对应参照。
参见图7，本申请实施例公开的避撞装置可以包括：
风险评估模块100，用于基于环境信息对车辆进行碰撞风险评估；
避撞模式决策模块200，用于当车辆存在碰撞风险时，判断是否需要对车辆进行横向主动转向避撞控制；当需要对车辆进行横向主动转向避撞控制时，采用避撞模块计算得到横向转向避撞轨迹，并通过横向转向避撞控制模块600 实现横向避撞控制；
轨迹投射模块300，用于在横向主动转向避撞控制过程中，控制轨迹投射装置在行驶道路上投射全局的横向转向避撞轨迹。
与上述方法相对应，所述风险评估模块在基于环境信息对车辆进行碰撞风险评估时，具体用于：
获取车辆行驶道路的路面附着系数；
基于公式
Figure RE-GDA0003007844930000181
计算得到期望轨迹的最大曲率k，其中，所述μ为路面附着系数，所述g为重力加速度，所述Δa为预设的安全余量，所述v为车辆行驶速度；
以主车当前位置作为坐标原点建立全局坐标系，以终点坐标为(xe，ye) 为终点建立车辆目标轨迹方程
Figure RE-GDA0003007844930000182
其中，
Figure RE-GDA0003007844930000191
所述x为车辆行驶过程中的横向位置，所述xe为车辆当前行驶车道的相邻车道的中间位置坐标；
基于所述目标轨迹方程以及车辆前方目标障碍物的宽度计算得到转向避撞所需的第一极限避撞距离；
基于公式dLPTB＝Se-Sp+d0计算得到纵向制动所需的第二极限避撞距离 dLPTB，其中，所述Se为车辆的安全刹车距离，所述Sp为前方障碍物在车辆刹车过程中的移动距离，所述d0为第一预设安全距离；
基于车辆行驶状态计算车辆的TTC值和ETTC值，所述TTC值为基于时间型的避撞时间余量，所述ETTC值为基于加速度的避撞时间余量；
判断所述TTC值是否大于第一标准TTC值且ETTC值是否大于第一标准 ETTC值；
当所述TTC值大于第一标准TTC值且ETTC值大于第一标准ETTC值时，保持车辆正常行驶；
当所述TTC值不大于第一标准TTC值或ETTC值不大于第一标准ETTC 值时，表明车辆存在碰撞风险。
与上述方法相对应，所述避撞模式决策模块在判断是否需要对车辆进行横向主动转向避撞控制时，具体用于：
判断所述TTC值是否大于第二标准TTC值且ETTC值是否大于第二标准 ETTC值；
当所述TTC值大于第二标准TTC值且ETTC值大于第二标准ETTC值时，输出碰撞预警；
当所述TTC值不大于第二标准TTC值或ETTC值不大于第二标准ETTC 值时，判断所述第二极限避撞距离是否大于第二预设安全距离；
当所述第二极限避撞距离大于所述第二预设安全距离时，控制车辆进行纵向主动制动避撞；
当所述第二极限避撞距离不大于第二预设安全距离时，判断所述第一极限避撞距离是否大于所述第二预设安全距离；
当所述第一极限避撞距离大于所述第二预设安全距离时，表明需要对车辆进行横向主动转向避撞控制。
与上述方法相对应，所述避撞模式决策模块在判定需要对车辆进行横向主动转向避撞控制之后，还用于：
判断是否存在避撞空间，当存在避撞空间时，对车辆进行横向主动转向避撞控制。
与上述方法相对应，所述避撞模式决策模块在判断是否存在避撞空间时，具体用于：
判断公式TTC-1≤TTC0 -1是否成立，如果成立，则表明存在避撞空间，其中，所述TTC0为所述第一标准TTC值。
为了描述的方便，描述以上系统时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本发明时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种避撞方法，其特征在于，包括：
基于环境信息对车辆进行碰撞风险评估；
当车辆存在碰撞风险时，判断是否需要对车辆进行横向主动转向避撞控制；
当需要对车辆进行横向主动转向避撞控制时，采用避撞模块计算得到横向转向避撞轨迹；
在横向主动转向避撞控制过程中，控制轨迹投射装置在行驶道路上投射全局的横向转向避撞轨迹。
2.根据权利要求1所述的避撞方法，其特征在于，所述基于环境信息对车辆进行碰撞风险评估，包括：
获取车辆行驶道路的路面附着系数；
基于公式
Figure FDA0002813557980000011
计算得到期望轨迹的最大曲率k，其中，所述μ为路面附着系数，所述g为重力加速度，所述Δa为预设的安全余量，所述v为车辆行驶速度；
以主车当前位置作为坐标原点建立全局坐标系，以终点坐标为(xe，ye)为终点建立车辆目标轨迹方程
Figure FDA0002813557980000012
其中，
Figure FDA0002813557980000013
所述x为车辆行驶过程中的横向位置，所述xe为车辆当前行驶车道的相邻车道的中间位置坐标；
基于所述目标轨迹方程y＝f(x)以及车辆前方目标障碍物的宽度w,通过牛顿迭代法计算得到转向避撞所需的第一极限避撞距离dLPTS，具体过程为取x0＝ye/2，令，
Figure FDA0002813557980000014
直到|f(xk+1)-f(xk)|≤e,e＝0.01；
基于公式dLPTB＝Se-Sp+d0计算得到纵向制动所需的第二极限避撞距离dLPTB，其中，所述Se为车辆的安全刹车距离，所述Sp为前方障碍物在车辆刹车过程中的移动距离，所述d0为第一预设安全距离；
基于车辆行驶状态计算车辆的TTC值和ETTC值，所述TTC值为基于时间型的避撞时间余量，所述ETTC值为基于加速度的避撞时间余量；
判断所述TTC值是否大于第一标准TTC值且ETTC值是否大于第一标准ETTC值；
当所述TTC值大于第一标准TTC值且ETTC值大于第一标准ETTC值时，保持车辆正常行驶；
当所述TTC值不大于第一标准TTC值或ETTC值不大于第一标准ETTC值时，表明车辆存在碰撞风险。
3.根据权利要求2所述的避撞方法，其特征在于，所述判断是否需要对车辆进行横向主动转向避撞控制，包括：
判断所述TTC值是否大于第二标准TTC值且ETTC值是否大于第二标准ETTC值；
当所述TTC值大于第二标准TTC值且ETTC值大于第二标准ETTC值时，输出碰撞预警；
当所述TTC值不大于第二标准TTC值或ETTC值不大于第二标准ETTC值时，判断所述第二极限避撞距离是否大于第二预设安全距离；
当所述第二极限避撞距离大于所述第二预设安全距离时，控制车辆进行纵向主动制动避撞；
当所述第二极限避撞距离不大于第二预设安全距离时，判断所述第一极限避撞距离是否大于所述第二预设安全距离；
当所述第一极限避撞距离大于所述第二预设安全距离时，表明需要对车辆进行横向主动转向避撞控制。
4.根据权利要求3所述的避撞方法，其特征在于，判定需要对车辆进行横向主动转向避撞控制之后，还包括：
判断是否存在避撞空间，当存在避撞空间时，对车辆进行横向主动转向避撞控制。
5.根据权利要求4所述的避撞方法，其特征在于，所述判断是否存在避撞空间包括：
判断公式TTC-1≤TTC0 -1是否成立，如果成立，则表明存在避撞空间，其中，所述TTC0为所述第一标准TTC值。
6.一种避撞装置，其特征在于，包括：
风险评估模块，用于基于环境信息对车辆进行碰撞风险评估；
避撞模式决策模块，用于当车辆存在碰撞风险时，判断是否需要对车辆进行横向主动转向避撞控制；当需要对车辆进行横向主动转向避撞控制时，采用避撞模块计算得到横向转向避撞轨迹；
轨迹投射模块，用于在横向主动转向避撞控制过程中，控制轨迹投射装置在行驶道路上投射全局的横向转向避撞轨迹。
7.根据权利要求1所述的避撞装置，其特征在于，所述风险评估模块在基于环境信息对车辆进行碰撞风险评估时，具体用于：
获取车辆行驶道路的路面附着系数；
基于公式
Figure FDA0002813557980000031
计算得到期望轨迹的最大曲率k，其中，所述μ为路面附着系数，所述g为重力加速度，所述Δa为预设的安全余量，所述v为车辆行驶速度；
以主车当前位置作为坐标原点建立全局坐标系，以终点坐标为(xe，ye)为终点建立车辆目标轨迹方程
Figure FDA0002813557980000032
其中，
Figure FDA0002813557980000041
所述x为车辆行驶过程中的横向位置，所述xe为车辆当前行驶车道的相邻车道的中间位置坐标；
基于所述目标轨迹方程y＝f(x)以及车辆前方目标障碍物的宽度w,通过牛顿迭代法计算得到转向避撞所需的第一极限避撞距离dLPTS，具体过程为取x0＝ye/2，令，
Figure FDA0002813557980000042
直到|f(xk+1)-f(xk)|≤e,e＝0.01；
基于公式dLPTB＝Se-Sp+d0计算得到纵向制动所需的第二极限避撞距离dLPTB，其中，所述Se为车辆的安全刹车距离，所述Sp为前方障碍物在车辆刹车过程中的移动距离，所述d0为第一预设安全距离；
基于车辆行驶状态计算车辆的TTC值和ETTC值，所述TTC值为基于时间型的避撞时间余量，所述ETTC值为基于加速度的避撞时间余量；
判断所述TTC值是否大于第一标准TTC值且ETTC值是否大于第一标准ETTC值；
当所述TTC值大于第一标准TTC值且ETTC值大于第一标准ETTC值时，保持车辆正常行驶；
当所述TTC值不大于第一标准TTC值或ETTC值不大于第一标准ETTC值时，表明车辆存在碰撞风险。
8.根据权利要求7所述的避撞装置，其特征在于，所述避撞模式决策模块在判断是否需要对车辆进行横向主动转向避撞控制时，具体用于：
判断所述TTC值是否大于第二标准TTC值且ETTC值是否大于第二标准ETTC值；
当所述TTC值大于第二标准TTC值且ETTC值大于第二标准ETTC值时，输出碰撞预警；
当所述TTC值不大于第二标准TTC值或ETTC值不大于第二标准ETTC值时，判断所述第二极限避撞距离是否大于第二预设安全距离；
当所述第二极限避撞距离大于所述第二预设安全距离时，控制车辆进行纵向主动制动避撞；
当所述第二极限避撞距离不大于第二预设安全距离时，判断所述第一极限避撞距离是否大于所述第二预设安全距离；
当所述第一极限避撞距离大于所述第二预设安全距离时，表明需要对车辆进行横向主动转向避撞控制。
9.根据权利要求8所述的避撞装置，其特征在于，所述避撞模式决策模块在判定需要对车辆进行横向主动转向避撞控制之后，还用于：
判断是否存在避撞空间，当存在避撞空间时，对车辆进行横向主动转向避撞控制。
10.根据权利要求9所述的避撞装置，其特征在于，所述避撞模式决策模块在判断是否存在避撞空间时，具体用于：
判断公式TTC-1≤TTC0 -1是否成立，如果成立，则表明存在避撞空间，其中，所述TTC0为所述第一标准TTC值。
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