CN113291286B - 基于弯道横摆稳定性的辅助驾驶系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于弯道横摆稳定性的辅助驾驶系统，包括数据获取模块：用于获取车辆的运行参数；数据处理模块：用于确定最大目标方向盘转角和最小目标车速；控制模块：用于当辅助驾驶系统不满足开启条件、且当前车辆稳定性不满足要求时，执行强制开启辅助驾驶系统；执行单元：包括方向盘转角控制单元和车速控制单元。本发明还公开了上述辅助驾驶系统的控制方法，包括：获取车辆运行参数和前方道路的最小曲率半径；根据最小曲率半径确定最大目标方向盘转角和最小目标车速；当辅助驾驶系统不满足开启条件时、且当前车速和当前方向盘转角不满足当前车辆稳定性要求时，强制开启辅助驾驶系统。本发明提高车辆弯道横摆稳定性和安全性。

Description

基于弯道横摆稳定性的辅助驾驶系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及辅助驾驶技术领域，具体地指一种基于弯道横摆稳定性的辅助驾驶系统及其控制方法。
背景技术
在驾驶员在弯道驾驶时，主要靠经验控制车身的稳态，若驾驶员操作不当，ESC系统也只能在车身失稳或即将失稳的情况下介入进行控制，驾驶体验感不强，且车身姿态超过ESC系统所能控制的能力的情况下，车辆也会继续失稳，进而导致交通事故的发生。
随着ADAS技术的普及，ACC、LKA等功能已经大量运用，但是ACC、LKA等功能在弯道驾驶方面的应用还很受限，比如，为避免在弯道时车辆发生侧滑、甩尾等问题，在进入弯道之前ADAS系统会提示驾驶员对车辆进行接管，辅助驾驶系统会暂时退出。
现有方案一般利用辅助驾驶系统的车载摄像装置、GPS定位模块以及算法，能够提前判断道路弯道曲率半径、弯道内的车道范围，实现车道内的保持技术。但是弯道内车辆一旦发生侧滑或者失稳，ESC系统就会介入，这样就会导致辅助驾驶系统立即退出。
中国专利CN105882661A公开一种机动车弯道驾驶辅助系统的运行方式，该专利主要通过GPS模块、地图信息、车载装置实现对车辆弯道半径的计算。但是上述专利需要GPS模块、地图信息进行辅助；专利中侧重点在于弯道探测技术，并未实现弯道内驾驶的车身稳态的提前计算；专利中未实现车辆的横向方向控制，不能很好的解决当前自动驾驶领域的过弯问题。
中国专利CN110682910A公开一种弯道辅助驾驶方法及装置，该专利主要通过对弯道边缘的探测，实现车辆在弯道内的车道保持。上述专利存在的问题是：车辆横向角度的控制是基于车道线/弯道边缘采样的来计算弯道范围，实现弯道内的车道保持，不是基于车身稳态控制的出发点，不能很好的实现车身稳态的控制。
发明内容
本发明的目的就是要克服上述现有技术存在的不足，提供一种基于弯道横摆稳定性的辅助驾驶系统及其控制方法，该系统和方法可以在过弯道之前基于横摆稳定性要求提前给出转向角度和车速的建议范围，并在具有失稳风险时进行主动介入控制，提高车辆弯道横摆稳定性和安全性。
为实现上述目的，本发明提供一种基于弯道横摆稳定性的辅助驾驶系统，包括依次通讯连接的数据获取模块、数据处理模块、控制模块和执行单元；
所述数据获取模块用于获取车辆的运行参数和前方道路的曲率半径；
所述数据处理模块用于根据曲率半径确定目标方向盘转角和极限车速，以及根据目标方向盘转角、极限车速和横摆稳定性要求确定目标车速；
所述控制模块用于根据车速和方向盘转角判断横摆稳定性是否满足要求，以及当辅助驾驶系统不满足开启条件、且当前横摆稳定性不满足要求时，执行强制开启辅助驾驶系统，控制车速和方向盘转角满足当前横摆稳定性；
所述执行单元包括方向盘转角控制单元和车速控制单元。
进一步地，所述数据处理模块包括目标方向盘转角计算模块、极限车速计算模块、目标车速计算模块；
所述目标方向盘转角计算模块用于根据曲率半径、车辆轴距、转向传动比和车辆质心至后轴距离确定目标方向盘转角；
所述极限车速计算模块用于构建车辆所受离心力等于最大侧向附着力的计算模型，根据计算模型和曲率半径确定极限车速；
所述目标车速计算模块用于将极限车速作为车速的初始值，并以固定步长递减，根据车速、目标方向盘转角和横摆稳定性要求判定是否满足横摆稳定性，将首次满足横摆稳定性的车速作为目标车速。
进一步地，所述控制模块包括横摆稳定性控制模块、辅助驾驶系统控制模块；
所述横摆稳定性控制模块用于根据车速和方向盘转角判定横摆稳定性是否满足要求；
所述辅助驾驶系统控制模块用于当辅助驾驶系统不满足开启条件、且当前横摆稳定性不满足要求时，执行强制开启辅助驾驶系统，控制车速和方向盘转角满足当前横摆稳定性。
所述辅助驾驶系统控制模块还用于，根据当前道路的曲率半径判定是否开启辅助驾驶系统。
所述辅助驾驶系统控制模块还用于，当辅助驾驶系统不满足开启条件且当前车速和当前方向盘转角满足当前横摆稳定性要求时，提醒驾驶员并显示最大目标方向盘转角和最小目标车速。
所述辅助驾驶系统控制模块还用于，当辅助驾驶系统满足开启条件时，控制方向盘转角为当前道路的目标方向盘转角，控制车速小于最小目标车速。
本发明还提供一种基于弯道横摆稳定性的辅助驾驶系统的控制方法，包括：获取车辆运行参数和前方道路图像，得到前方道路的最小曲率半径；
根据最小曲率半径确定最大目标方向盘转角和最小极限车速，根据最大目标方向盘转角、最小极限车速和横摆稳定性要求确定最小目标车速；
当辅助驾驶系统不满足开启条件时、且当前车速和当前方向盘转角不满足当前横摆稳定性要求时，强制开启辅助驾驶系统，控制当前车速和当前方向盘转角满足当前横摆稳定性要求。
进一步地，所述最大目标方向盘转角的确定方法包括，根据最小曲率半径、车辆轴距、转向传动比和车辆质心至后轴距离构建几何模型，通过几何模型求得。
目标方向盘转角α计算公式为
Figure GDA0003666208400000041
其中，l为车辆轴距；lr为车辆质心至后轴距离；i为转向传动比。
进一步地，所述最小极限车速的确定方法包括，构建车辆所受离心力等于最大侧向附着力的力学模型，根据力学模型和最小曲率半径求得。
所述力学模型为
Figure GDA0003666208400000042
其中m为汽车质量，v为车速，R为曲率半径，μ为路面附着系数，ax纵向加速度，ay侧向加速度，g为重力加速度。
极限车速Vmax为
Figure GDA0003666208400000043
进一步地，所述最小目标车速的确定方法包括，将最小极限车速作为车速的初始值，并以固定步长递减，根据车速、最大目标方向盘转角判定是否满足横摆稳定性要求，将首次满足横摆稳定性要求的车速作为最小目标车速。
其中，横摆稳定性要求为
Figure GDA0003666208400000044
其中，β为质心侧偏角，
Figure GDA0003666208400000045
为质心侧偏角速度，C1，C2为设定常数，A为横摆稳定性表征值。
质心侧偏角β计算公式为
Figure GDA0003666208400000051
Figure GDA0003666208400000052
K为汽车稳定性因数，m为整车质量，l为车辆轴距，lf为质心至前轴距离，lr为质心至后轴距离，kf为前轮侧偏刚度，kr为后轮侧偏刚度。
进一步地，若强制开启辅助驾驶系统，则获取车辆当前车速和当前道路的曲率半径，根据当前道路的曲率半径得到当前道路的目标方向盘转角和极限车速，根据当前道路的目标方向盘转角、极限车速和横摆稳定性要求得到当前道路的目标车速，控制方向盘转角为当前道路的目标方向盘转角，控制车速小于当前道路的目标车速。
进一步地，当辅助驾驶系统不满足开启条件且当前车速和当前方向盘转角满足当前横摆稳定性要求时，提醒驾驶员并显示最大目标方向盘转角和最小目标车速。
进一步地，当辅助驾驶系统满足开启条件时，控制方向盘转角为当前道路的目标方向盘转角，控制车速小于最小目标车速。
本发明的有益效果：提高车辆弯道横摆稳定性和安全性。本发明在获取弯道曲率半径时不仅获取当前道路的曲率半径，还获取前方弯道的最小曲率半径，根据最小曲率半径以及横摆稳定性的要求得到最大目标方向盘转角和最小目标车速，在辅助驾驶系统不满足开启条件时，首先通过驾驶员主动控制方向盘转角和车速，并提示驾驶员前方弯道请减速，显示最大方向盘转角和最小目标车速，在当前方向盘转角和当前车速不满足横摆稳定性时，辅助驾驶系统强制介入，首先根据当前道路的曲率半径以及横摆稳定性的要求确定目标方向盘转角和目标车速，然后控制方向盘转角和车速满足横摆稳定性的要求，因此提高了车辆过弯时的横摆稳定性和驾驶安全性。
附图说明
图1为基于弯道横摆稳定性的辅助驾驶系统结构示意图。
图2为基于弯道横摆稳定性的辅助驾驶系统的控制方法流程图。
图中各部件标号如下：数据获取模块100、数据处理模块200、目标方向盘转角计算模块210、极限车速计算模块220、目标车速计算模块230、控制模块300、横摆稳定性控制模块310、辅助驾驶系统控制模块320、执行单元400、方向盘转角控制单元410、车速控制单元420。
具体实施方式
下面具体实施方式用于对本发明的权利要求技术方案作进一步的详细说明，便于本领域的技术人员更清楚地了解本权利要求书。本发明的保护范围不限于下面具体的实施例。本领域的技术人员做出的包含有本发明权利要求书技术方案而不同于下列具体实施方式的也是本发明的保护范围。
如图1所示，一种基于弯道横摆稳定性的辅助驾驶系统，包括依次通讯连接的数据获取模块100、数据处理模块200、控制模块300和执行单元400。
数据获取模块100包括车辆运行参数获取模块和摄像装置，车辆运行参数获取模块用于获取车辆运行参数。摄像装置用于获取前方道路图像，得到当前道路的曲率半径，以及前方道路的最小曲率半径。
数据处理模块200用于根据曲率半径确定目标方向盘转角和极限车速，以及根据目标方向盘转角、极限车速和横摆稳定性要求确定目标车速；其中当将最小曲率半径输入至数据处理模块200时，会得到最大目标方向盘转角和最小极限车速，然后根据最大目标方向盘转角、最下极限车速和横摆稳定性要求确定最小目标车速。
控制模块300用于根据车速和方向盘转角判断横摆稳定性是否满足要求，以及当辅助驾驶系统不满足开启条件、且当前横摆稳定性不满足要求时，执行强制开启辅助驾驶系统，控制车速和方向盘转角满足当前横摆稳定性；
执行单元400包括方向盘转角控制单元410和车速控制单元420。
数据处理模块200包括目标方向盘转角计算模块210、最小极限车速计算模块220、目标车速计算模块230。
目标方向盘转角计算模块210用于根据曲率半径、车辆轴距、转向传动比和车辆质心至后轴距离确定目标方向盘转角。
极限车速计算模块220用于构建车辆所受离心力等于最大侧向附着力的力学模型，根据力学模型和曲率半径确定极限车速。
目标车速计算模块230用于将极限车速作为车速的初始值，并以固定步长递减，根据车速、目标方向盘转角和横摆稳定性要求判定是否满足横摆稳定性，将首次满足横摆稳定性的车速作为目标车速。
控制模块300包括横摆稳定性控制模块310、辅助驾驶系统控制模块320。
横摆稳定性控制模块310用于根据车速和方向盘转角判定横摆稳定性是否满足要求。
辅助驾驶系统控制模块320用于当辅助驾驶系统不满足开启条件、且当前横摆稳定性不满足要求时，执行强制开启辅助驾驶系统，控制当前车速和当前方向盘转角满足当前横摆稳定性。
辅助驾驶系统控制模块320还用于，根据当前道路的曲率半径判定是否开启辅助驾驶系统。
辅助驾驶系统控制模块320还用于，当辅助驾驶系统不满足开启条件且当前车速和当前方向盘转角满足当前横摆稳定性要求时，提醒驾驶员并显示最大目标方向盘转角和最小目标车速。
辅助驾驶系统控制模块320还用于，当辅助驾驶系统满足开启条件时，控制方向盘转角为当前道路的目标方向盘转角，控制车速小于最小目标车速。
方向盘转角控制单元410用于控制方向盘转角，车速控制单元420用于控制车速。
如图2所示，上述基于弯道横摆稳定性的辅助驾驶系统的控制如下：
1、数据获取
车辆运行参数获取模块110获取车辆运行参数，包括当前方向盘转角、当前车速、纵向加速度、侧向加速度。摄像装置120获取前方道路图像，然后通过通过ADAS系统的成熟算法得到当前道路的曲率半径，以及前方道路的最小曲率半径。因为摄影装置所获取的前方道路各个位置点的曲率半径是不同，因此获取当前道路的曲率半径是为了确定车轮即将行驶的位置的曲率半径，而获取最小曲率半径是为了获知前方在可视范围内弯道角度最大的程度，为了后续横摆稳定性控制和辅助驾驶控制提供预警信息。
作为一种优先实施例，当天气条件较恶劣时，摄像装置成像距离受影响，此时可通过高精度地图对道路几何形状进行数据制作，即通过形状点描述道路的几何形状，形状点以高精度坐标形式进行描述；计算时采用曲线拟合的方式，得到各个形状点所在曲率半径的倒数，根据道路的几何形状，进行曲线拟合后计算出离散点的曲率值，进而获得前方道路的曲率半径。
作为另一种优选实施例，前方道路的曲率半径取上述两种算法结果的最小值。
2、数据处理
数据处理模块200根据曲率半径确定目标方向盘转角和极限车速，以及根据目标方向盘转角、极限车速和横摆稳定性要求确定目标车速。
本实施例中，目标方向盘转角计算模块210首先根据曲率半径、车辆轴距、转向传动比和车辆质心至后轴距离所构建的汽车转向几何模型确定目标方向盘转角。本实施例中，目标方向盘转角计算模块210的输入值包括当前道路的曲率半径和最小曲率半径，对应输出为当前道路的目标方向盘转角和最大目标方向盘转角。
目标方向盘转角α计算公式为
Figure GDA0003666208400000091
其中，l为车辆轴距；lr为车辆质心至后轴距离；i为转向传动比。
本实施例中，极限车速计算模块220构建车辆所受离心力等于最大侧向附着力的力学模型，根据力学模型和曲率半径确定极限车速。极限车速计算模块220的输入为包括当前道路的曲率半径和最小曲率半径，对应输出为当前道路的极限车速和最小极限车速。
力学模型为
Figure GDA0003666208400000092
其中m为汽车质量，v为车速，R为曲率半径，μ为路面附着系数，ax纵向加速度，ay侧向加速度，g为重力加速度。
极限车速vmax计算公式为
Figure GDA0003666208400000093
本实施例中，目标车速计算模块230将极限车速作为车速的初始值，将车速、目标方向盘转角代入到横摆稳定性要求的判定式中，横摆稳定性控制模块310判定是否满足横摆稳定性，如果不满足，则将车速逐步以固定步长n递减，再次代入到横摆稳定性要求的判定式中，直到满足横摆稳定性要求，将首次满足横摆稳定性的车速作为目标车速。
目标车速计算模块230的两组输入分别为当前道路的目标方向盘转角、当前道路的极限车速以及、最大目标方向盘转角、最小极限车速；其对应的两个输出分别为当前道路的目标车速和最小目标车速。
本实施例中，横摆稳定性要求为
Figure GDA0003666208400000101
其中，β为质心侧偏角，
Figure GDA0003666208400000102
为质心侧偏角速度，C1，C2为设定常数，A为横摆稳定性表征值。
质心侧偏角β计算公式为
Figure GDA0003666208400000103
Figure GDA0003666208400000104
K为汽车稳定性因数，m为整车质量，l为车辆轴距，lf为质心至前轴距离，lr为质心至后轴距离，kf为前轮侧偏刚度，kr为后轮侧偏刚度。
3、逻辑判断和执行
首先，辅助驾驶系统控制模块320判定辅助驾驶系统是否满足开启条件，如果当前道路的曲率半径大于设定的曲率半径临界值，则辅助驾驶系统开启，控制方向盘转角控制单元410和车速控制单元420执行正常辅助驾驶模式。
本实施例中，正常辅助驾驶模式控制过程为：控制方向盘转角控制单元410控制方向盘转角为当前道路的目标方向盘转角，车速控制单元420控制车速小于最小目标车速。这样，在当前道路的目标方向盘转角下，车辆的轨迹可以与道路轨迹保持一致性，不会出现偏航现象，而将车速控制在低于最小目标车速范围内，使得当前车速一定小于当前道路的目标车速，可以保证当前横摆稳定性一定满足要求，且在未来某一时刻通过最小曲率半径的位置时，也能满足该位置处的横摆稳定性要求，这样可以使得该模式下的横摆稳定性和驾驶安全性得到最大限度的保护，由于辅助驾驶系统对前方路况的判断没有驾驶员那么及时准确，控制方向盘转角和车速的速度也没有驾驶员及时，因此这样避免了辅助驾驶系统因为当前车速偏快，从而无法快速有效地进行控制方向盘转角和车速，避免了一定的驾驶风险。
如果当前道路的曲率半径小于或等于设定的曲率半径临界值，则辅助驾驶系统关闭，此时再通过横摆稳定性控制模块310根据当前车速和当前方向盘转角判定当前横摆稳定性是否满足要求，如果当前横摆稳定性满足要求，则进入驾驶员主动驾驶模式；如果当前横摆稳定性不满足要求，则进入强制辅助驾驶模式，控制方向盘转角控制单元410和车速控制单元420执行强制辅助驾驶模式。
本实施例中，驾驶员主动驾驶模式为，驾驶员通过方向盘和车速控制单元420分别开工至方向盘转角和车速，辅助驾驶系统控制模块320控制语音播放器提醒驾驶员“前方弯道，请减速”，并控制仪表盘显示最大目标方向盘转角和最小目标车速，这样，驾驶员在控制当前方向盘转角和当前车速时可以提前知道前方曲率半径最小处弯道的情况，从而提前做好控制方向盘和车速的准备，提高了驾驶员的驾驶安全性。
本实施例中，强制辅助驾驶模式为，控制方向盘转角控制单元410控制方向盘转角为当前的目标方向盘转角，车速控制单元420控制车速小于当前的目标车速。因为，如果驾驶员主动驾驶时方向盘转角偏航过大或者车速过快，均会导致当前横摆稳定性不满足要求，从而导致一定的风险，因此此时需要辅助驾驶系统强制介入进行控制，保证当前横摆稳定性满足要求即可退出强制辅助驾驶模式，而不需要控制到满足曲率半径最小位置处的横摆稳定性，此模式下依然主要以驾驶员主动控制为主。

Claims (10)

1.一种基于弯道横摆稳定性的辅助驾驶系统，其特征在于：包括依次通讯连接的数据获取模块(100)、数据处理模块(200)、控制模块(300)和执行单元(400)；
所述数据获取模块(100)用于获取车辆的运行参数和前方道路的曲率半径；
所述数据处理模块(200)用于根据曲率半径确定目标方向盘转角和极限车速，以及根据目标方向盘转角、极限车速和横摆稳定性要求确定目标车速；
所述控制模块(300)用于根据车速和方向盘转角判断横摆稳定性是否满足要求，以及当辅助驾驶系统不满足开启条件、且当前横摆稳定性不满足要求时，执行强制开启辅助驾驶系统，控制车速和方向盘转角满足当前横摆稳定性；
所述执行单元(400)包括方向盘转角控制单元(410)和车速控制单元(420)。
2.根据权利要求1所述的基于弯道横摆稳定性的辅助驾驶系统，其特征在于：所述数据处理模块(200)包括目标方向盘转角计算模块(210)、极限车速计算模块(220)、目标车速计算模块(230)；
所述目标方向盘转角计算模块(210)用于根据曲率半径、车辆轴距、转向传动比和车辆质心至后轴距离确定目标方向盘转角；
所述极限车速计算模块(220)用于构建车辆所受离心力等于最大侧向附着力的力学模型，根据力学模型和曲率半径确定极限车速；
所述目标车速计算模块(230)用于将极限车速作为车速的初始值，并以固定步长递减，根据车速、目标方向盘转角和横摆稳定性要求判定是否满足横摆稳定性，将首次满足横摆稳定性的车速作为目标车速。
3.根据权利要求1所述的基于弯道横摆稳定性的辅助驾驶系统，其特征在于：所述控制模块(300)包括横摆稳定性控制模块(310)、辅助驾驶系统控制模块(320)；
所述横摆稳定性控制模块(310)用于根据车速和方向盘转角判定横摆稳定性是否满足要求；
所述辅助驾驶系统控制模块(320)用于当辅助驾驶系统不满足开启条件、且当前横摆稳定性不满足要求时，执行强制开启辅助驾驶系统，控制车速和方向盘转角满足当前横摆稳定性。
4.一种如上述权利要求3所述的基于弯道横摆稳定性的辅助驾驶系统的控制方法，其特征在于：
获取车辆运行参数和前方道路图像，得到前方道路的最小曲率半径；
根据最小曲率半径确定最大目标方向盘转角和最小极限车速，根据最大目标方向盘转角、最小极限车速和横摆稳定性要求确定最小目标车速；
当辅助驾驶系统不满足开启条件时、且当前车速和当前方向盘转角不满足当前横摆稳定性要求时，强制开启辅助驾驶系统，控制当前车速和当前方向盘转角满足当前横摆稳定性要求。
5.根据权利要求4所述的基于弯道横摆稳定性的辅助驾驶系统的控制方法，其特征在于：所述最大目标方向盘转角的确定方法包括，根据最小曲率半径、车辆轴距、转向传动比和车辆质心至后轴距离构建几何模型，通过几何模型求得。
6.根据权利要求4所述的基于弯道横摆稳定性的辅助驾驶系统的控制方法，其特征在于：所述最小极限车速的确定方法包括，构建车辆所受离心力等于最大侧向附着力的力学模型，根据力学模型和最小曲率半径求得。
7.根据权利要求5或6所述的基于弯道横摆稳定性的辅助驾驶系统的控制方法，其特征在于：所述最小目标车速的确定方法包括，将最小极限车速作为车速的初始值，并以固定步长递减，根据车速、最大目标方向盘转角判定是否满足横摆稳定性要求，将首次满足横摆稳定性要求的车速作为最小目标车速。
8.根据权利要求7所述的基于弯道横摆稳定性的辅助驾驶系统的控制方法，其特征在于：若强制开启辅助驾驶系统，则获取车辆当前车速和当前道路的曲率半径，根据当前道路的曲率半径得到当前道路的目标方向盘转角和极限车速，根据当前道路的目标方向盘转角、极限车速和横摆稳定性要求得到当前道路的目标车速，控制方向盘转角为当前道路的目标方向盘转角，控制车速小于当前道路的目标车速。
9.根据权利要求4所述的基于弯道横摆稳定性的辅助驾驶系统的控制方法，其特征在于：当辅助驾驶系统不满足开启条件且当前车速和当前方向盘转角满足当前横摆稳定性要求时，提醒驾驶员并显示最大目标方向盘转角和最小目标车速。
10.根据权利要求4所述的基于弯道横摆稳定性的辅助驾驶系统的控制方法，其特征在于：当辅助驾驶系统满足开启条件时，控制方向盘转角为当前道路的目标方向盘转角，控制车速小于最小目标车速。
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