CN113650589B - 一种基于变加速模型的紧急制动方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变加速模型的紧急制动方法和系统，所述方法包括：建立紧急制动的变加速模型，在所述变加速模型中，包括驾驶员反应阶段，减速度由零到最大减速度的减速度上升制动阶段和在最大减速度下的恒定减速度阶段；所述减速度上升制动阶段的刹车力度和时间，通过标定的刹车力度‑减速度‑时间关系曲线获得；在整个紧急制动阶段，周期性地检测本车速度、前车速度和前车加速度，并将该时刻获得的实际速度和理论制动曲线上同时刻的理论速度进行比较；根据同时刻下的实际速度、理论速度，计算减速度变化量，并根据所述减速度变化量修正下一检测周期的刹车力度；以期在下一检测周期期末时的实际速度和理论速度趋同。

Description

一种基于变加速模型的紧急制动方法和系统

技术领域

本发明涉及无人驾驶车辆的气刹制动控制领域，尤其涉及一种基于变加速模型的紧急制动方法和系统。

背景技术

自动紧急制动系统(AEB)是一种主动安全系统，当检测到潜在的碰撞时，会激活汽车的刹车。它是自动工作的，不需要驾驶员实际触摸制动踏板。如果驾驶员正在踩刹车，但不足以防止碰撞，它也可以增加制动力。所有AEB系统都能检测到车辆，许多系统还能检测到行人和骑自行车的人。AEB的目的是在出现危险情况或驾驶员刹车不充分时启动刹车，从而减少碰撞。

传统的AEB决策制动模型一般使用TTC碰撞时间模型(车辆加速度恒定，且本车车速高于前车车速时进入)或者安全间距模型，模型中一般都按照匀变速运动进行建模，但是这种紧急制动容易造成驾乘人员的不适。除此之外，模型中的一系列调控参数，包括加速度和制动控制参数理论上都是连续的曲线，但是实际当中的参数状态都是离散的，如何更好地衔接补足理论与实际之间的差异，减少控制误差，业界没有较为合理完善的方案。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的是提供一种基于变加速模型的紧急制动方法和系统，采用变加速模型进行紧急制动，以减少紧急制动造成的不适影响，及给出一种离散参数控制方法减少控制误差。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于变加速模型的紧急制动方法，包括以下步骤：

步骤S1：建立紧急制动的变加速模型，在所述变加速模型中，包括驾驶员反应阶段，减速度由零到最大减速度的减速度上升制动阶段和在最大减速度下的恒定减速度阶段；所述驾驶员反应阶段的时间通过设置获得；所述减速度上升制动阶段的刹车力度和时间，通过标定的刹车力度-减速度-时间关系曲线获得；

步骤S2：输入本车速度、前车速度、前车加速度，根据所述变加速模型计算碰撞距离或碰撞时间；

步骤S3：当本车和前车的距离小于所述碰撞距离或所述碰撞时间小于设定阈值时，触发紧急制动，根据所述变加速模型生成理论制动曲线；

步骤S4：在所述驾驶员反应阶段内未收到驾驶员的人工干预时，执行自动紧急制动，进入所述减速度上升制动阶段；在整个紧急制动阶段，周期性地检测本车速度、前车速度和前车加速度，并将该时刻获得的实际速度和理论制动曲线上同时刻的理论速度进行比较；根据同时刻下的实际速度和理论速度，计算减速度变化量，并根据所述减速度变化量修正下一检测周期的刹车力度；以期在下一检测周期期末时的实际速度和理论速度趋同。

进一步的，所述步骤S1中，所述减速度上升制动阶段的刹车力度和时间的获得方法为：通过标定的刹车力度-减速度-时间关系曲线，给出在不同刹车占空比下所述减速度上升制动阶段加速度由零增加到最大减速度的时间，即减速度上升制动阶段的时间。

进一步的，所述减速度变化量的计算公式为：减速度变化量＝2*(实际速度-理论速度)/检测周期，所述检测周期为两次速度采集的时间间隔。

进一步的，所述步骤S4中根据所述减速度变化量修正下一检测周期的刹车力度的方法为：

计算期望减速度，所述期望减速度为所述减速度变化量和实际减速度之和；

根据所述减速度变化量和实际减速度之和与检测时间点，索引刹车标定表，获得下一检测周期的刹车力度；所述刹车标定表为所述刹车力度-减速度-时间关系曲线的参数关系按时间进行取点生成。

进一步的，所述刹车力度对应的参数为气动刹车系统的刹车占空比，所述刹车占空比用于调节所述气动刹车系统的刹车气泵充气的快慢。

进一步的，在所述方法中，还设置有减速度变化率阈值；所述减速度变化量和实际减速度的比值为减速度变化率，当所述减速度变化率的绝对值小于等于阈值时，期望减速度保持不变；当减速度变化率的绝对值大于阈值时，则在减速度变化率为负值时，按实际减速度*(1-阈值)更新期望减速度；或在减速度变化率为正值时，按实际减速度*(1+阈值)更新期望减速度。

进一步的，所述减速度变化率阈值的取值区间为0-5％之间。

进一步的，所述检测周期的取值范围25-50ms。

本发明还提出了一种基于变加速模型的紧急制动系统，所述紧急制动系统为气刹制动系统，所述气刹制动系统执行如上任一方案所述的基于变加速模型的紧急制动方法。

本发明实现了如下技术效果：

本发明的基于变加速模型的紧急制动方法采用变加速模型进行紧急制动，以减少紧急制动对驾乘人员造成的不适影响；在制动过程中，通过离散参数控制，使紧急制动的控制曲线与理论制动曲线趋同，控制误差小。

附图说明

图1是本发明的变加速制动模型的速度-加速度-时间曲线图；

图2是实验标定的不同刹车占空比下加速度-时间曲线图；

图3是实际速度和理论制动曲线；

图4是变加速制动示例1的速度-时间曲线图(a)和加速度-时间曲线图(b)；

图5是变加速制动示例2的速度-时间曲线图(a)和加速度-时间曲线图(b)。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明提出了一种基于变加速模型的紧急制动方法，包括以下步骤：

步骤S1：建立紧急制动的变加速模型，在所述变加速模型中，包括驾驶员反应阶段，减速度由零上升到最大减速度的减速度上升制动阶段和在最大减速度下的恒定减速度阶段；所述驾驶员反应阶段的时间通过设置获得；所述减速度上升制动阶段的时间，及减速度-时间关系曲线通过标定获得；

步骤S2：输入本车速度、前车速度、前车加速度，根据所述变加速模型计算碰撞距离或碰撞时间；

步骤S3：当所述碰撞距离或碰撞时间小于设定阈值时，触发紧急制动，根据所述变加速模型生成理论制动曲线；

步骤S4：在所述驾驶员反应阶段内未收到驾驶员的人工干预时，执行自动紧急制动，进入所述减速度上升制动阶段；在整个紧急制动阶段，周期性地检测本车速度、前车速度和前车加速度，并将该时刻获得的实际速度和理论制动曲线上同时刻的理论速度进行比较；根据同时刻下的实际速度、理论速度，计算减速度变化量，并根据所述减速度变化量修正下一检测周期的刹车力度；以期在下一检测周期期末时的实际速度和理论速度趋同。

1、紧急制动的变加速模型构建

在传统的TTC模型中，我们取：两车距离为s(m)，安全停止距离为d(m)，行驶时间t(s)，本车速度和加速度为v₁(m/s)、a₁(m/s²)，前车速度和加速度为v₂(m/s)a₂(m/s²)，安全停止距离一般取0.5～3m。相对车速为v_rel(本车速度减前车速度)，相对加速度为a_rel(本车加速度减前车加速度)。传统的TTC模型是基于如下假设的工况：两车行驶时间t秒后，速度同时达到0(m/s)，且两车距离刚好为安全停止距离d。此时可以列出公式：

解方程可得：

式中，TTC为碰撞时间。

传统TTC模型是基于恒定减速度假设，加速度从零增加到最大减速度的减速度上升阶段的时间是作为一个固定量存在，不参与碰撞时间的计算。

本实施例的变加速模型如图1所示，其中，t0-t1区间为驾驶员反应阶段；t1-t2区间为减速度从零到最大减速度的减速度上升制动阶段；t2-t3区间为在最大减速度下的恒定减速度制动阶段。

根据刹车测试数据统计可以得到，本车在不同速度制动时，本车减速度从0增长到最大减速度(如-5.3m/s)所需要的时间，如在100km/h速度时进行紧急刹车，车辆从减速度为0增长到最大减速度(如：-5.3米每平方秒)的时间约为0.6秒。通过延长变加速阶段的时间，可以降低紧急制动下驾乘人员的不适感。

本实施例中的变加速模型和传统的TTC碰撞模型的区别在于，加速度从零增加到最大减速度的减速度上升阶段的刹车力度和时间是可以调节的，该刹车力度和时间可以通过标定获得。

在本实施例中，碰撞设置了驾驶员反应阶段。当驾驶员在该阶段未做出主动制动反应，则后续制动动作由紧急制动系统接管，启动紧急制动，进入减速度上升阶段。

在本实施例的变加速模型中，在恒定减速度阶段是以最大减速度进行制动，以期在该阶段的制动距离最短。

在本实施例中，减速度上升阶段的时间通过如下方法获得：

如图2所示，通过标定在不同的刹车力度(如气刹制动系统的刹车占空比)下的减速度-时间关系曲线(刹车占空比-减速度-时间关系曲线)，给出在不同刹车占空比下所述减速度上升制动阶段加速度由零增加到最大减速度的时间，即减速度上升制动阶段的时间。为方便查找，所述刹车占空比-减速度-时间关系曲线的参数关系按时间进行取点生成刹车标定表。

如图2所示，在某一刹车占空比下，减速度a和时间t成线性关系，该关系式可以用a＝k×t+C表示。

在本实施例中，可根据本车速度、前车速度和前车加速度，选择不同的刹车占空比，从而获得不同的减速度上升制动阶段的时间。通常，在车辆处于高速行进时，车辆紧急制动发生危险的可能性高，刹车制动的动作要更柔和，因此，可选取较小的刹车占空比，使车辆的减速度从零到最大减速度的过程更为平滑，当减速度增加到最大时，再以最大减速度进行制动，使恒定减速度阶段的制动距离最短。而在车辆处于低速行进时，车辆紧急制动发生危险的可能性低，此时刹车制动的动作可以猛一些，可选取加大的刹车占空比，使车辆的减速度快速从零升到最大减速度，再以最大减速度进行制动，使整个制动距离尽可能短。

当本车和前车的距离小于安全间距时，触发车辆的紧急制动系统。此时会存在两种工况：a、本车在减速度上升未达到最大减速度之前，速度已经降为0；b、本车在减速度上升达到最大减速度，速度未降为0，车辆以恒定减速度前行直至与前车的相对速度为零。以上两种工况，均需保证理论制动距离下，刚好未与前车相撞。

碰撞时间的计算：

在本模型中，我们取：两车距离为s(m)，安全停止距离为d(m)，行驶时间t(s)，本车速度和加速度为v_zhu(m/s)、a_zhu(m/s²)，前车速度和加速度为v_qian(m/s)、a_qian(m/s²)，安全停止距离一般取0.5～3m。相对车速为v_rel(本车速度减前车速度)，相对加速度为a_rel(本车加速度减前车加速度)。假设一种工况：两车行驶时间t秒后，速度同时达到0(m/s)，且两车距离刚好为安全停止距离d。

(1)驾驶员反应阶段(t1～t2)：该阶段的时间由紧急制动系统设定。

(2)减速度上升阶段(t1～t2):

最大减速度a_zhumax，由紧急制动系统给出；

本车在减速度从0到最大减速度时的速度v_{accup_max}为：

其中，t_accupmax根据标定的加速度-时间关系曲线(a_zhu＝k×t+C)求得，其中k与C已知，将a_zhumax代入a_zhu，求得的t为t_accupmax。

在本碰撞模型中存在两种工况：

1、若本车在减速度上升未达到最大值之前，速度已经降为0(即计算得到的v_{accup_max}≤0)，如图4所示，则减速度上升阶段的时间为：

t_accup＝t2-t1＝sqrt((2×v_zhu×t_accupmax)/a_zhumax)

其中v_zhu表示本车制动时的起始速度，t_accup表示制动时间。

2、若本车在减速度上升达到最大值时，速度v_accupmax未降为0(即计算得到的v_accupmax≥0)，如图5所示，则安全制动距离等于t0～t1行驶距离、t1～t2(减速度上升阶段)行驶距离S_accup，t2～t3(以最大减速度做匀减速直到本车和前速度度相等)行驶距离S_brake之和减去前车行驶距离L和安全停止距离d。

减速度上升阶段的时间为：

t_accup＝t2-t1＝t_accupmax

t1～t2的行驶距离为S_accup：

(3)恒定减速度制动阶段(t2～t3)：

计算公式为：

a_diff＝a_zhumax-a_qian

v_brake＝(a_zhumax×(v_qian-a_qian×(t_{driver_reaction}+t_accup))-a_qian×(v_zhu-0.5×a_zhumax×t_accup))/a_diff

其中，a_zhumax为本车最大减速度，a_qian为目标车的减速度，t_{driver_reaction}为驾驶员反应时间；v_brake为脱离速度，此时本车和前车的速度相等。

安全制动距离为：S＝S_{driver_reaction}+S_accup+S_brake-L-d

在启动制动时，根据安全制动距离和初始速度，确定理论制动曲线。

在制动阶段，控制加速度让本车速度不断趋近理论制动曲线(理论制动曲线)。以图3为例，我们已经知道理论制动曲线所对应的最佳刹车力度(在本实施例中为气刹制动系统的刹车占空比)，先使用最佳刹车力度作为初始值进行控制。在整个刹车过程，按一个固定检测周期(如50ms)进行数据更新，获取刹车的实时参数值，为此，将理论制动曲线按照检测周期进行离散化，即将整个刹车周期按照实际获取参数状态值的时间进行等分，如50ms为一次更新。实时更新实际速度，当实际速度小于理论速度，则以2*(实际速度-理论速度)/检测周期为减速度变化量，通过计算减速度变化量和实际减速度的比值为减速度变化率。可以通过期望减速度(减速度变化量和当前减速度之和)估算下一检测周期的刹车力度。在本实施例中，根据期望减速度(减速度变化量和当前减速度之和)及检测时间点索引刹车标定表，我们可以知道此时对应的刹车力度(刹车占空比)，在下一检测周期内以该刹车力度进行制动，以期在下一检测周期末的实际速度和理论速度趋同。

在本实施例中，为了使得控制更加平稳，不允许减速度直接发生突变，设置减速度变化率的阈值，每个检测周期减速度变化率只能以不大于阈值(该阈值一般小于5％，典型值可以设置为2％或3％)进行减速度的增加或者减少。

本发明还提出了一种基于变加速模型的紧急制动系统，所述紧急制动系统为气刹制动系统，所述气刹制动系统通过对刹车气泵的充气控制执行如上任一方案所述的基于变加速模型的紧急制动方法。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于变加速模型的紧急制动方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：建立紧急制动的变加速模型，在所述变加速模型中，包括驾驶员反应阶段，减速度由零到最大减速度的减速度上升制动阶段和在最大减速度下的恒定减速度阶段；所述驾驶员反应阶段的时间通过设置获得；所述减速度上升制动阶段的刹车力度和时间，通过标定的刹车力度-减速度-时间关系曲线获得；

步骤S2：输入本车速度、前车速度、前车加速度，根据所述变加速模型计算碰撞距离或碰撞时间；

步骤S3：当本车和前车的距离小于所述碰撞距离或所述碰撞时间小于设定阈值时，触发紧急制动，根据所述变加速模型生成理论制动曲线；

步骤S4：在所述驾驶员反应阶段内未收到驾驶员的人工干预时，执行自动紧急制动，进入所述减速度上升制动阶段；在整个紧急制动阶段，周期性地检测本车速度、前车速度和前车加速度，并将该阶段的某一时刻获得的实际速度和理论制动曲线上同时刻的理论速度进行比较；根据同时刻下的实际速度和理论速度，计算减速度变化量，并根据所述减速度变化量修正下一检测周期的刹车力度；以期在下一检测周期期末时的实际速度和理论速度趋同。

2.如权利要求1所述的基于变加速模型的紧急制动方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述减速度上升制动阶段的刹车力度和时间的获得方法为：通过标定的刹车力度-减速度-时间关系曲线，给出在不同刹车占空比下所述减速度上升制动阶段加速度由零增加到最大减速度的时间，即减速度上升制动阶段的时间。

3.如权利要求1所述的基于变加速模型的紧急制动方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述减速度变化量的计算公式为：减速度变化量＝2*(实际速度-理论速度)/检测周期，所述检测周期为两次速度采集的时间间隔。

4.如权利要求1所述的基于变加速模型的紧急制动方法，其特征在于，所述步骤S4中根据所述减速度变化量修正下一检测周期的刹车力度的方法为：

计算期望减速度，所述期望减速度为所述减速度变化量和实际减速度之和；

根据所述减速度变化量和实际减速度之和与检测时间点，索引刹车标定表，获得下一检测周期的刹车力度；所述刹车标定表为所述刹车力度-减速度-时间关系曲线的参数关系按时间进行取点生成。

5.如权利要求4所述的基于变加速模型的紧急制动方法，其特征在于，在所述方法中，还设置有减速度变化率阈值；所述减速度变化量和实际减速度的比值为减速度变化率，当所述减速度变化率的绝对值小于等于阈值时，期望减速度保持不变；当减速度变化率的绝对值大于阈值时，则在减速度变化率为负值时，按实际减速度*(1-阈值)更新期望减速度；或在减速度变化率为正值时，按实际减速度*(1+阈值)更新期望减速度。

6.如权利要求5所述的基于变加速模型的紧急制动方法，其特征在于，所述减速度变化率阈值的取值区间为0-5％之间。

7.如权利要求1所述的基于变加速模型的紧急制动方法，其特征在于，所述检测周期的取值范围25-50ms。

8.如权利要求1所述的基于变加速模型的紧急制动方法，其特征在于，所述刹车力度对应的参数为气动刹车系统的刹车占空比，所述刹车占空比用于调节所述气动刹车系统的刹车气泵充气的快慢。

9.一种基于变加速模型的紧急制动系统，其特征在于，所述紧急制动系统为气刹制动系统，所述气刹制动系统执行如权利要求1-8任一项所述的基于变加速模型的紧急制动方法。

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