CN114162122B - 一种基于纵向安全的自动驾驶控制方法及车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于纵向安全的自动驾驶控制方法及车辆，属于自动驾驶车辆技术领域。控制方法包括以下步骤：获取本车车速、前车车速、以及本车和前车之间的实际距离；实际距离大于等于安全距离时执行：若本车车速小于前车车速，则按照标定的第一加速度进行加速；反之则计算本车按照标定的第二加速度减速至前车车速时行驶的计算距离，判断计算距离与距离差值的大小关系，若计算距离大于距离差值，则按照标定的第一加速度进行加速；若计算距离小于等于所述距离差值，则按照计算加速度进行加速。本发明通过实际距离和安全距离的大小关系，以及本车车速和前车车速的大小关系，选用不同的加速度控制策略，实现了安全性和舒适性的结合的自动驾驶控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于纵向安全的自动驾驶控制方法及车辆，属于自动驾驶车辆技术领域。
背景技术
自适应巡航控制系统(adaptive cruise control，简称ACC)包括纵向控制系统和横向控制系统，其广泛安装于现代车辆上，它不但具有传统的定速巡航功能，而且可以利用车载传感器感知前方的行驶环境，自动地调整车速，以保持一个安全的车间距行驶.通过代替驾驶员进行决策，汽车ACC系统不仅能减轻驾驶员的精神负担，而且能有效减少由于驾驶员的失误引起的交通事故，以及改善乘坐舒适性和交通流等。
目前ACC系统的控制设计主要采用分层结构，上层控制根据车载传感器检测到的前方行驶环境决定车辆的期望纵向加速度，下层控制通过控制相应的油门和刹车使得汽车最终表现出来的实际加速度和上层得到的期望加速度一致，而如何选取ACC的上层控制策略是实现ACC系统功能的关键。
现有的上层控制策略大多以安全性为主，将距离控制为主要目标，缺乏舒适性的考虑，在车辆跟车时，安全性和舒适性往往是相互矛盾的，过高的安全性意味着大的车辆减速度，这会造成乘客的不适；而过高的舒适性则会使车辆不能及时在危险工况下停车，而造成事故。为此，需要提出一种兼顾安全性和舒适性的基于纵向安全的自动驾驶控制的技术方案。
发明内容
本申请的目的在于提供一种基于纵向安全的自动驾驶控制方法及车辆，为兼顾安全性和舒适性的基于纵向安全的自动驾驶控制提出一种行之有效的技术方案。
为实现上述目的，本申请提出了一种基于纵向安全的自动驾驶控制方法的技术方案，包括以下跟车控制步骤：
1)获取本车车速、前车车速、以及本车和前车之间的实际距离；
2)若所述实际距离大于等于安全距离，则进入步骤3)；若所述实际距离小于安全距离，则进入步骤4)；
3)若本车车速小于前车车速，则控制本车按照标定的第一加速度进行加速；若本车车速大于等于前车车速，则计算本车按照标定的第二加速度减速至前车车速时行驶的计算距离，判断计算距离与距离差值的大小关系，所述距离差值为实际距离和安全距离的差值：
若所述计算距离大于所述距离差值，则控制本车按照标定的第一加速度进行加速；
若所述计算距离小于等于所述距离差值，则控制本车按照计算加速度进行加速；所述计算加速度根据前车车速、本车车速以及所述距离差值计算得到；
4)若本车车速小于等于前车车速，则控制本车在标定的第一时间内达到安全距离；若本车车速大于前车车速，则控制本车在标定的第二时间内达到安全距离。
另外，本申请还提出了一种车辆的技术方案，包括车辆本体和用于自动驾驶的控制器，所述控制器包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现上述基于纵向安全的自动驾驶控制方法的技术方案。
本发明的基于纵向安全的自动驾驶控制方法及车辆的技术方案的有益效果是：本发明标定的第一加速度、第二加速度、第一时间和第二时间均是考虑了乘客的舒适性和安全性，经过大量的实验标定出的，因此车辆在进行跟车控制的自动驾驶过程中，通过实际距离和安全距离的大小关系，以及本车车速和前车车速的大小关系，选用不同的加速度控制策略控制车辆的纵向速度控制，实现了安全性和舒适性的结合的自动驾驶控制。
进一步的，上述基于纵向安全的自动驾驶控制方法及车辆中，为了更加准确的获取安全距离，所述安全距离根据安全距离模型得到，所述安全距离模型为：
前车非静止状态时，Ssafe＝vht+s1；
前车静止状态时，Ssafe＝vht+s0；
其中，Ssafe为安全距离；vh为本车车速；t为本车的制动迟滞时间；s1为第一最小制动距离；s0为第二最小制动距离；s0≠s1，s0、s1根据本车的实际尺寸和制动效能确定。
进一步的，上述基于纵向安全的自动驾驶控制方法及车辆中，
其中，vh为本车车速；vf为前车车速；Ssafe为安全距离；s本车和前车之间的实际距离。
进一步的，上述基于纵向安全的自动驾驶控制方法及车辆中，
其中，vh为本车车速；vf为前车车速；Ssafe为安全距离；s本车和前车之间的实际距离；t1为标定的第一时间。
进一步的，上述基于纵向安全的自动驾驶控制方法及车辆中，
其中，vh为本车车速；vf为前车车速；Ssafe为安全距离；s本车和前车之间的实际距离；t2为标定的第二时间。
附图说明
图1是本发明基于纵向安全的自动驾驶控制方法中跟车控制的流程图；
图2是本发明安全距离模型的原理图；
图3是本发明基于纵向安全的自动驾驶控制方法中无引导车辆时的控制流程图；
图4是本发明用于自动驾驶的控制器的结构示意图。
具体实施方式
基于纵向安全的自动驾驶控制方法实施例：
基于纵向安全的自动驾驶控制方法的主要构思在于，根据大量的实验，结合车辆的安全距离标定了车辆舒适加速和舒适减速的加速度，以及舒适加速/减速所需要的时间，在不同情况下，利用加速度或者时间对车辆的车速进行控制。整个基于纵向安全的自动驾驶控制过程包括跟车控制过程和无引导车辆时车辆的控制过程。
跟车控制过程如图1所示，包括以下步骤：
1)根据安全距离模型确定车辆行驶时跟车状态下的安全距离Ssafe，并且标定车辆舒适的第一加速度ap、第二加速度am以及加速/减速的第一时间t1和第二时间t2。
标定的加速度中ap的值为正号，表明本车加速时的加速度；am的值为负号，表明本车减速时的加速度。加速度ap、am均为经过大量实验标定的较为舒适的加速度，可以减轻乘客的不适。在加速度ap、am无法保证安全的情况下，通过标定的时间t1、t2计算加速度，时间t1、t2也是以乘客舒适度为前提，根据大量的实验得到的参数，为保证安全，最大不超过碰撞时间TTC。图1中ades2为跟车控制时，车辆期望的加速度。
2)获取本车车速vh、前车车速vf以及本车与前车之间的实际距离s。
根据本车的雷达等传感器实时获取前车的速度和位置，进而计算出前车车速vf以及本车与前车之间的实际距离s；根据本车自身的速度传感器获取本车车速vh。
3)在s≥Ssafe的情况下，若vh＜vf，则ades2＝ap，按照第一加速度ap进行加速；若vh≥vf，则计算本车按照标定的第二加速度减速至前车车速时行驶的计算距离，即判断计算距离和距离差值s-Ssafe的大小关系，若/>则ades2＝ap，本车按照标定的第一加速度ap进行加速，若/>则按照计算加速度/>控制本车进行减速，直至前车速度与本车速度相同。
本步骤中，s≥Ssafe表明此时本车与前车之间的实际距离s大于或等于安全距离Ssafe，如果前车车速vf大于本车车速vh，表明前车车速较大，那么本车为了与前车车速相同，需要进行加速，按照设定的舒适的加速度ap进行加速；
如果前车车速vf小于等于本车车速vh，那么需要判断本车按照舒适的第二加速度am进行减速后，s和Ssafe的大小关系，若满足表明本车按照舒适的第二加速度am进行减速后两车之间的距离仍然大于安全距离，所以应当适当加速减小两车之间的距离，因此本车按照舒适的第一加速度ap进行加速；若不满足/>表明本车按照某个的加速度减速到vf＝vh时，s＝Ssafe，这里某个的加速度为/>
4)在s<Ssafe的情况下(即本车与前车之间的距离小于安全距离)，若vf≥vh，则本车在t1时间内达到安全距离，按照的加速度进行加速/减速，若vf＜vh，则本车在t2时间内达到安全距离，按照/>的加速度进行减速。
步骤4)中，vf＜vh的情况下，本车需要减速，拉开前车和本车的距离，达到安全距离；然而在vf≥vh的情况下，考虑人类驾驶员的驾驶习惯，在前车车速vf非常高时，本车不仅不会减速，根据实际情况，还会进行轻微加速，因此vf≥vh时为了在t1时间内达到安全距离，本车可能加速，也可能减速。
上述实施例中，Ssafe可以根据现有的安全距离模型进行确定，也可以根据本发明提出的安全距离模型进行确定，现有的安全距离模型首先设定车辆的最小制动距离s＇，进而结合各种其他因素计算得出安全距离Ssafe。现有的安全距离模型中最小制动距离s＇为一个定值，这对于大部分的情况下是可行的，但是在城市道路工况下，道路工况较为复杂，特定的最小制动距离s＇无法满足工况的需求，如果最小制动距离s＇过大，那么安全距离Ssafe也较大，造成城市道路两车之间的距离过大，浪费道路资源；如果最小制动距离s＇过小，那么安全距离Ssafe也较小，虽然该距离可以满足本车和前车之间的安全跟车行驶，但是当前车停止后，该安全距离无法满足本车的换道行驶要求。因此为了解决上述问题，本发明的安全距离模型中最小制动距离s＇是可变的，前车的不同状况对应不同的最小制动距离s＇，可以应对不同道路状况下的跟车需求。
具体的本发明的安全距离模型根据实际的车辆尺寸和制动效能来确定前车行驶(非静止状态)时的最小制动距离s＇＝s1和前车停止(静止状态)时的最小制动距离s＇＝s0，本发明的安全距离模型的原理如图2所示，包括以下步骤：
1)通过本车的雷达等传感器获取前车车速vf并进行存储，并通过本车自身的速度传感器获取本车车速vh；
2)通过当前的前车车速和历史的前车车速判断前车是否处于静止状态，若前车不是静止状态，那么Ssafe＝vht+s1；若前车是静止状态，考虑到本车可能换道的情形，那么Ssafe＝vht+s0；
其中，Ssafe为安全距离；vh为本车车速；t为本车的制动迟滞时间；s1为第一最小制动距离；s0为第二最小制动距离；s0≠s1，s0、s1根据本车的实际尺寸和制动效能确定。
上述实施例中，体现的为本车前方有车的跟车控制过程，那么如果前方无车，本车需要根据自身的设定车速vmax以及设定的速度差值vd(根据需要进行人为设定)对车辆的车速进行控制，并且标定了较小的加速度a0(a0的大小小于ap的大小，且a0的大小小于am的大小)，当a0为正时，表明加速，a0为负时，表明减速，控制过程如图3所示(图3中ades1为前方无车时，进行车速控制的期望加速度)，包括以下步骤：
1)通过本车自身的速度传感器获取本车车速vh；
2)比较本车车速vh与设定车速vmax的大小；
3)若vh≥vmax，则按照以下过程进行减速：
将本车车速vh与设定车速vmax作差得到速度差值|vmax-vh|；若|vmax-vh|≥vd，则ades1＝am，按照加速度am进行减速；若|vmax-vh|＜vd，则ades1＝a0，按照加速度a0(此时a0为负值)进行减速。
4)若vh＜vmax，则按照以下过程进行加速：
将本车车速vh与设定车速vmax作差得到速度差值|vmax-vh|；若|vmax-vh|≥vd，则ades1＝ap，按照加速度ap进行加速；若|vmax-vh|＜vd，则ades1＝a0，按照加速度a0(此时a0为正值)进行加速。
本发明的重点在于跟车控制过程，因此关于前方无引导车辆的控制过程，也可以没有，本发明对此不做限制。
本发明在跟车控制时通过实际距离和安全距离的大小关系，以及本车车速和前车车速的大小关系，选用不同的加速度控制策略；在无引导车辆时，根据本车车速和设定车速的大小，以及速度差值和设定的速度差值的大小关系，选用不同的加速度控制策略，实现了安全性和舒适性的结合的自动驾驶控制。
车辆实施例：
车辆包括车辆本体、雷达、速度传感器和用于自动驾驶的控制器，控制器如图4所示，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现基于纵向安全的自动驾驶控制方法。
基于纵向安全的自动驾驶控制方法的具体实施过程以及效果在上述基于纵向安全的自动驾驶控制方法实施例中介绍，这里不做赘述。
也就是说，以上基于纵向安全的自动驾驶控制方法实施例中的方法应理解可由计算机程序指令实现基于纵向安全的自动驾驶控制方法的流程。可提供这些计算机程序指令到处理器(如通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备等)，使得通过处理器执行这些指令产生用于实现上述方法流程所指定的功能。
本实施例所指的处理器是指微处理器MCU或可编程逻辑器件FPGA等的处理装置；
本实施例所指的存储器用于存储实现基于纵向安全的自动驾驶控制方法而形成的计算机程序指令，包括用于存储信息的物理装置，通常是将信息数字化后再以利用电、磁或者光学等方式的媒体加以存储。例如：利用电能方式存储信息的各式存储器，RAM、ROM等；利用磁能方式存储信息的的各式存储器，硬盘、软盘、磁带、磁芯存储器、磁泡存储器、U盘；利用光学方式存储信息的各式存储器，CD或DVD。当然，还有其他方式的存储器，例如量子存储器、石墨烯存储器等等。
通过上述存储有实现基于纵向安全的自动驾驶控制方法而形成的计算机程序指令的存储器、处理器构成的控制器，在计算机中由处理器执行相应的程序指令来实现，计算机可使用windows操作系统、linux系统、或其他，例如使用android、iOS系统程序设计语言在智能终端实现，以及基于量子计算机的处理逻辑实现等。
作为其他实施方式，控制器还可以包括其他的处理硬件，如数据库或多级缓存、GPU等，本发明并不对控制器的结构做具体的限定。
Claims (6)
1.一种基于纵向安全的自动驾驶控制方法，其特征在于，包括以下跟车控制步骤：
1)获取本车车速、前车车速、以及本车和前车之间的实际距离；
2)若所述实际距离大于等于安全距离，则进入步骤3)；若所述实际距离小于安全距离，则进入步骤4)；
3)若本车车速小于前车车速，则控制本车按照标定的第一加速度进行加速；若本车车速大于等于前车车速，则计算本车按照标定的第二加速度减速至前车车速时行驶的计算距离，判断计算距离与距离差值的大小关系，所述距离差值为实际距离和安全距离的差值，所述第一加速度和第二加速度为考虑用户舒适性和安全性的经过实验标定的加速度：
若所述计算距离大于所述距离差值，则控制本车按照标定的第一加速度进行加速；
若所述计算距离小于等于所述距离差值，则控制本车按照计算加速度进行加速；所述计算加速度根据前车车速、本车车速以及所述距离差值计算得到；
4)若本车车速小于等于前车车速，则控制本车在标定的第一时间内达到安全距离；若本车车速大于前车车速，则控制本车在标定的第二时间内达到安全距离，所述第一时间和第二时间是以乘客舒适性为前提，根据实验得到的参数，不超过碰撞时间。
2.根据权利要求1所述的基于纵向安全的自动驾驶控制方法，其特征在于，所述安全距离根据安全距离模型得到，所述安全距离模型为：
前车非静止状态时，Ssafe＝vht+s1；
前车静止状态时，Ssafe＝vht+s0；
其中，Ssafe为安全距离；vh为本车车速；t为本车的制动迟滞时间；s1为第一最小制动距离；s0为第二最小制动距离；s0≠s1，s0、s1根据本车的实际尺寸和制动效能确定。
3.根据权利要求1所述的基于纵向安全的自动驾驶控制方法，其特征在于，所述
其中，vh为本车车速；vf为前车车速；Ssafe为安全距离；s本车和前车之间的实际距离。
4.根据权利要求1所述的基于纵向安全的自动驾驶控制方法，其特征在于，控制本车在标定的
其中，vh为本车车速；vf为前车车速；Ssafe为安全距离；s本车和前车之间的实际距离；t1为标定的第一时间。
5.根据权利要求1所述的基于纵向安全的自动驾驶控制方法，其特征在于，控制本车在标定的
其中，vh为本车车速；vf为前车车速；Ssafe为安全距离；s本车和前车之间的实际距离；t2为标定的第二时间。
6.一种车辆，包括车辆本体和用于自动驾驶的控制器，其特征在于，所述控制器包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现如权利要求1-5中任一项所述的基于纵向安全的自动驾驶控制方法。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 基于模型预测控制的车辆纵向跟车模型分析;钟豪;贾瑞雪;;汽车工程师(第05期);全文 * |
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