CN116946137A - 一种基于驾驶意图的车路协同智能车辆换道防碰撞系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于驾驶意图的车路协同智能车辆换道防碰撞系统，属于交通信息化领域。该系统包含感知数据采集模块、碰撞识别决策模块、变道轨迹规划模块和防撞控制执行模块。防撞控制执行模块根据相应的运动控制方法，精确控制车辆的制动压力和前轮转角，实现车辆的防碰撞功能。本发明针对单车智能感知能力局限性以及车辆行驶过程中防碰撞模式单一性的问题，通过充分利用车路协同系统V2X车联网通信的准确性与广域性进行感知，基于驾驶员行驶意图，并结合安全距离碰撞识别决策方法和紧急变道轨迹规划方法，在车路协同技术框架下能有效减少碰撞风险，提高驾乘人员的安全性。
Description
技术领域
本发明属于交通信息化领域，涉及一种基于驾驶意图的车路协同智能车辆换道防碰撞系统。
背景技术
车辆防碰撞技术是智能车辆为了减少交通事故的发生的一项主动安全关键技术，能够在事故发生前使车辆自动作出避障行为以此来降低交通事故发生概率，从而保证驾乘人员的安全的同时提高交通效率。为了减少交通事故的发生，越来越多的汽车智能安全系统被广大车企和科技公司研发然后逐渐应用在汽车之中，如前向碰撞预警系统、自动紧急制动系统和自动紧急避撞系统等先进驾驶辅助系统，这些系统可在驾驶过程中增加安全保障。前向碰撞预警系统通过汽车前端安装的毫米波雷达或者单目/双目摄像头，实时检测前方数十米范围内的障碍物和车辆目标。系统利用图像处理、目标识别以及目标跟踪算法，监控前方目标的存在以及与本车的距离。当系统判断前方存在碰撞风险时，会进行多级预警，第一级通过声光报警提醒驾驶员注意，第二级可能结合车载安全系统准备提前减速或制动干预。自动紧急制动系统在判断发生碰撞难以避免的情况下，会自动对汽车进行强力制动，降低碰撞速度以减少伤害。系统根据目标距离、速度参数实时计算，在一定时间阈值内自动触发制动，过程中可能结合ABS防抱死系统保证制动稳定性。自动紧急避撞系统会在即将发生碰撞的情况下，自动控制方向盘让车辆避开障碍物，系统要综合判断避撞路径的可行性及安全性，自动规划并控制车辆自动选定的路径避开碰撞目标。
当前的车辆防碰撞系统主要依靠自身传感器进行环境感知，单车智能系统由于自身视野范围和感知能力有限，无法获知周边全面的交通环境信息，也难以准确判断其他车辆的运动状态和行驶意图。这就导致在复杂动态交通环境下，单车系统很难进行正确的碰撞风险判断，其防碰撞效果存在明显的局限性。同时，单车系统无法提前感知到更远处的危险因素，只能在最后时刻做出反应，导致防碰撞反应时滞后的问题。这将大大减弱车辆的主动避碰能力。此外，现有的车辆防碰撞系统在避撞方式上也较为单一，通常只依赖制动减速或紧急转向这种被动制动避撞方式。这种模式缺乏对制动和转向系统的协同优化，无法实现精确控制车辆运动状态，避免车辆碰撞的效果有限。
随着新一代信息通讯技术的发展，车路协同技术成为交通安全系统逐步智能化的新契机。高效实用的V2X通信系统使车辆与路侧系统和其他车辆之间得以实现稳定的信息交互，可以提升单车系统感知的范围，实现更主动、全面的防碰撞策略。智能车辆安全行驶必然需要全面的交通环境信息，作为交通要素的车辆既可感知环境，也可发送交通信息，这种双重角色可快速汇集多维交通数据，并及时感知路面异常。这种多源信息融合是智能网联汽车发展趋势，这可实现更安全有效的交通资源利用、降低运行成本、提高智能交通系统行驶安全性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于驾驶意图的车路协同智能车辆换道防碰撞系统。充分利用V2X车联网通信技术，获取全面的交通环境信息，以及周围车辆的运动状态信息和驾驶意图，以此计算主车与前车的安全距离，根据碰撞威胁距离进行预警提示、紧急制动或紧急变道的最佳防撞方式决策，并对车辆行驶轨迹进行轨迹规划和控制，降低车辆行驶过程中发生碰撞的危险，提高驾乘人员的安全性。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于驾驶意图的车路协同智能车辆换道防碰撞系统，该系统包括感知数据采集模块、决策规划子系统和防撞控制执行模块；
所述感知数据采集模块利用包括雷达、摄像头、GPS+IMU和陀螺仪在内的车载传感器获取车辆自身运动状态信息和道路信息，利用V2X车联网通信获取周围车辆运动状态信息和路况信息，采用多源数据融合感知机制先对冗余信息进行过滤处理，再对不同源的同类消息进行融合处理和实时更新，实现车辆对道路行车环境的精确感知；最终获取车辆和障碍物的位置、速度、加速度、航向角、道路状况、天气情况和交通流情况信息；
所述决策规划子系统包括碰撞识别决策模块和变道轨迹规划模块，用于将感知数据采集模块采集到的信息进行实时计算和分析，对碰撞场景进行识别和预警，并根据碰撞威胁程度采用最佳的防撞方式决策和车辆紧急避撞轨迹规划；
所述碰撞识别决策模块综合考虑主车与周围车辆的位置、速度、加速度、制动加速度、路面附着系数、驾驶员反应时间和驾驶意图，基于安全距离碰撞识别决策模型对碰撞场景进行识别，并进行预警提示、紧急制动和紧急变道的最佳避撞方式决策；
所述变道轨迹规划模块首先根据周围车辆的驾驶意图和运动状态信息对其车辆行驶轨迹进行预测，然后考虑主车无碰撞、动力学和舒适性的约束条件，生成一条最优的安全无碰撞变道轨迹，车载终端再将该变道轨迹数据发送给周围车辆，提示周围车辆保持足够的安全距离；
所述防撞控制执行模块接收避撞决策指令后，对车辆进行避撞行驶控制和语音控制，系统将轨迹跟踪控制解耦为纵向速度控制和横向位移控制，并基于滑膜控制算法实现对车辆的纵向速度和横向位移的跟踪控制，从而跟踪避撞决策方案中的目标轨迹。
可选的，所述安全距离碰撞识别决策模型将主车与周围车辆的位置、速度、加速度、路面附着系数和驾驶员反应时间，用于计算主车的预警安全车距dw、纵向制动避撞安全车距dbr和横向变道避撞安全车距dc，其中 最后根据主车与周围车辆之间的不同安全距离威胁程度进行预警提示、紧急制动和紧急变道的最佳避撞方式决策；
针对智能车辆换道过程中与周围车辆缺乏交互性的问题，设计提出基于驾驶意图的协同换道模型，车辆之间通过V2X车联网通信实现双方车辆运动状态信息和驾驶意图的实时协同共享，当主车有换道意图时，首先根据周围车辆的运动状态信息和驾驶意图对其行驶轨迹进行预测，然后主车通过换道轨迹规划方法进行变道轨迹规划，当主车与周围车辆的轨迹存在冲突时，说明存在碰撞风险，主车选择车道保持并减速避让，当行驶轨迹不存在冲突时，主车向周围车辆发送变道驾驶意图和变道轨迹数据，提示周围车辆保持足够的安全距离，从而减少车辆变道行驶过程中发生碰撞的危险性，提高了道路车辆行驶安全性和交通效率。
可选的，所述换道轨迹规划方法为：首先根据周围车辆的驾驶意图和车辆状态信息进行轨迹预测，以车辆运动学/动力学和舒适性为约束条件，结合五次多项式设计得到精确的换道轨迹曲线表达式为其中y(x)表示车辆横向位移，yi表示车辆换道结束时所需的横向位移，x表示纵向位移，xi表示车辆换道结束时所需的纵向位移。
可选的，所述基于滑膜控制算法实现对车辆的纵向速度和横向位移的跟踪控制具体为：通过控制车辆的速度和横摆角速度来确保车辆跟踪误差最小，采用的滑膜控制器切换函数为其中xe为横向误差、ye为纵向误差、φe为方位角误差，并将根据控制规律将期望的车速和横摆角速度转化为汽车扭矩和方向盘转角，保证车辆换道轨迹始终沿着规划好的路线进行；其中，汽车扭矩/>方向盘转角/> 式中R为车轮半径，f为摩擦系数，m为车辆质量，g为引力常数，CD为空气阻力系数，A为车辆的正面面积，ρ为空气的密度，ν为车速，δsw为方向盘角度，L为轴距，a和b分别为车辆质心到前后轴的距离，kr和kf分别为前轮和后轮的转弯刚度。
本发明的有益效果在于：本发明针对现有车辆防碰撞技术存在的问题，即单车智能感知范围受限，以及防碰撞模式较为单一，无法针对复杂环境进行有效避撞控制，提出一种基于驾驶意图的车路协同智能车辆换道防碰撞方法与系统。该系统充分利用车路协同系统V2X通信的实时性、准确性和广域性提升车辆的环境感知能力和车车交互能力。通过汇集车辆本地感知信息及其他车辆运动状态信息和行驶意图，结合安全距离碰撞判断策略，进行精确的碰撞风险预测，并依托紧急换道规划轨迹及跟踪控制算法，实现从提示驾驶员到自动制动再到制动与转向协同的多级联动避撞控制。这克服了单一制动避撞方式的距离和稳定性局限，弥补了单车感知和决策的不足。在车路协同框架下，系统结合V2X通信与协同控制的优势，实现对复杂交通环境的主动感知，并进行车辆行驶状态的协调控制，有效减少事故风险，提高了驾乘人员的安全性。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明的系统整体结构框架图；
图2为本发明的车辆紧急避撞场景示意图；
图3为本发明的碰撞识别避撞行为决策流程图；
图4为本发明的车辆紧急变道轨迹规划流程图；
图5为本发明的避撞轨迹跟踪控制系统整体框架图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1所示，一种基于驾驶意图的车路协同智能车辆换道防碰撞系统，主要包括4个模块：感知数据采集模块、碰撞识别决策模块、变道轨迹规划模块和防撞控制执行模块。
感知数据采集模块负责利用包括雷达、摄像头、GPS+IMU和陀螺仪等在内的车载传感器获取车辆自身运动状态信息和道路信息，利用V2X车联网通信获取周围车辆运动状态信息和路况信息，采用多源数据融合感知机制先对冗余信息进行过滤处理，再对不同源的同类消息进行融合处理和实时更新，实现车辆对道路行车环境的精确感知。最终获取车辆和障碍物的位置、速度、加速度、航向角、道路状况、天气情况和交通流情况等信息。
碰撞识别决策模块负责综合考虑主车与周围车辆的位置、速度、加速度、制动加速度、路面附着系数、驾驶员反应时间和驾驶意图，基于安全距离碰撞识别决策模型对碰撞场景进行识别，并进行预警提示、紧急制动和紧急变道的最佳避撞方式决策。
变道轨迹规划模块负责根据周围车辆的驾驶意图和运动状态信息对其车辆行驶轨迹进行预测，综合考虑主车无碰撞、动力学和舒适性等约束条件，生成一条最优的安全无碰撞变道轨迹，车载终端再将该变道轨迹数据发送给周围车辆，提示周围车辆保持足够的安全距离，为主车提供足够的安全变道空间。
防撞控制执行模块负责根据接收到的避撞决策指令，对车辆进行避撞行驶控制和语音控制，系统将轨迹跟踪控制解耦为纵向速度控制和横向位移控制，并基于滑膜控制算法实现对车辆的纵向速度和横向位移的精确跟踪控制，从而准确跟踪避撞决策方案中的目标轨迹，实现对车辆的安全避撞控制。
如图2和图3所示，分别为车辆紧急避撞场景示意图和碰撞识别避撞行为决策流程图。当车辆正常行驶在道路上时，车载终端通过车身传感器和车路协同系统下的V2X车联网通信获取主车和周围车辆的运动状态信息，并根据主车car1与前车car2的位置、速度、加速度、路面附着系数和驾驶员反应时间等参数，计算主车与前车的预警安全车距dw、纵向制动避撞安全车距dbr和横向变道避撞安全车距dc。其中预警安全车距dw＝vt1+vrelt2+纵向制动避撞安全车距/>横向变道避撞安全车距/>其中v为主车车速，vrel为车辆相对车速，t1为驾驶员反应时间，t2为系统延迟时间，a为两车中的较大制动减速度，amax为主车的最大制动减速度，f(μ)为路面附着系数标定函数。
当系统计算得到主车与前车的车距大于预警安全车距时，车辆可以继续正常行驶；当主车与前车的车距小于预警安全车距时，系统通过发送预警提示指令，控制语音系统提示驾驶员减速行驶；当车距进一步缩小，主车与前车的车距大于制动车距时，系统采用纵向主动制动介入控制车辆避撞；当主车与前车的车距小于制动车距并且满足变道条件时，系统采用横向转向变道实现避撞；当不满足变道条件时，系统判断主车的碰撞已无可避免，采用主动制动进行预碰撞，以最大减速度降低车速，尽可能的减轻碰撞对乘车人员的损伤。综上，系统根据主车与前车的不同安全距离进行预警提示、紧急制动和紧急变道的最佳避撞方式决策，提高车辆避撞系统避撞模式的合理性。
如图4所示，车辆紧急变道轨迹规划流程图。当系统的碰撞识别决策模块发送横向变道避撞指令时，变道轨迹规划模块根据主车和前车的运动状态信息，采用具有路径求解速度快、路径曲率连续和可结合优化算法约束条件的五次多项式曲线插值轨迹规划方法生产避撞轨迹曲线簇，其中五次多项式换道轨迹曲线表达式为其中y(x)表示车辆横向位移，yi表示车辆换道结束时所需的横向位移，x表示纵向位移，xi表示车辆换道结束时所需的纵向位移。
智能车辆之间通过V2X车联网通信实现双方车辆运动状态信息和驾驶意图的实时协同共享，系统根据周围车辆的运动状态信息和驾驶意图预测行驶轨迹曲线，通过无碰撞和车辆动力学约束条件筛选主车的最优变道避撞轨迹。当主车紧急变道轨迹与预测的旁车运动轨迹不存在冲突的时候，车辆满足变道避撞条件，控制系统控制车辆跟踪变道轨迹实现横向变道避撞，并将主车的变道意图和变道轨迹数据发送给周围车辆，提示周围车辆减速避让，防止发生碰撞。当主车紧急变道轨迹与预测的旁车运动轨迹不存在冲突的时候，车辆不满足变道避撞条件，系统判断主车的碰撞已无可避免，控制系统控制车辆采用主动紧急制动进行预碰撞，以最大减速度降低车速，尽可能的减轻碰撞对乘车人员的损伤，并将急减速预警消息发送给后方车辆，提示后方车辆减速行驶，防止发生追尾事故。
防撞控制执行模块负责接收避撞决策指令并对车辆进行相应的控制。当控制系统收到语音预警提示指令时，系统控制车辆的语音系统对驾驶者进行车距过近的碰撞预警提示。如图5所示，避撞轨迹跟踪控制系统整体框架图，当控制系统收到纵向制动避撞指令时，滑膜控制器根据规划层的参考速度信息主动对车辆的制动压力和节气门开度进行纵向速度控制，主动降速实现车辆制动避撞。当控制系统收到横向变道避撞指令时，滑膜控制器接收来自规划层的变道避撞路径信息，包含路径点位置、速度、道路曲率和车辆航向角，并通过状态误差计算出制动压力、节气门开度和前轮转角作为控制输入，对车辆进行纵向和横向结合控制，被控车辆实时反馈车辆状态信息，以此形成闭环控制，确保车辆能够沿着预定的变道避撞路径运动，实现车辆紧急变道避撞。
系统所采用的滑膜控制方法是一种非线性控制策略，它具有响应速度快、抗扰能力强的特点，非常适合对车辆紧急避撞起到快速有效的控制作用。本发明中所具体的采用的滑膜控制器切换函数为其中xe为横向误差、ye为纵向误差、ve为方位角误差，并将根据控制规律将期望的车速和横摆角速度转化为汽车扭矩和方向盘转角，保证车辆换道轨迹始终沿着规划好的路线进行。其中，汽车扭矩方向盘转角/>式中R为车轮半径，f为摩擦系数，m为车辆质量，g为引力常数，CD为空气阻力系数，A为车辆的正面面积，ρ为空气的密度，v为车速，δsw为方向盘角度，L为轴距，a和b分别为车辆质心到前后轴的距离，kr和kf分别为前轮和后轮的转弯刚度。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种基于驾驶意图的车路协同智能车辆换道防碰撞系统，其特征在于：该系统包括感知数据采集模块、决策规划子系统和防撞控制执行模块；
所述感知数据采集模块利用包括雷达、摄像头、GPS+IMU和陀螺仪在内的车载传感器获取车辆自身运动状态信息和道路信息，利用V2X车联网通信获取周围车辆运动状态信息和路况信息，采用多源数据融合感知机制先对冗余信息进行过滤处理，再对不同源的同类消息进行融合处理和实时更新，实现车辆对道路行车环境的精确感知；最终获取车辆和障碍物的位置、速度、加速度、航向角、道路状况、天气情况和交通流情况信息；
所述决策规划子系统包括碰撞识别决策模块和变道轨迹规划模块，用于将感知数据采集模块采集到的信息进行实时计算和分析，对碰撞场景进行识别和预警，并根据碰撞威胁程度采用最佳的防撞方式决策和车辆紧急避撞轨迹规划；
所述碰撞识别决策模块综合考虑主车与周围车辆的位置、速度、加速度、制动加速度、路面附着系数、驾驶员反应时间和驾驶意图，基于安全距离碰撞识别决策模型对碰撞场景进行识别，并进行预警提示、紧急制动和紧急变道的最佳避撞方式决策；
所述变道轨迹规划模块首先根据周围车辆的驾驶意图和运动状态信息对其车辆行驶轨迹进行预测，然后考虑主车无碰撞、动力学和舒适性的约束条件，生成一条最优的安全无碰撞变道轨迹，车载终端再将该变道轨迹数据发送给周围车辆，提示周围车辆保持足够的安全距离；
所述防撞控制执行模块接收避撞决策指令后，对车辆进行避撞行驶控制和语音控制，系统将轨迹跟踪控制解耦为纵向速度控制和横向位移控制，并基于滑膜控制算法实现对车辆的纵向速度和横向位移的跟踪控制，从而跟踪避撞决策方案中的目标轨迹。
2.根据权利要求1所述的一种基于驾驶意图的车路协同智能车辆换道防碰撞系统，其特征在于：所述安全距离碰撞识别决策模型将主车与周围车辆的位置、速度、加速度、路面附着系数和驾驶员反应时间，用于计算主车的预警安全车距dw、纵向制动避撞安全车距dbr和横向变道避撞安全车距dc，其中 最后根据主车与周围车辆之间的不同安全距离威胁程度进行预警提示、紧急制动和紧急变道的最佳避撞方式决策；
针对智能车辆换道过程中与周围车辆缺乏交互性的问题，设计提出基于驾驶意图的协同换道模型，车辆之间通过V2X车联网通信实现双方车辆运动状态信息和驾驶意图的实时协同共享，当主车有换道意图时，首先根据周围车辆的运动状态信息和驾驶意图对其行驶轨迹进行预测，然后主车通过换道轨迹规划方法进行变道轨迹规划，当主车与周围车辆的轨迹存在冲突时，说明存在碰撞风险，主车选择车道保持并减速避让，当行驶轨迹不存在冲突时，主车向周围车辆发送变道驾驶意图和变道轨迹数据，提示周围车辆保持足够的安全距离，从而减少车辆变道行驶过程中发生碰撞的危险性，提高了道路车辆行驶安全性和交通效率。
3.根据权利要求1所述的一种基于驾驶意图的车路协同智能车辆换道防碰撞系统，其特征在于：所述换道轨迹规划方法为：首先根据周围车辆的驾驶意图和车辆状态信息进行轨迹预测，以车辆运动学/动力学和舒适性为约束条件，结合五次多项式设计得到精确的换道轨迹曲线表达式为其中y(x)表示车辆横向位移，yi表示车辆换道结束时所需的横向位移，x表示纵向位移，xi表示车辆换道结束时所需的纵向位移。
4.根据权利要求1所述的一种基于驾驶意图的车路协同智能车辆换道防碰撞系统，其特征在于：所述基于滑膜控制算法实现对车辆的纵向速度和横向位移的跟踪控制具体为：通过控制车辆的速度和横摆角速度来确保车辆跟踪误差最小，采用的滑膜控制器切换函数为 其中xe为横向误差、ye为纵向误差、φe为方位角误差，并将根据控制规律将期望的车速和横摆角速度转化为汽车扭矩和方向盘转角，保证车辆换道轨迹始终沿着规划好的路线进行；其中，汽车扭矩/>方向盘转角 式中R为车轮半径，f为摩擦系数，m为车辆质量，g为引力常数，CD为空气阻力系数，A为车辆的正面面积，ρ为空气的密度，ν为车速，δsw为方向盘角度，L为轴距，a和b分别为车辆质心到前后轴的距离，kr和kf分别为前轮和后轮的转弯刚度。
Priority Applications (1)
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| CN202310998815.2A CN116946137A (zh) | 2023-08-09 | 2023-08-09 | 一种基于驾驶意图的车路协同智能车辆换道防碰撞系统 |
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Cited By (1)
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| CN117499458A (zh) * | 2024-01-02 | 2024-02-02 | 深圳市伟创高科电子有限公司 | 一种远程控制车辆分享解锁方法及系统 |
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2023
- 2023-08-09 CN CN202310998815.2A patent/CN116946137A/zh active Pending
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| CN117499458A (zh) * | 2024-01-02 | 2024-02-02 | 深圳市伟创高科电子有限公司 | 一种远程控制车辆分享解锁方法及系统 |
| CN117499458B (zh) * | 2024-01-02 | 2024-03-22 | 深圳市伟创高科电子有限公司 | 一种远程控制车辆分享解锁方法及系统 |
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