本發(fā)明屬于車輛主動安全技術領域，具體涉及一種高速狀態(tài)下車輛緊急變道避撞的控制方法。

背景技術：

隨著世界范圍內汽車保有量的不斷增加，汽車交通事故發(fā)生起數的連年遞增，交通安全問題成為了現(xiàn)代社會的一大公害。據統(tǒng)計，在所有的交通事故中，汽車碰撞事故(包括車車碰撞和車與固定物碰撞)是主要形式，占交通事故的60％～70％。而汽車碰撞事故大多是由行車速度過快、行車間距過小、剎車不及時等因素造成。目前所研究的避撞控制系統(tǒng)大都采用緊急制動的方法，這種方式會增加安全距離，極大降低道路交通效率，并且受天氣環(huán)境影響較大。而在實際情況中，駕駛員更習慣于變道操作，因此改變遇到緊急情況就制動的“單一控制”，合理的規(guī)劃緊急變道軌跡，對于汽車主動安全系統(tǒng)開發(fā)中智能避障和主動變道都具有重要意義。汽車主動避撞系統(tǒng)能在事故發(fā)生前提醒駕駛員注意，并在緊急狀況下自動采取安全措施，可以有效減少汽車碰撞事故的發(fā)生。

目前存在一些主動避撞技術，在緊急狀況下通過動態(tài)性的干預，自動的啟動緊急制動和緊急變道避讓干預措施，但存在以下缺點，判斷避讓方向只是根據雷達檢測本車與前車，相鄰車道的車輛的車距，沒考慮自車與前車，相鄰車道車輛車速，加速度，所以檢測的內容較少，避讓路徑規(guī)劃不合理，同時在危險狀態(tài)下并不能保障車輛安全的最大限度的避撞。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種高速狀態(tài)下車輛緊急變道避撞的控制方法。

本發(fā)明的技術方案采用以下步驟：

步驟一，控制系統(tǒng)初始化，本車通過高清攝像頭獲取路面附著系數f，并傳輸給信息處理模塊；本車通過速度傳感器和加速度傳感器分別采集本車車速V和加速度a，并實時傳輸給存儲模塊和信息處理模塊；

步驟二，控制系統(tǒng)判斷本車車速V的大小，當V≥60km/h時，控制系統(tǒng)執(zhí)行步驟三，否則返回步驟一；

步驟三，GPS/INS和毫米波雷達根據存儲模塊中存有的本車車速V和加速度a，得出前車的速度V₁和加速度a₁，相鄰車道車輛的速度V_f、V_b和加速度a_f、a_b，并傳送給信息處理模塊；

步驟四，本車通過GPS/INS和毫米波雷達分別采集本車與前車車距S₁、本車與相鄰車道車輛的車距S_f和S_b，并傳送給信息處理模塊；

步驟五，毫米波雷達檢測到前方突然出現(xiàn)障礙物或者前方車輛突然減速時，信息處理模塊計算本車與前車的制動安全距離S_a，并比較本車與前車的車距S₁與制動安全距離S_a大小，從而判斷本車發(fā)生碰撞的緊急程度，采取相應的措施。

進一步，所述步驟五中判斷本車發(fā)生碰撞的緊急程度，采取相應的措施具體為：

當本車與前車車距S₁≥S_a時，信息處理模塊計算本車與前車的報警安全距離S_d，當本車與前車車距S₁≤S_d時，進行報警，并在儀表盤提示轉向信息，否則返回步驟二；

當本車與前車車距S₁＜S_a時，表明不能通過緊急剎車來避免事故，控制系統(tǒng)判斷本車的避讓方向，并通過儀表盤提示轉向信息；若駕駛員不執(zhí)行轉向或轉向過度，控制系統(tǒng)進行變道路徑規(guī)劃，然后啟動緊急變道避撞干預措施。

進一步，控制系統(tǒng)判斷本車的避讓方向具體為：①比較本車與左側車道前方車輛車距S_f和本車與左側車道前方車輛最小變道安全距離的大小，其中t為變道時長，S_m為靜態(tài)安全車距，f_μ為路面附著系數的權重因素；②比較本車與左側車道后方車輛車距S_b和本車與左側車道后方車輛最小變道安全距離的大?。划斍視r，本車可以進行向左側變道，車輛儀表盤提示變道信息，否則不能變道；本車采取最大的制動力進行減速，減少事故的嚴重程度；右側車道判斷方法同左側車道判斷方法。

進一步，緊急變道避撞干預措施具體為：緊急變道避撞干預措施包括制動干預和轉向干預，

制動干預系統(tǒng)包括制動控制器、電機驅動機構、加裝在制動踏板上的機械機構和加裝在油門踏板的機械機構，制動控制器采用傳統(tǒng)的PID算法來控制電機驅動機構，以此來拉動制動踏板和油門踏板，實現(xiàn)緊急變道前減速；

轉向干預系統(tǒng)包括轉向控制器、電機驅動機構和液壓驅動機構，轉向控制器通過模型控制算法輸入加速度模型來控制電機、液壓驅動機構，來實現(xiàn)轉向。

進一步，控制系統(tǒng)進行變道路徑規(guī)劃，具體為：

橫向加速度模型：其中a_y為變道過程中車輛的橫向加速度，y_e為車輛完成換道后橫向位移，T_d為變道持續(xù)時間參數，t為變道時長，T_R為駕駛員的反應時間，t_e為緊急變道所持續(xù)的時間；可得方向盤轉角：

其中δ_(t)為方向盤轉角，K為駕駛員變道過程中方向盤轉角峰值參數；將方向盤轉角輸入轉向控制器，實現(xiàn)車輛自動變道。

本發(fā)明能夠達到的效益：本發(fā)明通過相鄰車道車輛車速、加速度和車距來判斷變道方向，合理的規(guī)劃緊急變道軌跡，主動采取變道避撞干預措施，實現(xiàn)了危險預警、變道提示以及在不能通過緊急剎車來避免事故的情況下，進行緊急變道避撞，達到避免事故發(fā)生的目的，能夠最大限度減輕事故后果、減輕給道路使用者帶來的受傷風險。改變了遇到緊急情況時制動的“單一控制”，是對緊急制動系統(tǒng)在橫向動力干預方面的補充。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種高速狀態(tài)下車輛緊急變道避撞的控制系統(tǒng)的結構框圖；

圖2為本發(fā)明仿真的車輛及相鄰車道車輛的示意圖；

圖3為本發(fā)明一種高速狀態(tài)下車輛緊急變道避撞的控制方法流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式，對本發(fā)明的作進一步詳細說明。

如圖1所示，一種高速狀態(tài)下車輛緊急變道避撞的控制系統(tǒng),包括檢測單元，處理單元，報警單元和執(zhí)行單元；

所述檢測單元、處理單元、報警單元以及執(zhí)行單元依次相連；

所述檢測單元由GPS/INS、毫米波雷達、高清攝像頭、速度傳感器和加速度傳感器組成，毫米波雷達安裝在車輛的前、后端，高清攝像頭安裝在車輛前側大燈下方，速度傳感器安裝在變速器輸出軸上，加速度傳感器安裝在車身穩(wěn)定系統(tǒng)ESP里面；GPS/INS和毫米波雷達分別用于采集本車與前車車距S₁、本車與相鄰車道車輛的車距S_f和S_b；高清攝像頭、速度傳感器和加速度傳感器分別用于采集行駛路面附著系數f、本車車速V和加速度a，并傳送給處理單元；

所述處理單元由存儲模塊和信息處理模塊組成，分別用于存儲和處理檢測單元的數據，有效的識別出危險狀態(tài)，生成提示信息，判斷是否采取干預措施和規(guī)劃變道路徑；GPS/INS和毫米波雷達根據存儲模塊中存有的本車車速V和加速度a，得出前車的速度V₁和加速度a₁，相鄰車道車輛速度V_f和V_b，加速度a_f和a_b(如圖2所示)，并傳送給信息處理模塊；(相鄰車道只對左側車道進行判斷，實際情況中相鄰左右車道的判斷方法是一樣的，所以在此簡化就對一側車道進行詳細處理)；

所述報警單元包括語音提示模塊和車載終端，語音提示模塊采用ISD1730語音芯片，用于向駕駛員提供安全距離預警；車載終端在車輛儀表盤內，用于向駕駛員提供變道方向信息；

所述執(zhí)行模塊包括制動控制器和轉向控制器，根據決策信息在駕駛員緊急制動避免事故無望的情況下，采取主動變道避撞措施，或者在沒有條件避讓的情況下，采取最大限度制動力進行制動減速。

圖3所示是一種高速狀態(tài)下車輛緊急變道避撞的控制方法流程圖，包括步驟：

步驟一，控制系統(tǒng)初始化，本車通過高清攝像頭獲取路面附著系數f，并傳輸給信息處理模塊；本車通過速度傳感器和加速度傳感器分別采集本車車速V和加速度a，并實時傳輸給存儲模塊和信息處理模塊。

步驟二，控制系統(tǒng)判斷本車車速V的大小，當V≥60km/h時，控制系統(tǒng)執(zhí)行步驟三，否則返回步驟一。

步驟三，GPS/INS和毫米波雷達根據存儲模塊中存有的本車車速V和加速度a，得出前車的速度V₁和加速度a₁，相鄰車道車輛的速度V_f、V_b和加速度a_f、a_b，并傳送給信息處理模塊。

步驟四，本車通過GPS/INS和毫米波雷達分別采集本車與前車車距S₁、本車與相鄰車道車輛的車距S_f和S_b，并傳送給信息處理模塊。

步驟五，毫米波雷達檢測到前方突然出現(xiàn)障礙物或者前方車輛突然減速時，信息處理模塊計算本車與前車的制動安全距離S_a；

本車與前車的制動安全距離S_a的計算公式為：

其中：t_r為駕駛員反應時間，取值為0.75s；t_i為制動器反應時間，取值為0.15s；

比較本車與前車的車距S₁與制動安全距離S_a大小，從而判斷本車發(fā)生碰撞的緊急程度，采取相應的措施；

(1)當本車與前車車距S₁≥S_a時，信息處理模塊計算本車與前車的報警安全距離S_d，當本車與前車車距S₁≥S_d時，進行報警，并在儀表盤提示轉向信息，否則返回步驟二；

本車與前車的報警安全距離S_d的計算公式為：

S_d＝S_a+Vt_hmin (2)

其中t_hmin為駕駛員容許的最小時距；

(2)當本車與前車車距S₁≥S_a時，表明不能通過緊急剎車來避免事故，控制系統(tǒng)判斷本車的避讓方向，并通過儀表盤提示轉向信息；

控制系統(tǒng)判斷本車的避讓方向具體為：

本車與左側車道前方車輛避免碰撞的條件為：

X_Mf(t)≥X_m(t)+L_Mf+L_M cosθ (3)

其中X_Mf(t)為變道過程中左側車道前方車輛的位移、X_m(t)為變道過程中本車的位移，t為變道時長，L_Mf為車輛Mf自身的長度(圖2)，L_M為車輛M自身的長度(圖2)，θ為碰撞臨界點車輛M的航向角；

即本車的前部與左側車道前方車輛的尾部的縱向距離S_fr(t)為：

S_fr(t)＝X_Mf(t)-X_m(t)-L_Mf-L_M cosθ (4)

當t＝0時，S_fr(0)為變道前本車的前部與左側車道前方車輛的尾部的縱向距離；

結合車輛運動學基本知識，縱向距離S_fr(t)也可表示為：

當t＝0時，X_Mf(t)＝X_Mf(0)，X_m(t)＝X_m(0)，所以

S_fr(0)＝X_Mf(0)-X_m(0)-L_Mf-L_M cosθ＝Min(M，Mf)-L_Mf-L_Mcosθ (6)

只要S_fr(t)大于0，就不會發(fā)生任何形式的碰撞，將S_fr(0)代入S_fr(t)，得出本車與左側前方車輛的最小變道安全距離：

其中S_m為靜態(tài)安全車距，f_μ為路面附著系數的權重因素。

本車與左側車道后方車輛避免碰撞的條件為：

X_m(t)≥X_Mb(t)+L_Mb+L_M cosθ (8)

其中X_Mb(t)為變道過程中左側車道后方車輛的位移，L_Mb為車輛Mb自身的長度(圖2)；

即本車的尾部與左側車道后方車輛的前部的縱向距離S_br(t)為：

S_br(t)＝X_m(t)-X_Mb(t)-L_Mb-L_Mcosθ (9)

當t＝0時，S_br(0)為變道前本車的尾部與左側車道后方車輛的前部的縱向距離；

結合車輛運動學基本知識，縱向距離S_br(t)也可表示為：

當t＝0時，X_Mb(t)＝X_Mb(0)，X_m(t)＝X_m(0)，所以

S_br(0)＝X_m(0)-X_Mb(0)-L_Mb-L_M cosθ＝Min(M，Mb)-L_Mb-L_Mcosθ (11)

只要S_r(t)大于0，就不會發(fā)生任何形式的碰撞，將S_br(0)代入S_br(t)，得出本車與左側車道后方車輛的最小變道安全距離：

①比較本車與左側車道前方車輛車距S_f和本車與左側車道前方車輛最小變道安全距離的大小，②比較本車與左側車道后方車輛車距S_b和本車與左側車道后方車輛最小變道安全距離的大?。?/p>

當且時，本車可以進行向左側變道，車輛儀表盤提示變道信息，否則不能變道；本車采取最大的制動力進行減速，減少事故的嚴重程度；右側車道判斷方法同左側車道判斷方法。

若駕駛員不執(zhí)行轉向或轉向過度，控制系統(tǒng)進行變道路徑規(guī)劃，然后啟動緊急變道避撞干預措施。

控制系統(tǒng)進行變道路徑規(guī)劃，具體為：目前用于車輛最佳車道變換的數學模型有很多種：通過圓弧曲線、貝塞爾樣條曲線、考紐螺線或高次多項式擬合軌跡；利用正弦函數作為橫向向加速度函數模型，進行積分得到變道軌跡?；诰o急變道避撞的車道變換一般采用單移線的行駛軌跡，本發(fā)明采用基于正弦函數加速度模型的車道變換軌跡模型，假設車輛在車道變換操作之前沿直線行駛，初始的側向加速度、速度及側向位移都為零，并且在進行變換車道之前對縱向行駛速度進行了調整，則車輛的橫向加速度模型為：

其中a_y為變道過程中車輛的橫向加速度，y_e為車輛完成換道后橫向位移，T_d為變道持續(xù)時間參數，T_R為駕駛員的反應時間，t_e為緊急變道所持續(xù)的時間；

式(13)中為變道過程中最大的橫向加速度，即對應著方向盤轉角峰值K。

可得方向盤轉角：

其中δ_(t)為方向盤轉角，K為駕駛員變道過程中方向盤轉角峰值參數；

將方向盤轉角輸入轉向控制器，實現(xiàn)車輛自動變道。

緊急變道避撞干預措施具體為：緊急變道避撞干預措施包括制動干預和轉向干預，制動干預系統(tǒng)包含制動控制器，電機驅動機構，加裝在制動踏板上的機械機構和加裝在油門踏板的機械機構，制動控制器與信息處理單元相連，制動控制器采用傳統(tǒng)的PID算法來控制電機驅動機構，電機與加裝在制動踏板上的機械機構和加裝在油門踏板的機械機構相連，以此來拉動制動踏板和油門踏板，實現(xiàn)緊急變道前減速。轉向系統(tǒng)干預包含轉向控制器，電機驅動機構和液壓驅動機構，轉向控制器與信息處理單元相連，轉向機構包含轉向執(zhí)行機構和縱向執(zhí)行機構，電機驅動機構作為轉向的執(zhí)行機構，液壓驅動機構作為縱向執(zhí)行機構來助力轉向。轉向控制器通過模型控制算法輸入加速度模型來控制電機和液壓驅動機構，電機安裝在轉向機構上，液壓驅動機構安裝在液壓助力泵上。系統(tǒng)通過方向盤轉角的檢測可確定駕駛員的轉向操作是否到位(包括過度轉向)，制動控制器和轉向控制器施加能夠讓駕駛員感覺到的制動踏板力和方向盤轉向力。同時電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)(ESC)被啟動，以便使車輪在快速避讓機動過程中不離開路面，并通過有選擇性地和及早對個別車輪施加初始制動壓力來保持汽車穩(wěn)定，從而最終實現(xiàn)變道干預操作。

以上實施例僅用于說明本發(fā)明的設計思想和特點，其目的在于使本領域內的技術人員能夠了解本發(fā)明的內容并據以實施，本發(fā)明的保護范圍不限于上述實施例。所以，凡依據本發(fā)明所揭示的原理、設計思路所作的等同變化或修飾，均在本發(fā)明的保護范圍之內。