本發(fā)明屬于車輛主動(dòng)安全領(lǐng)域，具體涉及一種基于電動(dòng)汽車的主動(dòng)防碰撞系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

隨著汽車保有量的增加，在推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也給我們帶來(lái)了很多的社會(huì)問(wèn)題，如空氣污染和交通事故，尤其是交通事故頻發(fā)，帶來(lái)了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

基于電動(dòng)汽車的主動(dòng)防碰撞系統(tǒng)已經(jīng)成為解決此問(wèn)題的重要方法，但現(xiàn)有防碰撞系統(tǒng)使用的制動(dòng)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的拉線式或電機(jī)驅(qū)動(dòng)式，其響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，腳感差；此外大部分應(yīng)用中對(duì)安全距離模型未考慮路面變化情況，從而導(dǎo)致其防碰撞的可靠性差，這些缺陷都極大地?fù)p害防碰撞系統(tǒng)的推廣。

在已公布專利【CN106004671A】中公開了一種交叉路口車輛防碰撞系統(tǒng)及防碰撞方法，該系統(tǒng)采用主、從毫米波雷達(dá)以及1個(gè)單目攝像頭作為目標(biāo)采集系統(tǒng)，雖然可以在一定程度上提高檢測(cè)精度，但其成本較高，而且對(duì)于融合算法、制動(dòng)系構(gòu)成、控制策略等均未說(shuō)明；在已公布專利【CN104276078A】中公開了一種基于前向防碰撞系統(tǒng)的汽車防追尾裝置，該系統(tǒng)采用碰撞時(shí)間TTC法，雖然計(jì)算簡(jiǎn)單，但其模型精度不高，未考慮路面情況，可靠性差，此外僅能預(yù)警而不能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)制動(dòng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于電動(dòng)汽車的主動(dòng)防碰撞系統(tǒng)及其控制方法，在結(jié)構(gòu)上采用電控液壓制動(dòng)取代現(xiàn)有技術(shù)中電控機(jī)械制動(dòng)，采用固態(tài)激光雷達(dá)和視覺傳感器檢測(cè)前方環(huán)境，在算法上采用固態(tài)激光雷達(dá)與視覺傳感器信息融合方法進(jìn)行目標(biāo)辨識(shí)，利用貝葉斯定理估計(jì)當(dāng)前時(shí)刻的路面附著系數(shù)，從而極大地提高防碰撞系統(tǒng)辨識(shí)的精確性、可靠性和實(shí)時(shí)性，有效提高了行駛安全性。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種基于電動(dòng)汽車的主動(dòng)防碰撞系統(tǒng)，其包括：人機(jī)接口單元、信息采集單元、中央處理單元和執(zhí)行單元。

所述的人機(jī)接口單元包括一控制面板，布置于駕駛室中控臺(tái)；

所述信息采集單元包括激光雷達(dá)和視覺傳感器，激光雷達(dá)隱藏布置于汽車正前部散熱柵中部，視覺傳感器安裝于駕駛室內(nèi)前風(fēng)擋玻璃上方中央處，激光雷達(dá)和視覺傳感器與中央處理單元通過(guò)車載總線通信；

所述的中央處理單元包括數(shù)據(jù)處理模塊、控制策略模塊和故障診斷模塊，數(shù)據(jù)處理模塊通過(guò)車載總線接收信息采集單元的輸出，經(jīng)處理后通過(guò)車載總線傳輸給控制策略模塊、控制策略模塊同時(shí)通過(guò)車載總線獲取故障診斷模塊的結(jié)果，并發(fā)出控制信號(hào)給執(zhí)行單元；

所述執(zhí)行單元包括電磁閥總成，電磁閥總成通過(guò)液壓管路連接制動(dòng)主缸和四個(gè)制動(dòng)輪缸。

其中，控制面板上布置有預(yù)警嗡鳴器、故障指示燈和控制開關(guān)，包括制動(dòng)控制開關(guān)、預(yù)警控制開關(guān)、電源控制開關(guān)。

其中，激光雷達(dá)為一固態(tài)激光雷達(dá)，其布置位置為散熱柵中央處。

其中，數(shù)據(jù)處理模塊連接包括轉(zhuǎn)向信號(hào)采集電路、控制開關(guān)信號(hào)采集電路。

其中，電磁閥總成包括電磁閥驅(qū)動(dòng)電路和油泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

一種基于電動(dòng)汽車的主動(dòng)防碰撞系統(tǒng)的控制方法，基于上述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，包括以下步驟：

步驟1，采集控制開關(guān)信號(hào)、激光雷達(dá)信號(hào)、視覺傳感器信號(hào)、速度傳感器信號(hào)、轉(zhuǎn)向信號(hào)、電子踏板信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊處理；

步驟2，處理后的信號(hào)輸入到中央處理單元，根據(jù)激光雷達(dá)和視覺傳感器信號(hào)，采用融合算法識(shí)別出目標(biāo)，并計(jì)算獲取目標(biāo)對(duì)本車的相對(duì)距離和相對(duì)速度；

步驟3，根據(jù)本車速度、目標(biāo)相對(duì)速度，基于路面附著系數(shù)估計(jì)計(jì)算出安全預(yù)警距離和安全制動(dòng)距離；

步驟4，根據(jù)安全預(yù)警距離和安全制動(dòng)距離、相對(duì)距離、控制按鈕信號(hào)、轉(zhuǎn)向信號(hào)綜合決策，得出控制信號(hào)并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元。

其中，數(shù)據(jù)處理模塊包括激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的聚類處理，包括步驟：

步驟1.1，進(jìn)行激光雷達(dá)數(shù)據(jù)預(yù)處理，根據(jù)車道寬度及雷達(dá)探測(cè)角度提取感興趣區(qū)數(shù)據(jù)，計(jì)算相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)實(shí)際距離；

步驟1.2，計(jì)算相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)理論距離，橫向理論距離計(jì)算公式為d1＝|y/tan(α+β)-y/tan(β)|，縱向理論距離計(jì)算公式為d2＝|x·tan(α+β)-x·tan(α)|，其中x為雷達(dá)數(shù)據(jù)點(diǎn)在直角坐標(biāo)系下的橫坐標(biāo)值，y為雷達(dá)數(shù)據(jù)點(diǎn)在直角坐標(biāo)系下的縱坐標(biāo)值，α為固態(tài)激光雷達(dá)的角分辨率，β為雷達(dá)數(shù)據(jù)點(diǎn)所在激光束與直角坐標(biāo)系橫軸的夾角；

步驟1.3，計(jì)算相鄰兩點(diǎn)實(shí)際距離與理論距離之差的絕對(duì)值與實(shí)際距離的比值，與閾值對(duì)比判斷出A、B、C類點(diǎn)；

步驟1.4，根據(jù)A、B點(diǎn)的特征判斷出有效目標(biāo)，并給出有效目標(biāo)的方位和速度。其中，融合算法包括步驟：

步驟2.1，根據(jù)雷達(dá)檢測(cè)的目標(biāo)相對(duì)方位確定視覺檢測(cè)的感興趣區(qū)；

步驟2.2，根據(jù)確定的感興趣區(qū)采用支持向量機(jī)方法檢測(cè)是否為車輛或行人；

步驟2.3，給出目標(biāo)的絕對(duì)速度、相對(duì)距離信息。

其中，基于路面附著系數(shù)估計(jì)計(jì)算出安全預(yù)警距離和安全制動(dòng)距離，包括如下步驟：

步驟3.1，計(jì)算驅(qū)動(dòng)輪縱向滑移率s：

非制動(dòng)工況下：s＝1-ω_r/ω_f，其中ω_f，ω_r分別為兩前、后輪的平均轉(zhuǎn)速；

制動(dòng)工況下：首先對(duì)加速度偏差進(jìn)行估計(jì)：其中v為本車速度，a_x為加速度，a_{x_offset}為加速度偏差，然后利用Luenberger觀測(cè)器來(lái)估計(jì)車速：其中為車速估計(jì)值、加速度偏差估計(jì)值，l₁，l₂為觀測(cè)器反饋增益，最后將車速代入s＝(ωr-v)/max(ωr,v)，式中ω為車輪轉(zhuǎn)速，r為車輪半徑；

步驟3.2，利用附著系數(shù)的估計(jì)：式中：

前輪地面縱向作用力為其中，T_b1為制動(dòng)力矩，T_r1為滾動(dòng)阻力矩，為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，前軸的驅(qū)動(dòng)力矩為T_d＝T_mi₀η_T，其中T_m為電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩，i₀為主減速器的傳動(dòng)比，η_T為傳動(dòng)系統(tǒng)的效率；

前輪垂向力為F_z1＝[mgb-(m_sa_x+F_a)h_s]/L，其中L為軸距，F(xiàn)_a為空氣阻力，h_s為懸掛質(zhì)心高度，m和m_s分別為整車質(zhì)量和懸掛質(zhì)量；

步驟3.3，利用貝葉斯定理估計(jì)當(dāng)前時(shí)刻的路面附著系數(shù)：式中：設(shè)當(dāng)前地面利用附著系數(shù)為μ_i，其后驗(yàn)概率為其中，P_k(μ_i)為μ_i的先驗(yàn)概率，將驅(qū)動(dòng)輪縱向滑移率s代入預(yù)先建立的幾種不同路面的關(guān)系，可得對(duì)應(yīng)利用附著系數(shù)，記為定義偏差估計(jì)值對(duì)應(yīng)不同路面的條件概率等價(jià)于偏差E_i,k的概率分布，設(shè)其服從高斯分布，則可得如下似然函數(shù)i＝1，2，…，n，其中σ為標(biāo)準(zhǔn)差；

步驟3.4，計(jì)算安全距離：

安全預(yù)警距離

安全制動(dòng)距離

其中v為本車速度，u為目標(biāo)絕對(duì)速度，v_r為相對(duì)速度，t₁為駕駛員反應(yīng)時(shí)間，t₂為制動(dòng)延遲時(shí)間，g為重力加速度，d₀為最小安全距離，一般取2～5米。

其中，綜合決策包括步驟：

步驟4.1，根據(jù)本車車速設(shè)置安全距離的誤差帶，誤差帶與本車車速呈負(fù)相關(guān)，即速度大誤差帶小，反之誤差帶大；

步驟4.2，計(jì)算目標(biāo)相對(duì)距離與安全制動(dòng)距離之差：

如果達(dá)到安全距離誤差帶之內(nèi)，此時(shí)判斷：

若制動(dòng)開關(guān)接通，則：若檢測(cè)到轉(zhuǎn)向信號(hào)則不制動(dòng)，若無(wú)轉(zhuǎn)向信號(hào)則制動(dòng)；

若制動(dòng)開關(guān)關(guān)閉，則不制動(dòng)；

步驟4.3，計(jì)算目標(biāo)相對(duì)距離與安全預(yù)警距離之差：

如果達(dá)到安全距離誤差帶之內(nèi)，此時(shí)判斷：

若預(yù)警開關(guān)接通，則預(yù)警；否者不預(yù)警；

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

采用電控液壓制動(dòng)，克服了機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的缺陷；采用視覺傳感器與激光雷達(dá)信息進(jìn)行融合處理，使環(huán)境感知更加精確；通過(guò)考慮路面附著系數(shù)的安全距離模型實(shí)時(shí)判斷兩車間距和安全距離的關(guān)系，并考慮了駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖，使預(yù)警、制動(dòng)更加可靠；設(shè)置了人機(jī)接口單元，提供多種功能選擇，提高防碰撞系統(tǒng)操控的靈活性。

附圖說(shuō)明

參照下面附圖的優(yōu)選實(shí)施形式的說(shuō)明，會(huì)更清楚地理解本發(fā)明。但是，實(shí)施形式和附圖用于單純的圖示和說(shuō)明，不應(yīng)用于限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求書確定。

圖1為本發(fā)明的主動(dòng)防碰撞系統(tǒng)組成框圖。

圖2為本發(fā)明的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)聚類處理流程圖。

圖3為本發(fā)明的融合算法流程圖。

圖4為本發(fā)明的路面附著系數(shù)估計(jì)流程圖。

圖5為本發(fā)明的綜合決策算法流程圖。

具體實(shí)施方式

根據(jù)圖1～圖5對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。

圖1表示本發(fā)明的主動(dòng)防碰撞系統(tǒng)組成框圖，其包括人機(jī)接口單元、信息采集單元、中央處理單元和執(zhí)行單元。人機(jī)接口單元包括一控制面板，具體包括故障指示燈，電源開關(guān)，預(yù)警開關(guān)，制動(dòng)開關(guān)，嗡鳴器等，布置于駕駛室中控臺(tái)。人機(jī)接口單元的主要用途在于一方面為駕駛員提供預(yù)警，在本優(yōu)選實(shí)施例中采用嗡鳴器發(fā)出的聲音信號(hào)，亦可采用光信號(hào)或振動(dòng)信號(hào)等；人機(jī)接口單元的另一方面用途是為駕駛員提供不同的功能設(shè)置，對(duì)于制動(dòng)開關(guān)和預(yù)警開關(guān)進(jìn)行不同的操作，可以屏蔽對(duì)應(yīng)的功能。如，如果接通預(yù)警開關(guān)而關(guān)閉制動(dòng)開關(guān)，則系統(tǒng)在執(zhí)行時(shí)僅進(jìn)行預(yù)警而不會(huì)主動(dòng)制動(dòng)；如果接通制動(dòng)開關(guān)而關(guān)閉預(yù)警開關(guān)，則系統(tǒng)在執(zhí)行時(shí)僅進(jìn)行主動(dòng)制動(dòng)而不會(huì)預(yù)警；如果兩開關(guān)均關(guān)閉，則系統(tǒng)既不預(yù)警也不主動(dòng)制動(dòng)。

信息采集單元包括激光雷達(dá)和視覺傳感器，在本優(yōu)選實(shí)施例中，采用1臺(tái)固態(tài)16點(diǎn)紅外激光雷達(dá)Leddar。該款雷達(dá)體積小，性價(jià)比高，隱藏布置于汽車正前部散熱柵中部，距離地面約50—70cm。視覺傳感器采用具有夜視增強(qiáng)功能的普通單目攝像頭，安裝于駕駛室內(nèi)前風(fēng)擋玻璃上方中央處，激光雷達(dá)和視覺傳感器與中央處理單元通過(guò)車載總線通信。

中央處理單元包括數(shù)據(jù)處理模塊、控制策略模塊和故障診斷模塊。數(shù)據(jù)處理模塊通過(guò)車載總線接收信息采集單元的輸出，主要包括雷達(dá)數(shù)據(jù)和視覺傳感器的視頻數(shù)據(jù)以及轉(zhuǎn)向信號(hào)、電子踏板信號(hào)、車速信號(hào)、操作按鈕的開關(guān)信號(hào)。信號(hào)經(jīng)處理后通過(guò)車載總線傳輸給控制策略模塊、控制策略模塊同時(shí)通過(guò)車載總線獲取故障診斷模塊的結(jié)果，發(fā)出控制信號(hào)給執(zhí)行單元；

執(zhí)行單元包括電磁閥總成，通過(guò)液壓管路連接制動(dòng)主缸和四個(gè)制動(dòng)輪缸。該電磁閥總成閥體結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有ABS/ESP電磁閥總成結(jié)構(gòu)一致，可以批量采購(gòu)。電磁閥總成包括電磁閥驅(qū)動(dòng)電路和油泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。在本優(yōu)選實(shí)施例中，電磁閥驅(qū)動(dòng)主要采用飛利浦BCP68三極管，油泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)主要采用HFV6繼電器。

基于上述主動(dòng)防碰撞系統(tǒng)的控制方法，本優(yōu)選實(shí)施例中包括以下步驟：

步驟1，采集控制開關(guān)信號(hào)、激光雷達(dá)信號(hào)、視覺傳感器信號(hào)、速度傳感器信號(hào)、轉(zhuǎn)向信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊處理；

步驟2，處理后的信號(hào)輸入到中央處理單元，根據(jù)激光雷達(dá)獲取前方有效目標(biāo)的方位，并利用視覺傳感器信號(hào)采用融合算法確定有效目標(biāo)為人或車輛，并計(jì)算獲取目標(biāo)對(duì)本車的相對(duì)距離和相對(duì)速度；

步驟3，根據(jù)本車速度、目標(biāo)相對(duì)速度，基于路面附著系數(shù)估計(jì)計(jì)算出安全預(yù)警距離和安全制動(dòng)距離；

步驟4，根據(jù)安全預(yù)警距離和安全制動(dòng)距離、相對(duì)距離、控制按鈕信號(hào)、轉(zhuǎn)向信號(hào)綜合決策，得出控制信號(hào)并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元。

圖2為本發(fā)明的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)聚類處理流程圖。具體包括：

首先，進(jìn)行激光雷達(dá)數(shù)據(jù)預(yù)處理，根據(jù)車道寬度及雷達(dá)探測(cè)角度提取感興趣區(qū)數(shù)據(jù)，計(jì)算相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)實(shí)際距離；

其次，計(jì)算相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)理論距離，橫向理論距離計(jì)算公式為d1＝|y/tan(α+β)-y/tan(β)|，縱向理論距離計(jì)算公式為d2＝|x·tan(α+β)-x·tan(α)|，其中x為雷達(dá)數(shù)據(jù)點(diǎn)在直角坐標(biāo)系下的橫坐標(biāo)值，y為雷達(dá)數(shù)據(jù)點(diǎn)在直角坐標(biāo)系下的縱坐標(biāo)值，α為固態(tài)激光雷達(dá)的角分辨率，β為雷達(dá)數(shù)據(jù)點(diǎn)所在激光束與直角坐標(biāo)系橫軸的夾角；

然后，計(jì)算相鄰兩點(diǎn)實(shí)際距離與理論距離之差的絕對(duì)值與實(shí)際距離的比值，與閾值對(duì)比判斷出A、B、C類點(diǎn)；

最后，根據(jù)A、B類點(diǎn)的特征判斷出有效目標(biāo)，并給出有效目標(biāo)的方位和速度。

圖3為本發(fā)明的融合算法流程圖。具體包括：

首先，根據(jù)雷達(dá)檢測(cè)的目標(biāo)相對(duì)方位確定視覺檢測(cè)的感興趣區(qū)；

其次，根據(jù)確定的感興趣區(qū)采用支持向量機(jī)方法檢測(cè)是否為車輛或行人；

最后，給出目標(biāo)的絕對(duì)速度、相對(duì)距離信息。

圖4為本發(fā)明的路面附著系數(shù)估計(jì)流程圖。具體包括：

首先，計(jì)算驅(qū)動(dòng)輪縱向滑移率s：

非制動(dòng)工況下：s＝1-ω_r/ω_f，其中ω_f，ω_r分別為為兩前、后輪的平均轉(zhuǎn)速；制動(dòng)工況下：首先對(duì)加速度偏差進(jìn)行估計(jì)：其中v為本車速度，a_x為加速度，a_{x_offset}為加速度偏差，然后利用Luenberger觀測(cè)器來(lái)估計(jì)車速：其中為車速、加速度偏差估計(jì)值，l₁，l₂為觀測(cè)器反饋增益，最后將車速代入s＝(ωr-v)/max(ωr,v)，式中ω為車輪轉(zhuǎn)速，r為車輪半徑；

其次，利用附著系數(shù)的估計(jì)：式中：

前輪地面縱向作用力為其中，T_b1為制動(dòng)力矩，T_r1為滾動(dòng)阻力矩，為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，前軸的驅(qū)動(dòng)力矩為T_d＝T_mi₀η_T，其中T_m為電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩，i₀為主減速器的傳動(dòng)比，η_T為傳動(dòng)系統(tǒng)的效率；

前輪垂向力為F_z1＝[mgb-(m_sa_x+F_a)h_s]/L，其中L為軸距，F(xiàn)_a為空氣阻力，h_s為懸掛質(zhì)心高度，m和m_s分別為整車質(zhì)量和懸掛質(zhì)量；

然后，利用貝葉斯定理估計(jì)當(dāng)前時(shí)刻的路面附著系數(shù)：式中：設(shè)當(dāng)前地面利用附著系數(shù)為μ_i，其后驗(yàn)概率為其中，P_k(μ_i)為μ_i的先驗(yàn)概率，將驅(qū)動(dòng)輪縱向滑移率s代入預(yù)先建立的幾種不同路面的關(guān)系，可得對(duì)應(yīng)利用附著系數(shù)，記為定義偏差估計(jì)值對(duì)應(yīng)不同路面的條件概率等價(jià)于偏差E_i,k的概率分布，設(shè)其服從高斯分布，則可得如下似然函數(shù)i＝1,2,…，n,其中σ為標(biāo)準(zhǔn)差。最后，計(jì)算安全距離：

安全預(yù)警距離

安全制動(dòng)距離

其中v為本車速度，u為目標(biāo)絕對(duì)速度，v_r為相對(duì)速度，t₁為駕駛員反應(yīng)時(shí)間，t₂為制動(dòng)延遲時(shí)間，g為重力加速度，d₀為最小安全距離，一般取2～5m。

圖5為本發(fā)明的綜合決策算法流程圖。具體包括：

首先，根據(jù)本車車速設(shè)置安全距離的誤差帶，誤差帶與本車車速呈負(fù)相關(guān)，即速度大誤差帶小，反之誤差帶大；

其次，計(jì)算目標(biāo)相對(duì)距離與安全制動(dòng)距離之差：

如果達(dá)到安全距離誤差帶之內(nèi)，此時(shí)判斷：

若制動(dòng)開關(guān)接通，則：若檢測(cè)到轉(zhuǎn)向信號(hào)則不制動(dòng)，若無(wú)轉(zhuǎn)向信號(hào)則制動(dòng)；

若制動(dòng)開關(guān)關(guān)閉，則不制動(dòng)；

最后，計(jì)算目標(biāo)相對(duì)距離與安全預(yù)警距離之差：

如果達(dá)到安全距離誤差帶之內(nèi)，此時(shí)判斷：

若預(yù)警開關(guān)接通，則預(yù)警；否者不預(yù)警；

以上結(jié)合附圖的實(shí)施例描述，旨在便于理解本發(fā)明的創(chuàng)新實(shí)質(zhì)，但并非以此來(lái)限定本發(fā)明的多樣式實(shí)施以及要求的權(quán)利要求保護(hù)范圍。但凡理解本發(fā)明，并根據(jù)上述實(shí)施例進(jìn)行的等效結(jié)構(gòu)變化或構(gòu)件替換，能夠?qū)崿F(xiàn)相同目的和效果的設(shè)計(jì)，均應(yīng)視為對(duì)本專利申請(qǐng)保護(hù)內(nèi)容的侵犯。