一種汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)及其軌跡規(guī)劃方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及汽車輔助駕駛領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)及其軌跡規(guī)劃方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著智能交通在全球范圍的興起，汽車輔助駕駛技術(shù)受到了越來(lái)越多的關(guān)注，其 研究的主要目的在于降低日趨嚴(yán)重的交通事故發(fā)生率，提高現(xiàn)有道路交通效率。國(guó)際上眾 多的研究機(jī)構(gòu)，工業(yè)設(shè)計(jì)單位對(duì)其研發(fā)過(guò)程正投入大量的人力、物力、財(cái)力來(lái)進(jìn)行相關(guān)關(guān)鍵 技術(shù)的研發(fā)。
[0003] 主動(dòng)避撞系統(tǒng)作為汽車輔助駕駛技術(shù)的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容，其研究的主要目的是 提高車輛駕駛的安全性能，其主要利用現(xiàn)代信息技術(shù)、傳感技術(shù)來(lái)擴(kuò)展駕駛?cè)藛T的感知能 力，將外界信息（如車速、障礙物距離、速度、方向等)傳遞給駕駛?cè)藛T的同時(shí)綜合利用車況 與路況信息，判斷汽車當(dāng)前運(yùn)行狀況的安全程度，在緊急情況下能自動(dòng)的采取措施控制汽 車，使得汽車主動(dòng)地避開(kāi)危險(xiǎn)，保證汽車安全行駛或最大可能的減小事故的傷害程度。汽車 只有具備了運(yùn)樣的主動(dòng)安全性能，才可能從根本上減少交通事故，提高交通安全。
[0004] 軌跡規(guī)劃技術(shù)是主動(dòng)避撞系統(tǒng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的智能控制， 其前提條件是就要生成可行的參考軌跡，并將軌跡的參數(shù)提供給跟蹤控制器，W便于控制 器能夠控制汽車按照所規(guī)劃的軌跡行駛，因此，如何在緊急情況下規(guī)劃一條可行的無(wú)碰軌 跡顯得尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)【背景技術(shù)】中所設(shè)及到的缺陷，提供一種汽車主 動(dòng)避撞系統(tǒng)及其軌跡規(guī)劃方法，解決了在緊急情況下主動(dòng)避撞系統(tǒng)的軌跡規(guī)劃問(wèn)題，通過(guò) 軟硬件相結(jié)合的方式在保證汽車操縱穩(wěn)定性的同時(shí)有效的避開(kāi)障礙物，避免交通事故的發(fā) 生，實(shí)現(xiàn)了汽車的主動(dòng)安全功能。
[0006] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用W下技術(shù)方案：
[0007] -種汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)，包含前視雷達(dá)、攝像頭、信號(hào)處理模塊、車速傳感器、橫擺 角速度傳感器、質(zhì)屯、側(cè)偏角傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、電子控制電源ECU、油口控制器、轉(zhuǎn) 向控制器和制動(dòng)控制器；
[000引所述前視雷達(dá)、攝像頭通過(guò)信號(hào)處理模塊和所述電子控制電源ECU相連;所述電子 控制電源ECU分別和、車速傳感器、橫擺角速度傳感器、質(zhì)屯、側(cè)偏角傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感 器、油口控制器、轉(zhuǎn)向控制器、制動(dòng)控制器相連；
[0009] 所述前視雷達(dá)與攝像頭均安裝在汽車前方，用于檢測(cè)汽車前方的道路情況，并將 所測(cè)得的信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理模塊處理后傳遞給所述電子控制單元ECU;
[0010] 所述車速傳感器、橫擺角速度傳感器、質(zhì)屯、側(cè)偏角傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器分別 用于感應(yīng)汽車的速度、橫擺角速度、質(zhì)屯、側(cè)偏角和前輪轉(zhuǎn)向角，并將采集到的信號(hào)經(jīng)處理后 送入到電子控制單元ECU;
[0011] 所述電子控制單元ECU用于根據(jù)接收到的信號(hào)輸出相應(yīng)的信號(hào)到油口控制器、轉(zhuǎn) 向控制器、制動(dòng)控制器，進(jìn)行相應(yīng)加速、減速、制動(dòng)操作，W保證行車安全。
[0012] 本發(fā)明還公開(kāi)了一種基于W上汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)的軌跡規(guī)劃方法，包含W下步 驟：
[0013] 步驟1)，通過(guò)前視雷達(dá)與攝像頭獲取汽車前方障礙物的距離、速度、加速度和寬 度，并將前方障礙物的與汽車之間的距離與預(yù)先設(shè)定的安全距離闊值對(duì)比，如果其小于預(yù) 設(shè)的安全距離闊值，則執(zhí)行步驟2);
[0014] 步驟2)，通過(guò)車速傳感器、橫擺角速度傳感器、質(zhì)屯、側(cè)偏角傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳 感器獲取汽車的速度、橫擺角速度、質(zhì)屯、側(cè)偏角和前輪轉(zhuǎn)向角；
[0015] 步驟3)，根據(jù)汽車的橫擺角、前輪轉(zhuǎn)向角、縱向速度、前軸與后軸之間的間距、W及 后軸中點(diǎn)的縱向坐標(biāo)和側(cè)向坐標(biāo)建立汽車Ξ自由度運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；
[0016] 步驟4)，用屯次多項(xiàng)式參數(shù)化待生成軌跡；
[0017] 步驟5)，根據(jù)汽車Ξ自由度運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和參數(shù)化的待生成軌跡設(shè)置軌跡優(yōu)化模型 約束條件、設(shè)定目標(biāo)函數(shù)W及優(yōu)化變量，并根據(jù)汽車的縱向速度、橫擺角速度、質(zhì)屯、側(cè)偏角、 前輪轉(zhuǎn)向角、W及汽車前方障礙物距離、速度、加速度對(duì)其進(jìn)行求解，得到軌跡優(yōu)化模型；
[0018] 步驟6)，基于動(dòng)態(tài)粒子群優(yōu)化算法，對(duì)所建立的軌跡優(yōu)化模型進(jìn)行求解，得到規(guī)劃 軌跡。
[0019] 作為該汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)的軌跡規(guī)劃方法的進(jìn)一步優(yōu)化方案，根據(jù)W下公式建立 步驟3)中所述的汽車Ξ自由度運(yùn)動(dòng)學(xué)模型：
[0020]
[0021] 其中，X和y分別是汽車后軸中點(diǎn)的縱向坐標(biāo)和側(cè)向坐標(biāo)，Θ是汽車的橫擺角，δ是汽 車前輪轉(zhuǎn)向角，V是汽車的縱向速度，1是汽車前軸與后軸之間的間距，t是軌跡規(guī)劃的當(dāng)前 時(shí)間。
[0022] 作為該汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)的軌跡規(guī)劃方法的進(jìn)一步優(yōu)化方案，步驟5)中所述的屯 次多項(xiàng)式參數(shù)化的軌跡方程為：
[0023]
[0024] 其中，X加、xdi、xd2、xd3、xd4、xd己、xd6、xd7、y加、ydi、yd2、yd3、yd4、yd己、yd6、yd7 是多項(xiàng)式的待 定系數(shù)，（xd(t)，yd(t))為待生成軌跡。
[0025] 作為該汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)的軌跡規(guī)劃方法的進(jìn)一步優(yōu)化方案，步驟6所述的軌跡 優(yōu)化模型的約束條件為：
[003^ to為軌跡規(guī)劃初始時(shí)刻，tf為軌跡規(guī)劃終了時(shí)刻，島=柄，扔，如如v。，^為初始時(shí) 刻to汽車的狀態(tài)，取=?·ν.ν,.，A，3/，*/，々/)為終了時(shí)刻tf汽車的狀態(tài)；
[0033] Ro為汽車長(zhǎng)度的一半，Ri為與障礙物寬度的一半；
[0034] 目標(biāo)函數(shù)為.化,，打/1 = 化,,-從十印",-.的-7 + 仙，其中，W1和W2是權(quán)重系 數(shù)，且W1+W2 = 1 ; ay是汽車側(cè)向加速度；
[0035]
[0036] 優(yōu)化的變量為 Xd6、xd7、yd6、yd7。
[0037] 本發(fā)明采用W上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有W下技術(shù)效果：
[0038] 1.本發(fā)明所述的軌跡規(guī)劃方法所生成的軌跡滿足各種非完整約束和執(zhí)行機(jī)構(gòu)約 束；
[0039] 2.本發(fā)明所述的軌跡規(guī)劃方法所生成的軌跡軌跡曲率具有連續(xù)性，具有動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí) 性，能夠適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的道路環(huán)境；
[0040] 3.通過(guò)跟蹤本發(fā)明所述的軌跡規(guī)劃方法所生成的軌跡能使汽車有效地避開(kāi)障礙 物，防止交通事故的發(fā)生。
【附圖說(shuō)明】
[0041] 圖1是本發(fā)明主動(dòng)避撞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042] 圖2是本發(fā)明主動(dòng)避撞過(guò)程示意圖；
[0043] 圖3是本發(fā)明的汽車Ξ自由度運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。
【具體實(shí)施方式】
[0044] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：
[0045] 如圖1所示，本發(fā)明公開(kāi)了一種汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)，包含前視雷達(dá)、攝像頭、信號(hào)處 理模塊、車速傳感器、橫擺角速度傳感器、質(zhì)屯、側(cè)偏角傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、電子控制 單元ECU、油口控制器、轉(zhuǎn)向控制器和制動(dòng)控制器；
[0046] 所述前視雷達(dá)、攝像頭通過(guò)信號(hào)處理模塊和所述電子控制電源ECU相連;所述電子 控制電源ECU分別和、車速傳感器、橫擺角速度傳感器、質(zhì)屯、側(cè)偏角傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感 器、油口控制器、轉(zhuǎn)向控制器、制動(dòng)控制器相連；
[0047] 所述前視雷達(dá)與攝像頭均安裝在汽車前方，用于檢測(cè)汽車前方的道路情況，并將 所測(cè)得的信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理模塊處理后傳遞給所述電子控制單元ECU;
[004引所述車速傳感器、橫擺角速度傳感器、質(zhì)屯、側(cè)偏角傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器分別 用于感應(yīng)汽車的速度、橫擺角速度、質(zhì)屯、側(cè)偏角和前輪轉(zhuǎn)向角，并將采集到的信號(hào)經(jīng)處理后 送入到電子控制單元ECU;
[0049] 所述電子控制單元ECU用于根據(jù)接收到的信號(hào)輸出相應(yīng)的信號(hào)到油口控制器、轉(zhuǎn) 向控制器、制動(dòng)控制器，進(jìn)行相應(yīng)加速、減速、制動(dòng)操作，W保證行車安全。
[0050] 本發(fā)明還公開(kāi)了一種基于該汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)的軌跡規(guī)劃方法，包含W下具體步 驟：
[0051] 步驟1、通過(guò)前視雷達(dá)與攝像頭獲取汽車前方障礙物的距離、速度、加速度和寬度， 并將前方障礙物的與汽車之間的距離與預(yù)先設(shè)定的安全距離闊值對(duì)比，如果其小于預(yù)設(shè)的 安全距離闊值，則執(zhí)行步驟2。
[0052] 步驟2、通過(guò)車速傳感器、橫擺角速度傳感器、質(zhì)屯、側(cè)偏角傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感 器獲取汽車的縱向速度、橫擺角速度、質(zhì)屯、側(cè)偏角和前輪轉(zhuǎn)向角。
[0053] 步驟3、建立汽車Ξ自由度運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，如圖3所示：
[0化4]
(1)
[0055]其中，X和y分別是汽車后軸中點(diǎn)的縱向坐標(biāo)和側(cè)向坐標(biāo)，Θ是汽車的橫擺角，δ是汽 車前輪轉(zhuǎn)向角，V是汽車的縱向速度，1是汽車前軸與后軸之間的間距，t是軌跡規(guī)劃的當(dāng)前 時(shí)間。
[0化6]步驟4、進(jìn)入循環(huán)。
[0057]步驟5、設(shè)軌跡規(guī)劃初始時(shí)刻為to,軌跡規(guī)劃終了時(shí)刻為tf，用屯次多項(xiàng)式參數(shù)化待 生成軌跡：
[0化引
(2)
[0059 ]其中，X加、xdi、xd2、xd3、xd4、xd5、xd6、xd7、y加、ydi、yd2、yd3、yd4、yds、yd6、yd7 是多項(xiàng)式的待 定系數(shù)。
[0060] 步驟6、根據(jù)汽車Ξ自由度運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和參數(shù)化的待生成軌跡設(shè)置軌跡優(yōu)化模型 約束條件、設(shè)定目標(biāo)函數(shù)W及優(yōu)化變量，并根據(jù)汽車的縱向速度、橫擺角速度、質(zhì)屯、側(cè)偏角、 前輪轉(zhuǎn)向角，W及汽車前方障礙物距離、速度、加速度對(duì)其進(jìn)行求解，得到軌跡優(yōu)化模型：
[0061] 1)約束條件：
[0062] 設(shè)在初始時(shí)刻to車輛A的狀態(tài)為& =托，九為，&,，ν"，?〇)，在終了時(shí)刻tf車輛A的狀 態(tài)為(6/=成、.^V今A，v,，'^)，并且所設(shè)計(jì)軌跡為（xd(t)，yd(t))。然后，根據(jù)車輛運(yùn)動(dòng)學(xué) 模型（1)，施加在所設(shè)計(jì)軌跡上的等式約束條件如下：
[0063]
(a)
[0064]將軌跡方程(2)代入到等式約束條件(3)中，并將其化為矩陣形式，其系數(shù)可W由 W下方程來(lái)確定：
[00 化]
[0068] 將方程(4)代入到軌跡方程(2)可W得