CN104176054B - 一种汽车主动防碰撞自动换道控制***及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车主动防碰撞自动换道控制***及其工作方法，所述的***包括实时行车安全状态判断模块和自动换道控制模块，实时行车安全状态判断模块与自动换道控制模块连接；实时行车安全状态判断模块包括制动临界距离计算模块和安全状态判断模块，自动换道控制模块包括建立横向动力学和CarSim整车动力学模型模块、求取期望横摆角速度模块和设计终端滑模换道控制器模块。所述的方法，包括实时行车安全状态判断和进行自动换道控制两个步骤。本发明将前方行人作为主动防碰撞的研究对象，并通过实时计算制动临界距离来判断行车是否处于危险状态并给与相应的自动控制，保证了换道过程中较好的平顺性和操纵稳定性，保护了前方行人的安全。

Description

一种汽车主动防碰撞自动换道控制***及其工作方法

技术领域

本发明属于汽车智能控制领域，涉及车辆自动换道控制技术，特别涉及一种汽车主动防碰撞自动换道控制***及其工作方法。

背景技术

随着各国对道路交通安全的重视以及智能交通***的不断发展，汽车主动防碰撞***已经成为国内外研究的热点。在现有的汽车主动防碰撞***中主要考虑的是前方的车辆，并没有考虑车外行人等交通弱势群体。在遇到紧急情况时，驾驶员通常情况下习惯于操作刹车使车辆停下来从而避开障碍物而不是通过控制转向而避开障碍物。针对这两个问题，建立基于行人安全的行车安全判断模块以及旨在保护行人的车辆自动换道控制***，是未来汽车主动防碰撞预警***的重要组成。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种可以实时进行行车安全判断，并在前方行人处于危险状态下实现车辆自动换道控制的汽车主动防碰撞自动换道控制***及其工作方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种汽车主动防碰撞自动换道控制***，包括实时行车安全状态判断模块和自动换道控制模块，所述的实时行车安全状态判断模块与自动换道控制模块串联连接；所述的实时行车安全状态判断模块包括制动临界距离计算模块和安全状态判断模块，所述的自动换道控制模块包括建立横向动力学和CarSim整车动力学模型模块、求取期望横摆角速度模块和设计终端滑模换道控制器模块。

一种汽车主动防碰撞自动换道控制***的工作方法，包括以下步骤：

A、实时行车安全状态判断

实时行车安全状态判断模块检测到本车前方行人后，本车和前方行人必须保持一定的安全距离，否则将会被判定为处于危险状态，需要对本车进行控制。现对避撞场景做如下简化：

a、只考虑相同车道内前方出现的行人。

b、考虑行车安全为主要目的，并不考虑道路交通效率。

c、同车道前方的行人的速度相对于本车的速度近似为0。

d、只考虑直线道路上的车辆换道并且换道过程中车辆的纵向速度不变。

A1、制动临界距离计算

制动临界距离计算模块建立单车道内本车与前方行人不发生碰撞的最小安全距离模型。在求取制动临界距离时采用基于制动过程的安全距离模型，根据实时获取到同车道前方行人与本车间的相对距离d，来判断车辆是否处于安全状态。行人速度相对于车辆的速度近似为静止，因此得制动临界距离为下式：

#

式中，v_x0为本车的初始速度t_r为驾驶员反应时间和制动协调时间之和，取值为0.8～1.0s，t_i为减速度增长的时间，取0.1～0.2s，为路面附着系数，的取值为0.6～0.8，g＝9.8m/s²，d₀为本车停止时最低要求的距离。

A2、行车安全状态判断

在获取制动临界距离后，安全状态判断模块对本车的行车安全状态进行判断，判断依据如下公式：

#d≤d_w(2)

如果本车与行人之间的实时距离d满足公式(2)，驾驶员仍然没有做出换道行驶或者其他安全措施，则判定为行车危险，需要对本车做自动换道处理。否则，行车处于安全状态，车辆保持原状态行驶。

B、进行自动换道控制

自动换道控制模块基于期望横向加速度的避撞换道轨迹，采用终端滑模控制方法，通过对横摆角的控制，使得实际横摆角和期望的横摆角的误差趋于0，实现对换道轨迹的跟踪，进而实现车辆避撞行人的自动换道控制，具体包括以下步骤：

B1、建立横向动力学和CarSim整车动力学模型

车辆动力学模型采用源于Ackermann所提出的理想模型，仅考虑车辆的横向运动和横摆运动，未涉及车辆纵向速度变化以及侧倾运动的影响。前轮转向的车辆横向动力学模型表示为：

#

#

式中，v_x、v_y和分别为车辆纵向速度、横向速度和横摆角速度，m为整车质量，I_z为车辆绕垂直轴的转动惯量，l_f和l_r分别为质心到前轴的距离和质心到后轴的距离，C_f、C_r分别为前后轮胎的侧偏刚度，δ为前轮转向角。令

# $u_1=\frac{2C_f{l}_f}{I_z}\mathrm{\δ}---\left(5\right)$

# $u_2=\frac{2C_f}{m}\mathrm{\δ}---\left(6\right)$

则式(3)(4)可简写成

#

#

B2、求取期望的横摆角速度

考虑到直车道内的车辆换道，假设换道过程中横向加速度满足正反梯形约束条件：

# $J_d\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{J}_{max}& t_0\≤t\≤t_{1}or{t}_4\≤t\≤t_5\\ -J_{max}& t_2\≤t\≤t_3\\ 0& else\end{array}\right.---\left(9\right)$

上式满足以下条件：

# $\begin{array}{c}{t}_1-t_0=t_5-t_4={\mathrm{\Δ}}_1\\ t_2-t_1=t_4-t_3={\mathrm{\Δ}}_2\\ t_3-t_2=2(t_1-t_0)=2{\mathrm{\Δ}}_1\end{array}---\left(10\right)$

式中，t₀为换道开始时刻，t₁为横向加速度正向值达到最大值时刻；t₂为横向加速度正向值开始减小时刻；t₃为横向加速度反向值达到最大值时刻；t₄为横向加速度反向值开始减小时刻，t₅为换道结束时刻，J_max为最大的横向加速度率；对横向加速度率J_d(t)积分得期望横向加速度对期望横向加速度积分得横向速度对横向速度积分得横向位置y_d(t)，Δ₁和Δ₂按下式计算：

#Δ₁＝a_max/J_max(11)

# ${\mathrm{\Δ}}_2=-\frac{3}{2}{\mathrm{\Δ}}_1+\frac{1}{2}\sqrt{{{\mathrm{\Δ}}_1}^2+\frac{4r_w}{J_{max}{\mathrm{\Δ}}_1}}\#---\left(12\right)$

式中，r_w为起始车道和目的车道中心线间距，a_max为换道过程中最大横向加速度。假定换道过程中车辆的纵向速度不变，则期望的横摆角、横摆角速度为下式：

#

#

B3、终端滑模换道控制器设计

B31、求取前轮转向角控制量

车辆的横摆角速度依靠车载传感器检测，车辆横摆角计算如下：

#

定义横摆角误差为：

#

采用终端滑模控制方法，设计切换函数

#

其中：q₁>0，q₂>0；k₁和l₁为正奇数，且l₁>k₁，对式(17)求导，得

#

由得等效控制为

#

设计非线性滑模控制为

# $u_{1\_n}=-\mathrm{\ρ}s-{\mathrm{\φs}}^{k_2/l_2}---\left(20\right)$

其中，ρ＞0，φ＞0；k₂和l₂为正奇数，且l₂>k₂，取控制量为

#u₁＝u_{1_equ}+u_{1_n}(21)

为控制车辆侧滑运动的稳定性，令v_y满足

# ${\stackrel{\·}{v}}_y=-\∂v_y---\left(22\right)$

根据横向动力学模型，得控制量

#

最终求得前轮转向角为

# $\mathrm{\δ}=\frac{u_1-u_2}{2C_f{l}_f/I_z-2C_f/m}---\left(24\right)$

B32、稳定性分析

取Lyapunov函数对其求导，得

#

推得因此，当s≠0时，说明切换函数s＝0具有渐进可达性。

假定自动换道控制***在终端滑模换道控制器的作用下到达切换函数s＝0时，横摆角误差不为0，由s＝0得因为q₁＞0，q₂＞0，k₁和l₁为正奇数，且l₁/k₁<1，通过分析微分方程的解知道，在滑动模态，横摆角跟踪误差在有限时间内收敛到0。

由当t→∞，v_y→0。

B33、换道控制

根据期望的横摆角速度和实际的横摆角速度，终端滑模控制器通过对横摆角的控制使得实际横摆角和期望的横摆角的误差趋于0，求得控制变量前轮转向角，对CarSim整车动力学模型进行控制，实现对换道轨迹的跟踪控制，进而达到自动换道控制的目的。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明将前方行人作为主动防碰撞的研究对象，并通过实时计算制动临界距离来判断行车是否处于危险状态并给与相应的自动控制。

2、本发明针对危险情况设计了自动防碰撞控制***，基于期望横向加速度的避撞换道轨迹设计了终端滑模控制器，实现了危险情况下的车辆的自动换道，整个换道变化过程中变化较为平稳，保证了换道过程中较好的平顺性和操纵稳定性，保护了前方行人的安全。

3、本发明采用CarSim软件提供的仿真的CarSim整车动力学模型，包括车体、传动***、制动***、转向***、悬架***和轮胎等，该模型能够模拟车辆运行工况，反映***动态特性并能兼顾模型精确性，使得仿真结果更好的反应真实场景。

附图说明

本发明共有附图2幅，其中：

图1是本发明汽车主动防碰撞控制***组成示意图。

图2是本发明汽车主动防碰撞控制***自动换道控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。如图1所示，一种汽车主动防碰撞自动换道控制***，包括实时行车安全状态判断模块和自动换道控制模块，所述的实时行车安全状态判断模块与自动换道控制模块串联连接；所述的实时行车安全状态判断模块包括制动临界距离模块和安全状态判断模块，所述的自动换道控制模块包括横向动力学和CarSim整车动力学模型模块、期望横摆角速度模块和终端滑模换道控制器模块。

如图2所示，一种汽车主动防碰撞***自动换道控制包括期望横摆角速度，终端滑模控制器，CarSim整车模型和自车传感器部分。期望的横摆角速度W_d和实际横摆角速度W之间的插值作为终端滑模控制器的控制输入，前轮转向角δ作为终端滑模控制器的控制输出，将终端滑模控制器的输出值传递给CarSim整车模型，自身传感器将所获得的实际横摆角速度W再次传给终端滑模控制器的输入端。

Claims (1)

1.一种汽车主动防碰撞自动换道控制***的工作方法，所述的控制***包括实时行车安全状态判断模块和自动换道控制模块，所述的实时行车安全状态判断模块与自动换道控制模块串联连接；所述的实时行车安全状态判断模块包括制动临界距离计算模块和安全状态判断模块，所述的自动换道控制模块包括建立横向动力学和CarSim整车动力学模型模块、求取期望横摆角速度模块和设计终端滑模换道控制器模块；

其特征在于：所述的工作方法包括以下步骤：

A、实时行车安全状态判断

实时行车安全状态判断模块检测到本车前方行人后，本车和前方行人必须保持一定的安全距离，否则将会被判定为处于危险状态，需要对本车进行控制；现对避撞场景做如下简化：

a、只考虑相同车道内前方出现的行人；

b、考虑行车安全为主要目的，并不考虑道路交通效率；

c、同车道前方的行人的速度相对于本车的速度近似为0；

d、只考虑直线道路上的车辆换道并且换道过程中车辆的纵向速度不变；

A1、制动临界距离计算

制动临界距离计算模块建立单车道内本车与前方行人不发生碰撞的最小安全距离模型；在求取制动临界距离时采用基于制动过程的安全距离模型，根据实时获取到同车道前方行人与本车间的相对距离d，来判断车辆是否处于安全状态；行人速度相对于车辆的速度近似为静止，因此得制动临界距离为下式：

式中，v_x0为本车的初始速度t_r为驾驶员反应时间和制动协调时间之和，取值为0.8～1.0s，t_i为减速度增长的时间，取0.1～0.2s，为路面附着系数，的取值为0.6～0.8，g＝9.8m/s²，d₀为本车停止时最低要求的距离；

A2、行车安全状态判断

在获取制动临界距离后，安全状态判断模块对本车的行车安全状态进行判断，判断依据如下公式：

d≤d_w(2)

如果本车与行人之间的实时距离d满足公式(2)，驾驶员仍然没有做出换道行驶或者其他安全措施，则判定为行车危险，需要对本车做自动换道处理；否则，行车处于安全状态，车辆保持原状态行驶；

B、进行自动换道控制

自动换道控制模块基于期望横向加速度的避撞换道轨迹，采用终端滑模控制方法，通过对横摆角的控制，使得实际横摆角和期望的横摆角的误差趋于0，实现对换道轨迹的跟踪，进而实现车辆避撞行人的自动换道控制，具体包括以下步骤：

B1、建立横向动力学和CarSim整车动力学模型

车辆动力学模型采用源于Ackermann所提出的理想模型，仅考虑车辆的横向运动和横摆运动，未涉及车辆纵向速度变化以及侧倾运动的影响；前轮转向的车辆横向动力学模型表示为：

式中，v_x、v_y和分别为车辆纵向速度、横向速度和横摆角速度，m为整车质量，I_z为车辆绕垂直轴的转动惯量，l_f和l_r分别为质心到前轴的距离和质心到后轴的距离，C_f、C_r分别为前后轮胎的侧偏刚度，δ为前轮转向角；令

$u_1=\frac{2C_f{l}_f}{I_z}\mathrm{\&delta;}---\left(5\right)$

$u_2=\frac{2C_f}{m}\mathrm{\&delta;}---\left(6\right)$

则式(3)、(4)简写成

B2、求取期望的横摆角速度

考虑到直车道内的车辆换道，假设换道过程中横向加速度满足正反梯形约束条件：

$J_d\left(t\right)\left\{\begin{array}{cc}{J}_{max}& t_0\&le;t\&le;t_{1}or{t}_4\&le;t\&le;t_5\\ -J_{max}& t_2\&le;t\&le;t_3\\ 0& else\end{array}\right.---\left(9\right)$

上式满足以下条件：

$\begin{array}{c}{t}_1-t_0=t_5-t_4={\mathrm{\&Delta;}}_1\\ t_2-t_1=t_4-t_3={\mathrm{\&Delta;}}_2\\ t_3-t_2=2(t_1-t_0)=2{\mathrm{\&Delta;}}_1\end{array}---\left(10\right)$

式中，t₀为换道开始时刻，t₁为横向加速度正向值达到最大值时刻；t₂为横向加速度正向值开始减小时刻；t₃为横向加速度反向值达到最大值时刻；t₄为横向加速度反向值开始减小时刻，t₅为换道结束时刻，J_max为最大的横向加速度率；对横向加速度率J_d(t)积分得期望横向加速度对期望横向加速度积分得横向速度对横向速度积分得横向位置y_d(t)，Δ₁和Δ₂按下式计算：

Δ₁＝a_max/J_max(11)

${\mathrm{\&Delta;}}_2=-\frac{3}{2}{\mathrm{\&Delta;}}_1+\frac{1}{2}\sqrt{{{\mathrm{\&Delta;}}_1}^2+\frac{4r_w}{J_{max}{\mathrm{\&Delta;}}_1}}\#---\left(12\right)$

式中，r_w为起始车道和目的车道中心线间距，a_max为换道过程中最大横向加速度；假定换道过程中车辆的纵向速度不变，则期望的横摆角、横摆角速度为下式：

B3、终端滑模换道控制器设计

B31、求取前轮转向角控制量

车辆的横摆角速度依靠车载传感器检测，车辆横摆角计算如下：

定义横摆角误差为：

采用终端滑模控制方法，设计切换函数

其中：q₁>0，q₂>0；k₁和l₁为正奇数，且l₁>k₁，对式(17)求导，得

由得等效控制为

设计非线性滑模控制为

$u_{1\_n}=-\mathrm{\&rho;}s-{\mathrm{\&phi;s}}^{k_2/l_2}---\left(20\right)$

其中，ρ＞0，φ＞0；k₂和l₂为正奇数，且l₂>k₂，取控制量为

u₁＝u_{1_equ}+u_{1_n}(21)

为控制车辆侧滑运动的稳定性，令v_y满足

${\stackrel{\&CenterDot;}{v}}_y=-\&part;v_y---\left(22\right)$

根据横向动力学模型，得控制量

最终求得前轮转向角为

$\mathrm{\&delta;}=\frac{u_1-u_2}{2C_f{l}_f/I_z-2C_f/m}---\left(24\right)$

B32、稳定性分析

取Lyapunov函数对其求导，得

推得因此，当s≠0时，说明切换函数s＝0具有渐进可达性；

假定自动换道控制***在终端滑模换道控制器的作用下到达切换函数s＝0时，横摆角误差不为0，由s＝0得因为q₁＞0，q₂＞0，k₁和l₁为正奇数，且l₁/k₁<1，通过分析微分方程的解知道，在滑动模态，横摆角跟踪误差在有限时间内收敛到0；

由当t→∞，v_y→0；

B33、换道控制

根据期望的横摆角速度和实际的横摆角速度，终端滑模控制器通过对横摆角的控制使得实际横摆角和期望的横摆角的误差趋于0，求得控制变量前轮转向角，对CarSim整车动力学模型进行控制，实现对换道轨迹的跟踪控制，进而达到自动换道控制的目的。