CN106114422B - 自主跟车***及其最小安全车间距的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种自主跟车***，***设有安装在车辆前方的前方防撞毫米波雷达，所述前方防撞毫米波雷达经CAN总线输出信号至主控制单元，所述主控制单元输出报警信号至报警提醒单元，所述主控制单元输出制动信号至线控制动单元，所述前方防撞毫米波雷达两侧各安装有一个超声波雷达，所述超声波雷达输出信号至超声波雷达控制单元，所述超声波雷达控制单元经CAN总线输出信号至主控制单元。本发明的优点在于本发明结合低成本超声波雷达对近距离目标的相对距离进行精确测量，弥补了毫米波雷达近距离测距误差偏大的不足。

Description

自主跟车***及其最小安全车间距的控制方法

技术领域

本发明涉及智能车技术领域，具体涉及一种智能车自主跟车***及其最小安全距离控制方法。

背景技术

随着车辆智能化技术的不断发展和用户对车辆智能驾驶的需求，车辆先进辅助驾驶以及智能车在未来将会得到快速普及，给人们的日常生活带来很多便利。其中自主跟车***在高速工况或者城市工况下均可以部分替代人对车辆进行控制。目前的自适应巡航控制***(Adaptive Cruise Control，ACC)能够实现自主跟车控制，采用77GHz毫米波雷达对前方目标进行实时检测。当出现危险时进行报警提醒和制动干预。雷达探测精度只有±0.5米，无法实现近距离精确探测，另外目前采用的模型估算的预警距离和制动干预距离普遍误差较大，无法根据驾驶员、车辆制动性能以及行驶路况进行实时精确估计，导致安全距离过小发生碰撞的风险增加或者安全距离过大降低道路行车效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现一种尽可能减小跟车间距且能够确保行车安全的***。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：自主跟车***，***设有安装在车辆前方的前方防撞毫米波雷达，所述前方防撞毫米波雷达经CAN总线输出信号至主控制单元，所述主控制单元输出报警信号至报警提醒单元，所述主控制单元输出制动信号至线控制动单元，所述前方防撞毫米波雷达两侧各安装有一个超声波雷达，所述超声波雷达输出信号至超声波雷达控制单元，所述超声波雷达控制单元经CAN总线输出信号至主控制单元。

车辆前方设有车辆前视摄像头，所述车辆前视摄像头经CAN总线输出信号至主控制单元。

车辆后方设有跟车探测雷达，所述跟车探测雷达探测车辆后方信息并输出信号至主控制单元，所述主控制单元输出控制信号至车辆后方的显示提示单元。

车辆两侧设有侧向探测雷达，所述侧向探测雷达并输出信号至主控制单元，所述主控制单元输出控制信号至方向控制单元。

基于所述自主跟车***的最小安全车间距的控制方法：

1)***上电；

2)故障自检；

3)若存在故障则进行故障报警，并关闭***，若不存在故障则***启动；

4)实时探测前车状态，通过毫米波雷达传感器、超声波雷达传感器和视觉感知***对前方车辆进行检测和识别，若前车减速，则执行步骤5),否则继续对前方车辆进行实时检测；

5)估算预警距离D_w，然后判断，如果实测距离D是否大于等于D_w，则重复执行步骤5)；

6)碰撞预警，同时估算制动干预距离D_z，然后判断，如果实测距离D是否大于等于D_z，则重复执行步骤6，否则执行步骤7；

7)如果前车静止，本车车速大于0或者本车车速大于前车，则进行制动干预，然后执行步骤8)，否则执行步骤6)；

8)进行安全距离D_h估算,如果实测距离D-D_h大于等于1米，则距离偏大，增加本车制动减速度，执行步骤7；如果实测距离D_h-D大于等于1米，则距离偏小，减小本车制动减速度，执行步骤7；否则本车制动减速度保持，执行步骤7。

式中，v_b为本车当前车速(m·s^-1)；T_d分别为驾驶员响应时间(s)和系数，T_z为制动协调时间(s)；a_b和k为本车制动减速度估计值(m·s^-2)和系数；v_f为前车当前车速(m·s^-1)；a_f为前车制动减速度估计值(m·s^-2)；d为前车和本车停止后本车和前车间的最小安全距离(m)。

假设D_h为本车制动过程中本车和前车安全距离估计值，D为雷达周期测量的本车与前车相对距离，最小安全车距控制模型为：

式中t为雷达测距周期s，d为本车和前车相对速度消除后本车和前车最小安全距离m。

在每个雷达的距离测量周期可以通过调整系数k调整本车制动减速度使得测量值D值接近于估计值D_h。

采集前车间距和车速，以及本车车速，若前车减速度过大致使与前车间距难以满足制动距离，则检测车辆两侧是否车辆或障碍物，若两侧均有障碍物或车辆，则不对方向主动调整，若其中一侧无障碍物或车辆，则向该侧调整本车方向，若两侧均无障碍物或车辆，则向本车右侧调整本车方向。

当主动调整本车方向时，开启所调整方向侧的转向灯，同时鸣笛。

本发明的优点在于本发明结合低成本超声波雷达对近距离目标的相对距离进行精确测量，弥补了毫米波雷达近距离测距误差偏大的不足。本发明采用的安全距离估算模型增加了自学习模块，考虑不同车辆制动性能和驾驶员之间的个性差异，以及行驶路面、前车制动性能和行驶状态等影响因素，适应性更好，安全距离估算更准确。本发明采用了最小安全车距闭环控制模型，克服了测量值作为模型输入的距离估算方法存在的滞后性和失效性，以及安全距离估计普遍偏差较大的问题，保证了最小安全距离控制的稳定性和鲁棒性，弥补了安全距离估算模型受各种因素影响的不足。

本发明同时提出了最小安全车距闭环控制方法，弥补了预警距离和制动干预距离估算偏差较大导致最小安全距离过小或者过大的不足。

附图说明

下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容作简要说明：

图1为自主跟车***框图；

图2为距离控制流程图。

具体实施方式

如图1所示，***包括前方防撞毫米波雷达；前方超声波雷达传感器；前方目标及环境感知摄像头；超声波雷达控制单元，智能车自主跟车控制单元、报警提醒装置以及智能车线控制动控制单元和CAN总线组成。前方防撞毫米波雷达用于实时检测前方运动和静止的目标的相对距离、速度和方位角度，进一步判断车辆直行是否危险及其危险程度，以及是否采集预警或者制动干预。

车辆前方加装2个低成本的超声波传感器配合前视雷达和前视摄像头进行前方道路环境的感知，同时在现有安全距离模型的基础上进行改进，提出安全预警距离估算模型和制动干预距离估算模型，以及制动干预后最小安全车距闭环控制模型，使得自动跟车***既能够保证行车安全，同时提高道路行车效率。

车辆前方100米的范围通过前视毫米波雷达进行检测，配合前方摄像头对前方区域的目标或者障碍物进行检测和识别，前方5米范围内通过超声波雷达配合雷达和摄像头对该区域内的目标或者障碍物进行检测，尤其是安全距离的精确测量。判断其危险程度并进行决策，通过智能车线控制动进行减速避撞。超声波雷达用于检测车辆前方米内的目标和本车的相对距离，弥补前方毫米波雷达近距离探测精度偏低的不足，提高距离探测精度。超声波雷达控制器用于采集超声波雷达的输出信号并通过计算得到目标和雷达的相对距离，并通过雷达的安装位置和车辆坐标系之间的关系计算出目标相对车辆的位置信息。

车辆前视摄像头用于配合前方毫米波雷达进一步识别目标的类型，对目标的危险程度进行进一步判断，给紧急避撞提供依据。雷达和视觉的信息融合能够有效提高前方环境感知的准确性和有效性。

智能自主跟车***除了目标相对距离需要精确检测外，还需要准确的安全距离估算模型估算预警距离和制动干预距离，但是安全距离与驾驶员特性、整车制动性能和行驶工况等动态因素有关，而这些因素很难预估即使通过模型预测也具有滞后性。本发明在现有安全距离模型的基础上，引入自学习模块，充分考虑不同车辆制动性能和驾驶员之间的个性差异，以及行驶路面、前车制动性能和行驶状态等影响因素建立了安全预警距离模型和制动干预距离模型，以及针对测量值作为模型输入的距离估算方法存在的滞后性和失效性，提出了以控制车辆最小安全距离为最终目标的最小安全车距闭环控制模型，在避撞过程中不断调整本车制动减速度，对安全距离进行动态闭环控制，保证本车和前车相对速度消除后，最小安全距离保持在一个恒定的范围，避免过大或者过小，既提高了***距离估算精度、降低了防碰风险，同时也保证了驾乘舒适性和行车效率。

***总控制单元通过CAN总线和超声波雷达控制器以及前视摄像头,毫米波雷达进行通信，获取各传感器的探测数据并通过各传感器的安装位置和各自的坐标***与本车坐标系建立对应关系，得到各传感器探测目标相对本车的具***置、相对速度和距离信息，提供给控制策略算法做决策。控制策略算法根据获取的目标信息结合本车车速和运行状态输出预警信息，并控制报警装置给驾驶员进行提醒或者通过与智能车线控制动单元通信实施制动干预。

此外，车辆后方设有跟车探测雷达，车辆两侧设有侧向探测雷达，侧向探测雷达和跟车探测雷达探测车辆后方信息并输出信号至主控制单元，主控制单元输出控制信号至车辆后方的显示提示单元和方向控制单元。跟车探测雷达可以探测后方车辆的车速和距离，提示单元可以是LED显示装置，提示车辆正常处于自动巡航状态，或者显示车辆刹车力度，给予后方驾驶员警示。方向控制单元可以是自动驾驶单元上的方向盘控制装置，可以控制车辆的方向，用于与自动巡航联动，当车辆制动任然可能出现碰撞可能，可以通过转向进行必然，当然转向前需要通过侧向雷达检测侧面是否具有障碍物或者车辆。

如图2所示，最小安全车间距的控制方法如下：

1)***上电

2)控制单元以及雷达***、视觉感知***以及线控制动单元进行故障自检；

3)如果***出现故障，则进行故障报警，否则执行4；

4)前车状态实施检测，通过毫米波雷达传感器、超声波雷达传感器和视觉感知***对前方车辆进行检测和识别。如果前车减速，则执行步骤5，否则继续对前方车辆进行实时检测；

5)估算预警距离D_w，然后判断，如果实测距离D是否大于等于D_w，则重复执行步骤5，否则执行步骤6；

6)碰撞预警，同时估算制动干预距离D_z，然后判断，如果实测距离D是否大于等于D_z，则重复执行步骤6，否则执行步骤7；

7)如果前车静止，本车车速大于0或者本车车速大于前车，则进行制动干预，然后执行步骤8，否则执行步骤6；

8)进行安全距离D_h估算,如果实测距离D-D_h大于等于1米，则距离偏大，增加本车制动减速度，执行步骤7；如果实测距离D_h-D大于等于1米，则距离偏小，减小本车制动减速度，执行步骤7；否则本车制动减速度保持，执行步骤7。

若探测到后方有车或后方跟随本车的车速过快或距离过近，可以通过显示单元给予后车提示，同时本车启动跟车***后，也可通过显示单元让后车知道本车目前处于自动驾驶状态。

此外，采集前车间距和车速，以及本车车速，若前车减速度过大致使与前车间距难以满足制动距离，则检测车辆两侧是否车辆或障碍物，若两侧均有障碍物或车辆，则不对方向主动调整，若其中一侧无障碍物或车辆，则向该侧调整本车方向，若两侧均无障碍物或车辆，则向本车右侧调整本车方向。

当本车在正常跟车行驶运行中，突然发现前车紧急减速。本车随后采取制动减速避撞，前车运行状态即最终车速无法预知，故预警距离D_w和制动干预距离D_z的估计，假设以前车最终停止，后车也停止为前提进行预估，则该工况下安全距离估算模型为：

式中，v_b为本车当前车速(m·s^-1)；T_d分别为驾驶员响应时间(s)和系数，T_z为制动协调时间(s)；a_b和k为本车制动减速度估计值(m·s^-2)和系数；v_f为前车当前车速(m·s^-1)；a_f为前车制动减速度估计值(m·s^-2)；d为前车和本车停止后本车和前车间的最小安全距离(m)。

通过自学习模块对本车制动性能评估结果对参数l进行修正调整模型中本车制动减速度a_b预设值，以匹配本车制动性能。通过自学模块对驾驶员响应时间的评估结果，调整模型中驾驶员响应时间T_d预设值。通过自学习模块对制动***协调时间的评估结果，调整模型中驾驶员响应时间T_z预设值。通过路面识别模块调整k进行修正，调整模型中本车和前车制动减速度a^b预设值，以匹配当前行驶路面。通过对相关参数的自适应修正，使的安全距离估算更趋合理，更符合实际应用场景，估计更准确，保证车辆不发生碰撞的同时，保持较高的行车效率、驾乘舒适性及驾驶体验。公式(1)(2)只适用于估计开始预警距离和制动干预距离。如果在本车减速过程中不实时调整本车制动减速度，则本车和前车相对速度消除后最小安全距离和理想的距离可能出现偏差过大或者过小，无法保持较高的避撞概率和行车效率。要保持本车和前车相对车速消除后最小安全距离保持在理想范围。针对车辆制动干预后的运行状态工况，提出了一种闭环逼近自适应最小安全距离估算控制模型。在本车开始制动减速后，影响d值的因素主要是前车制动距离和本车制动距离，通过调节本车制动减速度对制动距离进行调整，保证d在一个理想的范围内。

假设D_h为本车制动过程中本车和前车安全距离估计值，D为雷达周期测量的本车与前车相对距离，最小安全车距控制模型为：

式中t为雷达测距周期(s)，d为本车和前车相对速度消除后本车和前车最小安全距离(m)，理想情况下每个测距周期测量的相对距离D应该和D_h接近，保持在一定的误差范围。如果D过大则d可能过大，本车可能会急减速，造成驾乘人员的不舒适感，同时降低道路行车效率。如果D过小则d可能过小，增加碰撞风险。模型中前车制动减速度参数除了根据路面识别模块进行调整外，基本保持不变。故在每个雷达的距离测量周期可以通过调整系数k调整本车制动减速度使得测量值D值接近于估计值D_h，采用这种估算方法则不需要考虑前车最终的运行车速，在实际场景中实用性更强，保持d值在合理范围内。a_b与a_f根据毫米波雷达实时采集的相对车速和本车实时车速进行更新，形成一个闭环预估模型，通过实时调整本车制动减速度参数系数l调整相对安全距离，使得相对车速消除后相对距离d更趋于合理。

其中T_d一般取值范围0.4s～1.5s，典型值1s；T_z一般取值为200～400ms,典型值300ms；a_b一般取值范围3.0～9.8m·s^-2,典型值：轿车制动减速度；5.5m·s^-2；卡车制动减速度3.6m·s^-2。系数j,k,l,m预设置均为1，变化范围0.5～1.5；d取值范围1～2m。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.自主跟车***，***设有安装在车辆前方的前方防撞毫米波雷达，所述前方防撞毫米波雷达经CAN总线输出信号至主控制单元，所述主控制单元输出报警信号至报警提醒单元，所述主控制单元输出制动信号至线控制动单元，其特征在于：所述前方防撞毫米波雷达两侧各安装有一个超声波雷达，所述超声波雷达输出信号至超声波雷达控制单元，所述超声波雷达控制单元经CAN总线输出信号至主控制单元；

车辆前方设有车辆前视摄像头，所述车辆前视摄像头经CAN总线输出信号至主控制单元；

车辆后方设有跟车探测雷达，所述跟车探测雷达探测车辆后方信息并输出信号至主控制单元，所述主控制单元输出控制信号至车辆后方的显示提示单元；

车辆两侧设有侧向探测雷达，所述侧向探测雷达并输出信号至主控制单元，所述主控制单元输出控制信号至方向控制单元；

基于所述自主跟车***的最小安全车间距的控制方法：

1)***上电；

2)故障自检；

3)若存在故障则进行故障报警，并关闭***，若不存在故障则***启动；

4)实时探测前车状态，通过毫米波雷达传感器、超声波雷达传感器和视觉感知***对前方车辆进行检测和识别，若前车减速，则执行步骤5),否则继续对前方车辆进行实时检测；

5)估算预警距离D_w，然后判断，如果实测距离D是否大于等于D_w，则重复执行步骤5)；

6)碰撞预警，同时估算制动干预距离D_z，然后判断，如果实测距离D是否大于等于D_z，则重复执行步骤6)，否则执行步骤7)；

7)如果前车静止，本车车速大于0或者本车车速大于前车，则进行制动干预，然后执行步骤8)，否则执行步骤6)；

8)进行安全距离D_h估算,如果实测距离D-D_h大于等于1米，则距离偏大，增加本车制动减速度，执行步骤7；如果实测距离D_h-D大于等于1米，则距离偏小，减小本车制动减速度，执行步骤7；否则本车制动减速度保持，执行步骤7。

2.根据权利要求1所述的自主跟车***的最小安全车间距的控制方法，其特征在于：

$D_w=(v_f-v_b)\×T_d+(v_f-v_b)\×T_z+\frac{v_b^2}{2\×k\×a_b}-\frac{v_f^2}{2\×a_f}+d$

$D_z=(v_f-v_b)\×T_z+\frac{v_b^2}{2\×k\×a_b}-\frac{v_f^2}{2\×a_f}+d$

式中，v_b为本车当前车速m·s^-1；T_d分别为驾驶员响应时间s，T_z为制动协调时间s；a_b和k为本车制动减速度估计值m·s^-2和系数；v_f为前车当前车速m·s^-1；a_f为前车制动减速度估计值m·s^-2；d为前车和本车停止后本车和前车间的最小安全距离m。

3.根据权利要求1所述的自主跟车***的最小安全车间距的控制方法，其特征在于：假设D_h为本车制动过程中本车和前车安全距离估计值，D为雷达周期测量的本车与前车相对距离，最小安全车距控制模型为：

$D_h=(v_b\×t-\frac{k\×a_b\×t^2}{2})-(v_f\×t-\frac{a_f\×t^2}{2})+d$

式中t为雷达测距周期s，d为本车和前车相对速度消除后本车和前车最小安全距离m。

4.根据权利要求3所述的自主跟车***的最小安全车间距的控制方法，其特征在于：在每个雷达的距离测量周期可以通过调整系数k调整本车制动减速度使得测量值D值接近于估计值D_h。

5.根据权利要求1所述的自主跟车***的最小安全车间距的控制方法，其特征在于：采集前车间距和车速，以及本车车速，若前车减速度过大致使与前车间距难以满足制动距离，则检测车辆两侧是否车辆或障碍物，若两侧均有障碍物或车辆，则不对方向主动调整，若其中一侧无障碍物或车辆，则向该侧调整本车方向，若两侧均无障碍物或车辆，则向本车右侧调整本车方向。

6.根据权利要求5所述的自主跟车***的最小安全车间距的控制方法，其特征在于：当主动调整本车方向时，开启所调整方向侧的转向灯，同时鸣笛。