CN111942150B - 一种车辆安全驾驶智能控制***及控制方法 - Google Patents

一种车辆安全驾驶智能控制***及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及汽车控制技术领域，具体地指一种车辆安全驾驶智能控制***及控制方法。包括***控制器、疲劳驾驶监测***、电动助力转向***、油门信号单元、车速信号单元和动力域控制***；疲劳驾驶监测***输出驾驶员疲劳强度信号、电动助力转向***输出方向盘转角信号、油门信号单元输出油门开度信号、车速信号单元输出车速信号至***控制器；***控制器根据输入的各种信号进行疲劳等级判断，并根据疲劳等级输出相应指令至动力域控制***；***控制器根据疲劳强度和方向盘转角变化率通过模糊控制发出车辆动力扭矩限值给动力域控制***，动力域控制***根据车辆动力扭矩限值控制车辆。本发明有效提高车内安全和车外生命体安全。

Description

一种车辆安全驾驶智能控制***及控制方法
技术领域
本发明涉及汽车控制技术领域，具体地指一种车辆安全驾驶智能控制***及控制方法。
背景技术
根据国家交通部门的相关统计，疲劳驾驶造成的交通事故占总起数的20％左右，占特大交通事故的40％以上。
目前公开了很多低成本或高技术检测手段的疲劳检测方法，只有车辆驾驶辅助控制***配合疲劳检测***才能够减少疲劳驾驶造成的交通事故。在检测到驾驶员疲劳驾驶后，通过驾驶辅助***对车辆的控制实现降低交通事故的风险。
公开专利CN105857075A《汽车疲劳驾驶安全防护***及方法》将疲劳强度划分四个等级，无疲劳驾驶、轻度疲劳驾驶、中度疲劳驾驶和重度疲劳驾驶。针对不同疲劳强度不同程度限制油门开度，并根据发动机转速和车速对轻度疲劳驾驶油门开度进行修正。这种控制方法确实能够提高汽车疲劳驾驶的防护程度，但控制策略并不能达到精确控制的要求，针对越来越复杂的驾驶情况，目前的疲劳驾驶安全方法的方法需要进一步调整，以达到根据疲劳驾驶情况精确控制驾驶车辆的目的。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术提到的技术问题，提供一种车辆安全驾驶智能控制***及控制方法。
本发明的技术方案为：一种车辆安全驾驶智能控制***，其特征在于：包括***控制器、疲劳驾驶监测***、电动助力转向***、油门信号单元、车速信号单元和动力域控制***；
所述疲劳驾驶监测***输出驾驶员疲劳强度信号、电动助力转向***输出方向盘转角信号、油门信号单元输出油门开度信号、车速信号单元输出车速信号至***控制器；***控制器根据输入的各种信号进行疲劳等级判断，并根据疲劳等级输出相应指令至动力域控制***；
所述疲劳等级分为无疲劳强度、第一级疲劳强度和第二级疲劳强度；
当疲劳等级为第一级疲劳等级时，***控制器根据第一级疲劳强度和方向盘转角变化率通过模糊控制发出车辆动力扭矩限值给动力域控制***，动力域控制***根据车辆动力扭矩限值控制车辆。
进一步的还包括影音娱乐域控制***；所述影音娱乐域控制***与***控制器信号连接用于接收***控制器发送的车内语音提示信号。
进一步的还包括车身域控制***；所述车身域控制***与***控制器信号连接用于接收***控制器发送的车灯报警信号。
进一步的还包括底盘域控制***；所述底盘域控制***与***控制器信号连接用于接收***控制器发送的刹车信号。
进一步的所述***控制器、疲劳驾驶监测***、电动助力转向***、油门信号单元、车速信号单元、动力域控制***、影音娱乐域控制***、车身域控制***和底盘域控制***之间通过CAN通信或是通过车载以太网交互。
一种车辆安全驾驶智能控制***的车辆控制方法，其特征在于：接收驾驶员疲劳强度信号，根据驾驶员疲劳强度判断疲劳等级，并根据疲劳等级输出相应动作：
当判断为无疲劳驾驶时，***控制器不做任何安全辅助处理；
当判断为第一级疲劳驾驶时，***控制器根据第一级疲劳强度和方向盘转角变化率通过模糊控制发出车辆动力扭矩限值给动力域控制***，动力域控制***根据车辆动力扭矩限值控制车辆；
当判断为第二级疲劳驾驶时，***控制器请求影音娱乐域控制***提醒驾驶员停车。
进一步的所述模糊控制为建立以疲劳强度和方向盘转角变化率绝对值为输入、最大扭矩比例为输出的模糊控制方法；所述疲劳强度的模糊集合为{mf11，mf21，mf31，mf41，mf51}，论域设定为[0，0.85]；方向盘转角变化率绝对值的模糊集合为{mf12，mf22，mf32，mf42，mf52}，论域设定为[0，300]；最大扭矩比例的模糊集合为{mf13，mf23，mf33，mf43，mf53}，论域设定为[0，1]；所述的车辆动力扭矩限值为最大扭矩比例与未发生疲劳驾驶时车辆扭矩限值的乘积。
进一步的当判断为第一级疲劳驾驶时，***控制器进行第一控制措施；所述第一控制措施包括根据第一级疲劳强度和方向盘转角变化率限制最大扭矩能力、***控制器根据疲劳强度限制油门增大的开度变化率、***控制器请求影音娱乐域控制***发出语音或/和仪表提醒，***控制器请求车身域控制***发出车灯提醒。
进一步的当***控制系完成第一控制措施后，再次监测驾驶员疲劳强度，若仍然判断为第一级疲劳驾驶时，***控制系再次进行第一控制措施；若判断为无疲劳驾驶时，***控制器请求影音娱乐域控制***更新语音提醒和仪表提醒、请求车身域控制***取消车灯提醒。
进一步的当判断为无疲劳驾驶的时间超过第一预设时间时，***控制器取消最大扭矩能力限制和取消油门增大的开度变化率限制。
进一步的当判断为第二级疲劳驾驶时，开始计时，超过第二预设时间后，若车辆仍未停车，则***控制器进行第二控制措施；所述第二控制措施为通过对车辆进行零扭矩控制、使油门信号无效、对车辆进行刹车使车辆停机，并通过影音娱乐域控制***发出语音提醒和仪表提醒。
进一步的当车辆停机后，开始计时，若超过第一停机预设时间，***控制器请求影音娱乐域控制***发出语音提醒和仪表提醒提示驾驶员可启动发动机，若车辆开始启动运行，***控制器限制最大扭矩能力以控制车速，并请求影音娱乐域控制***发出语音提醒和仪表提醒；待超过第二停机预设时间后，***控制器解除对扭矩和车速的限制，并请求影音娱乐域控制***发出语音提醒和仪表提醒。
进一步的当车辆停机后，开始计时，若超过第一停机预设时间，***控制器请求影音娱乐域控制***发出语音提醒和仪表提醒提示驾驶员可启动发动机，若车辆并未开始启动运行，直至超过第二停机预设时间，***控制器解除对扭矩和车速的限制，并请求影音娱乐域控制***发出语音提醒和仪表提醒。
本发明的优点有：1、本发明的控制***实时监测驾驶员疲劳强度，在疲劳强度较轻时，根据疲劳强度和方向盘转角变化率通过模糊控制限制动力域***的扭矩输出和油门增大的开度变化率，将相关专家的知识和思维、学习与推理、联想和决策过程由计算机来实现辨识和建模，并进行控制；在疲劳强度较高时首先提醒驾驶员停车休息，如果驾驶员未停车休息，则通过控制车辆停车保证人身安全；且在停车后提醒驾驶员移车至安全停车位置，并限制车辆动力；在保证车辆足够休息后可恢复动力；有效避免车内安全和车外生命体安全；
2、本发明的控制***包括包括用于提醒驾驶员的影音娱乐域控制***、用于提醒车外的车身域控制***和控制刹车的底盘域控制***，能够多层面的对车内和车外人员进行提醒，通过控制刹车降低车速，能够提高驾乘人员的安全；
3、本发明的控制方法通过模糊控制的方式将驾驶员的疲劳强度和方向盘转角同最大扭矩限值联系起来，并通过前两者来对后者进行控制，将相关专家的知识和思维、学习与推理、联想和决策过程由计算机来实现辨识和建模，使控制精度更高，更能反映真实需求；
4、本发明的模糊控制采用25条模糊控制规则，将驾驶员的疲劳强度和方向盘转角同最大扭矩限值联系起来，可方便的根据驾驶员的疲劳强度和方向盘转角调节最大扭矩限值，增强对车辆处于疲劳驾驶时的智能化控制程度；
5、本发明在判断为第一级疲劳强度时，除了对扭矩进行控制，还对油门增大的开度变化率进行控制，并通过影音娱乐域控制***发出语音或/和仪表提醒或/和请求车身域控制***发出车灯提醒，即实线了车内提醒和车外提醒；
6、本发明在判断为第一级疲劳强度时，对车辆进行持续控制，若仍然判断为第一级疲劳强度，再次进行第一控制措施，直至判断为无疲劳强度，并发出提醒，取消车灯提醒；
7、本发明在驾驶员的疲劳等级判断为无疲劳驾驶时，要延续一段时间，确认驾驶员确实脱离了疲劳驾驶，然后才能取消对扭矩和油门的限制，避免出现误判；
8、本发明在判断为第二疲劳强度时，控制***提醒对车辆进行停机处理，若车辆并未停机，则***强制控制扭矩和油门对车辆进行停机，避免因为严重疲劳驾驶出现的安全问题发生；
9、本发明在判断为第二疲劳强度后，停机超过一定时间后，才能再次启动，以避免驾驶员再次疲劳驾驶，并且再次启动后，驾驶员只能对车辆进行有限的控制，只有超过一定时间，确认驾驶员确实脱离了疲劳驾驶状况，***才完全解除限制，这样能够确保驾驶员确实脱离疲劳驾驶，进一步提高安全性；
10、本发明在判断为第二疲劳强度后，如果停机时间超过设定的第二停机预设时间，则可以直接启动车辆，***解除对车辆的限制，因为此时判断驾驶员休息了一段时间，已经脱离了疲劳状况。
本发明的智能化***能够根据驾驶员的疲劳情况采取不同的控制策略，根据模糊控制的方法控制最大扭矩限值的输出，更加智能化的应对驾驶员的疲劳情况，有效提高车内安全和车外生命体安全，具有极大的推广价值。
附图说明
图1：本发明的控制策略图；
图2：疲劳强度的隶属函数；
图3：方向盘转角变化率绝对值的隶属函数；
图4：最大扭矩比例的隶属函数。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本实施例的车辆安全驾驶智能控制***包括***控制器、疲劳驾驶监测***、电动助力转向***、油门信号单元、车速信号单元、动力域控制***、影音娱乐域控制***、车身域控制***和底盘域控制***，***控制器、疲劳驾驶监测***、电动助力转向***、油门信号单元、车速信号单元、动力域控制***、影音娱乐域控制***、车身域控制***和底盘域控制***之间通过CAN通信或是通过车载以太网交互。
其中，疲劳驾驶监测，可集成在***控制器中；与***控制器通过网络连接，连接方式可以是CAN信号交互，也可以是车载以太网交互，疲劳驾驶监测***反馈驾驶员的疲劳强度给***控制器；
电子助力转向***，可集成在***控制器中；也可以是目前市面上公开的EPS(Electronic Power Steering)；连接方式可以是CAN信号交互，也可以是车载以太网交互，电子阻力转向***反馈方向盘转角给***控制器；
油门信号单元和车速信号单元，可与***控制器进行硬线连接，也可以通过CAN信号交互，也可以是车载以太网交互，油门信号单元可反馈油门开度给车辆安全驾驶智能控制***；车速信号单元可反馈车速给***控制器；
以上为本实施例的智能控制***的输入单元。
动力域控制***，可接收***控制器的动力扭矩控制指令控制车辆动力扭矩的输出，与***控制器的连接方式可以是CAN信号交互，也可以是车载以太网交互；
影音娱乐域控制***，可通过仪表显示和(或)警示音(如声音，鸣叫等方式)提醒驾驶员疲劳强度信息，且提示当前安全驾驶智能控制信息，与***控制器的连接方式可以是CAN信号交互，也可以是车载以太网交互；
车身域控制***，可接收***控制器的车灯控制指令提醒周围环境生命体，与***控制器的连接方式可以是CAN信号交互，也可以是车载以太网交互；
底盘域控制***，可接收***控制器发出的刹车信号完成刹车指令，与***控制器的连接方式可以是CAN信号交互，也可以是车载以太网交互；
以上为本实施例的智能控制***的输入单元。
***控制器将从疲劳驾驶监测***接收到的驾驶员的疲劳强度划分成三级，无疲劳强度，第一级疲劳强度和第二级疲劳强度。
本实例中将疲劳强度归一化处理，得到SFatigueDriving，且0≤SFatigueDriving≤1。
如果疲劳强度SFatigueDriving＝0，则表征为无疲劳强度；
如果疲劳强度为0＜SFatigueDriving＜SFatigue1stMax，则表征为第一级疲劳强度；
如果疲劳强度为SFatigue1stMax＜SFatigueDriving≤1，则表征为第二疲劳强度。
本实例中，SFatigue1stMax取0.85。
其中无疲劳强度时，***控制器不做任何安全辅助处理。
当***控制器接收到驾驶员处于第一级疲劳强度时：
1.***控制器根据第一级疲劳强度和方向盘转角变化率通过模糊控制发出车辆动力扭矩限值给动力域控制***，动力域控制***接收限扭请求控制车辆；
模糊控制，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术，它实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制是从行为上模仿人的模糊推理和决策过程的一种智能控制方法。该方法首先将操作人员或专家经验编成模糊规则，即构建隶属度函数，然后将来自传感器的实时信号模糊化，将模糊化后的信号作为模糊规则的输入，完成模糊推理，将推理后得到的输出量加到执行器上，所构建的隶属度函数可根据试验效果和实际需求进行调整。获取不同疲劳强度下车辆动力扭矩限制值；根据不同疲劳强度下车辆动力扭矩限制值进行模糊规则编写，构建疲劳强度对应的隶属度函数；
本实例中疲劳强度SFatigueDriving和驾驶员方向盘转角变化率绝对值dθSteeringRateAbs作为模糊控制的输入；其中输入疲劳强度SFatigueDriving的模糊集合为{mf11，mf21，mf31，mf41，mf51}，论域可以设为[0，0.85]，其隶属函数如图2所示；模糊控制的另外一个输入为方向盘转角变化率绝对值dθSteeringRateAbs(°/s)，其模糊集合为{mf12，mf22，mf32，mf42，mf52}，论域可以设为[0，300]，其隶属函数如图3所示；
模糊控制的输出为最大扭矩比例r(最大扭矩比例乘以疲劳未发生时的车辆扭矩限值为最终的最大扭矩限值)，最大扭矩比例r的模糊集合为{mf13，mf23，mf33，mf43，mf53}，论域可以设为[0，1]，其隶属函数如图4所示；
如下表所示，表1：最大扭矩比例r与疲劳强度SFatigueDriving和方向盘转角变化率绝对值dθSteeringRateAbs呈对应关系
Figure GDA0002681796310000081
如表1所示，本专利采用25条模糊控制规则，其模糊控制规则中，输出的最大扭矩比例r与输入的疲劳强度SFatigueDriving和方向盘转角变化率绝对值dθSteeringRateAbs呈对应关系；本实施例中通过重心法解模糊得到大扭矩比例r的精确值；
2.***控制器请求影音娱乐域控制***发出语音或/和仪表提醒驾驶员疲劳状态以及车辆处于限扭状态，和/或请求车身域控制***发出双闪车灯提醒；
3.根据第一级疲劳强度控制油门增大的开度变化率限值，进而限制动力域控制***扭矩的变化；在油门开度增大时限值油门增大的开度变化率，在油门开度减小时，不限制油门增大的开度变化率；第一级疲劳强度与油门增大的开度变化率限值对应关系表如下：
表2：第一级疲劳强度与油门增大的开度变化率限值对应表
Figure GDA0002681796310000091
经过***控制器的控制后，如果疲劳驾驶强度从第一级疲劳强度更新为无疲劳强度，则取消请求车身域控制***发出车灯提醒，并更新第2条的影音娱乐域控制***的语音或/和仪表提醒，开始计时，若无疲劳强度的时间超过第一预设时间即5min后，认为驾驶员基本上脱离疲劳驾驶情况，***控制器取消上述的第1条和第3条的控制，即解除最大扭矩能力限制和油门增大的开度变化率限值。
当***控制器接收到驾驶员处于第二级疲劳强度时：
1.***控制器请求影音娱乐域控制***发出语音或/和仪表提醒驾驶员将车辆停车至允许停车的位置；
2.如果车辆在第二级疲劳驾驶强度下超过第二预设时间，本实例为0.5s，***控制器仍未检测到车辆停车，则***控制器发出零扭矩请求给动力域控制***，且油门信号接收为无效信号，且控制车辆刹车；同时***控制器请求影音娱乐域控制***发出语音或/和仪表提醒给驾驶员当前油门信号无效以及车辆处于刹车状态；
3.在车辆停车后超过第一停机预设时间，本实施例为5min，***控制器请求影音娱乐域控制***发出语音或/和仪表提醒驾驶员可启动发动机；目的是避免车辆并未停在允许停车的位置，可将车辆移至允许停车的位置，避免造成交通堵塞；
如果车辆启动，***控制器控制车速限制在预设车速6km/h以内，并请求动力域控制***限制扭矩在较低预设值(最大扭矩限值的30％)，且***控制器请求影音娱乐域控制***发出语音或/和仪表提醒显示此时车速和动力处于被限制状态；
在***控制器检测到车辆连续停车超过第二停机预设时间20min，且无疲劳强度状态时，解除车速限制、扭矩限制和语音提醒；当判断为第二级疲劳驾驶强度时，车辆停车后，计算停机时间，只要停机时间超过第二停机预设时间20min，监测驾驶员无疲劳强度状态，即可认为驾驶员脱离疲劳驾驶状况，解除车速限制、扭矩限制和语音提醒。
如图1所示，为本实施例的控制策略图。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (12)

1.一种车辆安全驾驶智能控制***，其特征在于：包括***控制器、疲劳驾驶监测***、电动助力转向***、油门信号单元、车速信号单元和动力域控制***；
所述疲劳驾驶监测***输出驾驶员疲劳强度信号、电动助力转向***输出方向盘转角信号、油门信号单元输出油门开度信号、车速信号单元输出车速信号至***控制器；***控制器根据输入的各种信号进行疲劳等级判断，并根据疲劳等级输出相应指令至动力域控制***；
所述疲劳等级分为无疲劳强度、第一级疲劳强度和第二级疲劳强度；
当疲劳等级为第一级疲劳强度时，***控制器根据第一级疲劳强度和方向盘转角变化率通过模糊控制发出车辆动力扭矩限值给动力域控制***，动力域控制***根据车辆动力扭矩限值控制车辆；
所述模糊控制为建立以疲劳强度和方向盘转角变化率绝对值为输入、最大扭矩比例为输出的模糊控制方法；所述疲劳强度的模糊集合为{mf11，mf21，mf31，mf41，mf51}，论域设定为[0，0.85]；方向盘转角变化率绝对值的模糊集合为{mf12，mf22，mf32，mf42，mf52}，论域设定为[0，300]；最大扭矩比例的模糊集合为{mf13，mf23，mf33，mf43，mf53}，论域设定为[0，1]；所述的车辆动力扭矩限值为最大扭矩比例与未发生疲劳驾驶时车辆扭矩限值的乘积。
2.如权利要求1所述的一种车辆安全驾驶智能控制***，其特征在于：还包括影音娱乐域控制***；所述影音娱乐域控制***与***控制器信号连接用于接收***控制器发送的车内语音提示信号。
3.如权利要求2所述的一种车辆安全驾驶智能控制***，其特征在于：还包括车身域控制***；所述车身域控制***与***控制器信号连接用于接收***控制器发送的车灯报警信号。
4.如权利要求3所述的一种车辆安全驾驶智能控制***，其特征在于：还包括底盘域控制***；所述底盘域控制***与***控制器信号连接用于接收***控制器发送的刹车信号。
5.如权利要求4所述的一种车辆安全驾驶智能控制***，其特征在于：所述***控制器、疲劳驾驶监测***、电动助力转向***、油门信号单元、车速信号单元、动力域控制***、影音娱乐域控制***、车身域控制***和底盘域控制***之间通过CAN通信或是通过车载以太网交互。
6.一种具有如权利要求4或5所述的车辆安全驾驶智能控制***的车辆控制方法，其特征在于：接收驾驶员疲劳强度信号，根据驾驶员疲劳强度判断疲劳等级，并根据疲劳等级输出相应动作：
当判断为无疲劳驾驶时，***控制器不做任何安全辅助处理；
当判断为第一级疲劳驾驶时，***控制器根据第一级疲劳强度和方向盘转角变化率通过模糊控制发出车辆动力扭矩限值给动力域控制***，动力域控制***根据车辆动力扭矩限值控制车辆；
当判断为第二级疲劳驾驶时，***控制器请求影音娱乐域控制***提醒驾驶员停车。
7.如权利要求6所述的车辆控制方法，其特征在于：当判断为第一级疲劳驾驶时，***控制器进行第一控制措施；所述第一控制措施包括根据第一级疲劳强度和方向盘转角变化率限制最大扭矩能力、***控制器根据疲劳强度限制油门增大的开度变化率、***控制器请求影音娱乐域控制***发出语音或/和仪表提醒，***控制器请求车身域控制***发出车灯提醒。
8.如权利要求7所述的车辆控制方法，其特征在于：当***控制系完成第一控制措施后，再次监测驾驶员疲劳强度，若仍然判断为第一级疲劳驾驶时，***控制系再次进行第一控制措施；若判断为无疲劳驾驶时，***控制器请求影音娱乐域控制***更新语音提醒和仪表提醒、请求车身域控制***取消车灯提醒。
9.如权利要求8所述的车辆控制方法，其特征在于：当判断为无疲劳驾驶的时间超过第一预设时间时，***控制器取消最大扭矩能力限制和取消油门增大的开度变化率限制。
10.如权利要求6所述的车辆控制方法，其特征在于：当判断为第二级疲劳驾驶时，开始计时，超过第二预设时间后，若车辆仍未停车，则***控制器进行第二控制措施；所述第二控制措施为通过对车辆进行零扭矩控制、使油门信号无效、对车辆进行刹车使车辆停机，并通过影音娱乐域控制***发出语音提醒和仪表提醒。
11.如权利要求10所述的车辆控制方法，其特征在于：当车辆停机后，开始计时，若超过第一停机预设时间，***控制器请求影音娱乐域控制***发出语音提醒和仪表提醒提示驾驶员可启动发动机，若车辆开始启动运行，***控制器限制最大扭矩能力以控制车速，并请求影音娱乐域控制***发出语音提醒和仪表提醒；待超过第二停机预设时间后，***控制器解除对扭矩和车速的限制，并请求影音娱乐域控制***发出语音提醒和仪表提醒。
12.如权利要求11所述的车辆控制方法，其特征在于：当车辆停机后，开始计时，若超过第一停机预设时间，***控制器请求影音娱乐域控制***发出语音提醒和仪表提醒提示驾驶员可启动发动机，若车辆并未开始启动运行，直至超过第二停机预设时间，***控制器解除对扭矩和车速的限制，并请求影音娱乐域控制***发出语音提醒和仪表提醒。
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