CN113002537A - 一种基于人工势场法的车辆主动避撞方法 - Google Patents

一种基于人工势场法的车辆主动避撞方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于人工势场法的车辆主动避撞方法，包括以下步骤，获取车辆自身与环境信息；通过分析车辆自身与环境信息，建立车辆斥力人工势场模型，得到车辆当前所受虚拟斥力；通过车辆可见障碍物斥力以及盲区虚拟斥力判断是否需要进行主动避撞；在需要进行主动避撞时，利用人工势场模型规划主动避撞路径；按照所规划的路径由电子控制单元ECU控制避撞；对当前驾驶员操作输入进行判断，决策是否归还车辆控制权；本发明结构合理，避撞路径规划效果好，安全性高。

Description

一种基于人工势场法的车辆主动避撞方法
技术领域
本发明是一种基于人工势场法的车辆主动避撞方法，属于行驶安全技术领域。
背景技术
随着汽车保有量的快速增长，道路交通安全问题已经随着汽车保有量的快速增长，道路交通安全问题已经成为各国政府和社会关注的重要问题。美国国家高速公路安全委员会(NHTSA)的调研表明，在道路交通致死事故中，因驾驶员过失造成的约占90％，而因车辆故障造成的仅占约3％。发展先进的车辆主动安全***是现代道路交通的迫切需求。车辆主动安全***中的重要环节是车辆的主动避撞方法的研究与开发。
现有技术中，现有的主动避撞方法在复杂交通环境下的避撞路径规划效果不好，且未考虑到传感器视野盲区所带来的潜在交通事故风险，安全性能低，现在急需一种基于人工势场法的车辆主动避撞方法来解决上述出现的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种基于人工势场法的车辆主动避撞方法，以解决上述背景技术中提出的问题，本发明结构合理，避撞路径规划效果好，安全性高。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种基于人工势场法的车辆主动避撞方法，包括以下步骤，
步骤(A)，获取车辆自身与环境信息；
步骤(B)，通过分析车辆自身与环境信息，建立车辆斥力人工势场模型，得到车辆当前所受虚拟斥力；
步骤(C)，通过车辆可见障碍物斥力以及盲区虚拟斥力判断是否需要进行主动避撞；
步骤(D)，在需要进行主动避撞时，利用人工势场模型规划主动避撞路径；
步骤(E)，按照步骤(D)所规划的路径由电子控制单元ECU控制避撞；
步骤(F)，对当前驾驶员操作输入进行判断，决策是否归还车辆控制权；
步骤(G)，单位时间之后，重复步骤(A)至步骤(F)直到车辆到达安全地点。
进一步地，步骤(A)，所描述的车辆自身与环境信息通过激光雷达与CCD工业相机获取，所获取的车辆自身与环境信息包括有，
(A1)，当前行驶道路两侧障碍物信息；
(A2)，当前行驶前方障碍物信息；
(A3)，当前交通信号灯信息；
(A4)，当前传感器视野盲区信息。
进一步地，步骤(B)，所描述的车辆当前所受虚拟斥力包括下列斥力，
(B1)，前方及侧向障碍物斥力
Figure BDA0002979092980000031
其中，
Figure BDA0002979092980000032
为障碍物与车辆相对距离，
Figure BDA0002979092980000033
为障碍物与车辆相对速度，Mvehicle为车辆当前运动状态，Ssafe-r为障碍物与车辆理论安全距离；
(B2)，信号指示灯斥力
Figure BDA0002979092980000034
其中，
Figure BDA0002979092980000035
为车辆与交通信号灯相对距离，Ssafe为车辆与交通信号灯安全距离阈值，Mlight为信号灯当前显示，Ssafe-light为车辆与交通信号灯理论安全距离；
(B3)，前方检测盲区斥力
Figure BDA0002979092980000036
其中，
Figure BDA0002979092980000037
为车辆与盲区边界相对距离，
Figure BDA0002979092980000038
为车辆与盲区边界相对速度，Ssafe-blind为车辆与盲区边界理论安全距离。
进一步地，步骤(C)，所描述的汽车主动避撞判断，采用阈值判断，分别计算可见障碍物斥力与盲区潜在障碍物斥力，若计算结果大于对应斥力阈值，则判定需要进行主动避撞操作。
进一步地，步骤(D)，所描述的人工势场模型包括当前环境下的虚拟斥力、虚拟引力，其中，虚拟引力包括当前全局规划虚拟引力、安全换道虚拟引力；虚拟斥力包括前方障碍物斥力、信号指示灯斥力、侧向障碍物斥力、前方检测盲区斥力。
进一步地，步骤(D)，所描述的人工势场模型规划主动避撞路径，其方法为：求出待规划位置所受所有斥力与引力的合力，合力方向为该位置车辆的理想避撞规划方向。
进一步地，步骤(F)，所描述的当前驾驶员操作反馈进行判断决策的具体方法为：
计算驾驶员当前操作安全系数：Kdriver＝f(δd-p,Nd-p)。其中δd-p为驾驶员当前操作与理论安全操作方向盘输入差值，Nd-p为驾驶员当前操作与理论安全操作油门与刹车信号输入差值，若操作安全系数大于预设阈值则判定为不安全操作，反之判定为安全操作。
本发明的有益效果：本发明的一种基于人工势场法的车辆主动避撞方法在使用时，
1.本发明提出的人工势场主动避撞模型能实现车辆行驶过程中的危险工况的规避，并减少检测盲区所带来的潜在交通事故风险以提高行车的安全系数，提高使用时的安全性能；
2.本发明提出的人工势场模型能够合理规划避撞路径，避免车辆规避障碍物过程中的二次碰撞所带来的伤害；
3.本发明提出的车辆控制过程中对驾驶员操作的反馈能够实现车辆主动避撞与驾驶员控制的合理过渡。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一种基于人工势场法的车辆主动避撞方法的流程图；
图2是典型工况1示意图；
图3是典型工况2示意图；
图4是典型工况3示意图；
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
请参阅图1-图4，本发明提供一种技术方案：一种基于人工势场法的车辆主动避撞方法，包括以下步骤，
步骤(A)，获取车辆自身与环境信息；
步骤(B)，通过分析车辆自身与环境信息，建立车辆斥力人工势场模型，得到车辆当前所受虚拟斥力；
步骤(C)，通过车辆可见障碍物斥力以及盲区虚拟斥力判断是否需要进行主动避撞；
步骤(D)，在需要进行主动避撞时，利用人工势场模型规划主动避撞路径；
步骤(E)，按照步骤(D)所规划的路径由电子控制单元ECU控制避撞；
步骤(F)，对当前驾驶员操作输入进行判断，决策是否归还车辆控制权；
步骤(G)，单位时间之后，重复步骤(A)至步骤(F)直到车辆到达安全地点。
步骤(A)，所描述的车辆自身与环境信息通过激光雷达与CCD工业相机获取，CCD工业相机可以安装在车辆前保险杠上，CCD工业相机用于将车辆前方的状况传输给电子控制单元ECU；车载雷达为激光雷达，并设置为四个，其中1个分置在车辆前端保险杆中间位置，另外两个分别放置在两侧的前门和后门之间的中间位置，最后一个放置在车辆的尾部，用于检测车辆四个方向上的障碍物信息并传输给电子控制单ECU，所获取的车辆自身与环境信息包括有，
(A1)，当前行驶道路两侧障碍物信息；
(A2)，当前行驶前方障碍物信息；
(A3)，当前交通信号灯信息；
(A4)，当前传感器视野盲区信息。
进一步地，步骤(B)，所描述的车辆当前所受虚拟斥力包括下列斥力，
(B1)，前方及侧向障碍物斥力
Figure BDA0002979092980000061
其中，
Figure BDA0002979092980000062
为障碍物与车辆相对距离，
Figure BDA0002979092980000063
为障碍物与车辆相对速度，Mvehicle为车辆当前运动状态，Ssafe-r为障碍物与车辆理论安全距离，其中Ssafe-r障碍物与车辆理论安全距离，为车辆需求所设计的距离；
(B2)，信号指示灯斥力
Figure BDA0002979092980000064
其中，
Figure BDA0002979092980000065
为车辆与交通信号灯相对距离，Ssafe为车辆与交通信号灯安全距离阈值，Mlight为信号灯当前显示，Ssafe-light为车辆与交通信号灯理论安全距离，其中Ssafe车辆与交通信号灯安全距离阈值范围，为车辆与交通信号灯需求所设计的阀值范围；
(B3)，前方检测盲区斥力
Figure BDA0002979092980000071
其中，
Figure BDA0002979092980000072
为车辆与盲区边界相对距离，
Figure BDA0002979092980000073
为车辆与盲区边界相对速度，Ssafe-blind为车辆与盲区边界理论安全距离，Ssafe-blind为车辆与盲区边界理论安全距离，为车辆需求所设计的距离。
步骤(C)，所描述的汽车主动避撞判断，采用阈值判断，分别计算可见障碍物斥力与盲区潜在障碍物斥力，若计算结果大于对应斥力阈值，则判定需要进行主动避撞操作，可见障碍物斥力和盲区潜在障碍物斥力均可用基础物理力学公式计算求得，其中阀值为车辆需求所设计的阀值，
在需要进行主动避撞时，由电子控制单元ECU控制避撞，利用人工势场模型规划主动避撞路径时包括以下工况：
如图2所示工况1，自车前方存在威胁到车辆安全行驶的障碍物，此时由于相邻车道没有障碍物，在前方障碍物虚拟斥力与安全换道虚拟引力联合作用之下，车辆规划并采取换道的横向主动避撞，以将虚拟斥力控制在阈值以内，达到规避车辆碰撞的目的；
如图3所示工况2，自车前方存在威胁到车辆安全行驶的障碍物，此时由于相邻车道被障碍物占用，在前方障碍物虚拟斥力，侧向障碍物虚拟斥力的作用下，此时车辆采取主动刹车，尽量减少所受车辆虚拟斥力，达到降低车辆碰撞所受伤害的目的；
如图4所示工况3，自身前方存在传感器检测盲区时，检测到该盲区存在潜在的碰撞风险，在检测盲区虚拟斥力的作用之下，车辆采取换道与制动措施减少虚拟斥力，以降低盲区障碍物所带来的碰撞风险。
步骤(D)，所描述的人工势场模型包括当前环境下的虚拟斥力、虚拟引力，其中，虚拟引力包括当前全局规划虚拟引力、安全换道虚拟引力；虚拟斥力包括前方障碍物斥力、信号指示灯斥力、侧向障碍物斥力、前方检测盲区斥力。
步骤(D)，所描述的人工势场模型规划主动避撞路径，其方法为：求出待规划位置所受所有斥力与引力的合力，合力方向为该位置车辆的理想避撞规划方向，其中合力根据力学原理可求出。
步骤(F)，所描述的当前驾驶员操作反馈进行判断决策的具体方法为：
计算驾驶员当前操作安全系数：Kdriver＝f(δd-p,Nd-p)。其中δd-p为驾驶员当前操作与理论安全操作方向盘输入差值，Nd-p为驾驶员当前操作与理论安全操作油门与刹车信号输入差值，若操作安全系数大于预设阈值则判定为不安全操作，反之判定为安全操作，其中预设阀值为车辆需求所设计的阀值，f为计算当前操作安全系数的函数。
作为本发明的一个实施例：工作人员通过以图3中的工况2为例：
(1)获取车辆自身与环境信息；
(2)通过分析车辆自身与环境信息，建立车辆斥力人工势场模型，得到车辆当前所受虚拟斥力；
(3)将车辆当前所受各项虚拟斥力分别与斥力阈值进行比较，得到障碍物斥力大于障碍物斥力阈值，判断需要进行主动避撞；
(4)建立人工势场模型，自车前方存在威胁到车辆安全行驶的障碍物，此时由于相邻车道被障碍物占用，在前方障碍物虚拟斥力，侧向障碍物虚拟斥力的作用下，无法在人工势场模型中无法规划出将斥力降低至阈值以下的避撞路径此时车辆采取主动刹车，尽量减少所受车辆虚拟斥力，达到降低车辆碰撞所受伤害的目的，通过人工势场模型能够合理规划避撞路径，避免车辆规避障碍物过程中的二次碰撞所带来的伤害；
(5)将步骤4要进行的动作由电子控制单元ECU控制避撞，人工势场主动避撞模型能实现车辆行驶过程中的危险工况的规避，并减少检测盲区所带来的潜在交通事故风险以提高行车的安全系数；
(6)对当前驾驶员操作反馈进行判断，决策是否归还车辆控制权，检测到风险采取主动制动措施之后，若检测到驾驶员输入油门或换道信号，则继续保持原车道进行主动制动，若驾驶员未输入换道信号且输入刹车信号，则归还车辆控制权，通过车辆控制过程中对驾驶员操作的反馈能够实现车辆主动避撞与驾驶员控制的合理过渡。
(7)单位时间之后，重复步骤1至6直到车辆到达安全地点。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种基于人工势场法的车辆主动避撞方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤(A)，获取车辆自身与环境信息；
步骤(B)，通过分析车辆自身与环境信息，建立车辆斥力人工势场模型，得到车辆当前所受虚拟斥力；
步骤(C)，通过车辆可见障碍物斥力以及盲区虚拟斥力判断是否需要进行主动避撞；
步骤(D)，在需要进行主动避撞时，利用人工势场模型规划主动避撞路径；
步骤(E)，按照步骤(D)所规划的路径由电子控制单元ECU控制避撞；
步骤(F)，对当前驾驶员操作输入进行判断，决策是否归还车辆控制权；
步骤(G)，单位时间之后，重复步骤(A)至步骤(F)直到车辆到达安全地点。
2.根据权利要求1所述的一种基于人工势场法的车辆主动避撞方法，其特征在于：步骤(A)，所描述的车辆自身与环境信息通过激光雷达与CCD工业相机获取，所获取的车辆自身与环境信息包括有，
(A1)，当前行驶道路两侧障碍物信息；
(A2)，当前行驶前方障碍物信息；
(A3)，当前交通信号灯信息；
(A4)，当前传感器视野盲区信息。
3.根据权利要求1所述的一种基于人工势场法的车辆主动避撞方法，其特征在于：步骤(B)，所描述的车辆当前所受虚拟斥力包括下列斥力，
(B1)，前方及侧向障碍物斥力
Figure FDA0002979092970000021
其中，
Figure FDA0002979092970000022
为障碍物与车辆相对距离，
Figure FDA0002979092970000023
为障碍物与车辆相对速度，Mvehicle为车辆当前运动状态，Ssafe-r为障碍物与车辆理论安全距离；
(B2)，信号指示灯斥力
Figure FDA0002979092970000024
其中，
Figure FDA0002979092970000025
为车辆与交通信号灯相对距离，Ssafe为车辆与交通信号灯安全距离阈值，Mlight为信号灯当前显示；Ssafe-light为车辆与交通信号灯理论安全距离；
(B3)，前方检测盲区斥力
Figure FDA0002979092970000026
其中，
Figure FDA0002979092970000027
为车辆与盲区边界相对距离，
Figure FDA0002979092970000028
为车辆与盲区边界相对速度，Ssafe-blind为车辆与盲区边界理论安全距离。
4.根据权利要求1所述的一种基于人工势场法的车辆主动避撞方法，其特征在于：步骤(C)，所描述的汽车主动避撞判断，采用阈值判断，分别计算可见障碍物斥力与盲区潜在障碍物斥力，若计算结果大于对应斥力阈值，则判定需要进行主动避撞操作。
5.根据权利要求1所述的一种基于人工势场法的车辆主动避撞方法，其特征在于：步骤(D)，所描述的人工势场模型包括当前环境下的虚拟斥力、虚拟引力，其中，虚拟引力包括当前全局规划虚拟引力、安全换道虚拟引力；虚拟斥力包括前方障碍物斥力、信号指示灯斥力、侧向障碍物斥力、前方检测盲区斥力。
6.根据权利要求1所述的一种基于人工势场法的车辆主动避撞方法，其特征在于：步骤(D)，所描述的人工势场模型规划主动避撞路径，其方法为：求出待规划位置所受所有斥力与引力的合力，合力方向为该位置车辆的理想避撞规划方向。
7.根据权利要求1所述的一种基于人工势场法的车辆主动避撞方法，其特征在于：步骤(F)，所描述的当前驾驶员操作反馈进行判断决策的具体方法为：
计算驾驶员当前操作安全系数：Kdriver＝f(δd-p,Nd-p)。其中δd-p为驾驶员当前操作与理论安全操作方向盘输入差值，Nd-p为驾驶员当前操作与理论安全操作油门与刹车信号输入差值，若操作安全系数大于预设阈值则判定为不安全操作，反之判定为安全操作。
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