一种采用人工势场法的车辆主动避撞方法与流程

本发明涉及一种汽车动态紧急纵向避撞区的建模方法，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系统是现代道路交通的迫切需求。车辆主动安全系统中的重要环节是车辆的主动避撞方法的研究与开发。现有的主动避撞方法在复杂交通环境下的避撞路径规划不够理想且未考虑到传感器视野盲区所带来的潜在交通事故风险。

技术实现要素：

本发明旨在实现车辆行驶过程中的危险工况规避，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；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；车辆控制过程中对驾驶员操作的检测反馈能够实现车辆主动避撞与驾驶员控制的合理过渡。具体方案如下：

一种采用人工势场法的车辆主动避撞方法，包括如下步骤：

步骤1：获取车辆自身与环境信息；

步骤2：通过分析车辆自身与环境信息，建立车辆虚拟斥力人工势场模型，得到车辆当前所受虚拟斥力；

步骤3：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4：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5：按照步骤4所规划的路径由电子控制单元控制避撞；

步骤6：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7：单位时间之后，重复步骤1至6直到车辆到达安全地点。

进一步，步骤1中所述的车辆环境信息通过激光雷达与ccd工业相机获取，所获取的信息包括：当前行驶道路两侧障碍物信息，当前行驶路面障碍物信息，当前交通信号灯信息，当前传感器视野盲区信息；所述的车辆自身信息通过车身传感器与gps获取，所获取信息包括：车辆速度，车辆加速度，车辆当前位置。

进一步，步骤2中所述的车辆虚拟斥力包括下列斥力：

(1)前方及侧向障碍物斥力：

其中，为障碍物与车辆相对距离，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，kr-abstacle为车辆前方及侧向障碍物斥力系数。

(2)信号指示灯斥力：

其中，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信号灯理论影响距离，kr-light为信号指示灯斥力系数；

(3)前方检测盲区斥力

其中，为车辆与盲区边界相对距离，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，kr-blind为前方检测盲区斥力系数。

进一步，步骤3中的汽车主动避撞判断采用阈值判断，分别计算前方障碍物斥力、侧向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，步骤4中的人工势场模型包括当前地图下的虚拟斥力人工势场模型、以及引力模型。其中，引力模型包括当前全局规划虚拟引力、安全换道虚拟引力；虚拟斥力人工势场模型包括前方及侧向障碍物斥力、信号指示灯斥力、前方检测盲区斥力。所述的车辆虚拟引力模型具体为：

(1)全局规划虚拟引力：

其中，μroll为车辆滚动阻力系数，a为车辆的等效迎风面积，cw为车辆的风阻系数，v为车辆行驶速度，m为车辆质量，kattract-plan为全局规划虚拟引力系数。

(2)安全换道虚拟引力：

其中，v(t)为车辆行驶速度，β(t)为车辆换道行驶过程中的质心侧偏角，slane1-2为车辆所在车道及换行车道的中线距离，m为车辆质量，μslide为滑动摩擦系数，g为重力加速度，t表示时间，condtion(1)为智能车辆当前车道交通危险存在判定条件，condtion(2)为相邻车道没有交通危险判定条件，condtion(3)为智能车辆当前行驶车道没有交通危险存在判定条件，condtion(4)智能汽车禁止换道交通规则判定条件。

进一步，步骤4中的规划避撞路径的具体方法为：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，步骤6中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角度差值，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。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。在判断为安全操作的情况下，将车辆控制权归还给驾驶员。

本发明的有益效果包括：

(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；

(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

图1是本发明的方法流程图

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

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供一种使用人工势场法的车辆主动避撞方法，如图1所示，包括以下几个步骤：

步骤1：获取车辆自身与环境信息。

ccd可以工业相机可以安装在车辆前保险杠上，用于将车辆前方的状况传输给电子控制单元ecu；车载雷达设置为四个，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。

所述的车辆自身信息通过车身传感器与gps获取，获取的信息包括：车辆速度，车辆加速度，车辆当前位置。

步骤2：通过分析车辆自身与环境信息，建立车辆虚拟斥力人工势场模型，得到车辆当前所受虚拟斥力。

所述的车辆虚拟斥力包括下列斥力：

(1)前方及侧向障碍物斥力：

其中，为障碍物与车辆相对距离，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，kr-abstacle为车辆前方及侧向障碍物斥力系数。

(2)信号指示灯斥力：

其中，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信号灯理论影响距离，kr-light为信号指示灯斥力系数；

(3)前方检测盲区斥力

其中，为车辆与盲区边界相对距离，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，kr-blind为前方检测盲区斥力系数。

步骤3：通过车辆当前预期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。

分别计算前方障碍物斥力、侧向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。斥力阈值可取范围为0.5-2。

步骤4：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。

这里的人工势场模型包括当前地图下的虚拟斥力人工势场模型、以及引力模型；其中，引力模型包括当前全局规划虚拟引力、安全换道虚拟引力；虚拟斥力人工势场模型包括前方及侧向障碍物斥力、信号指示灯斥力、前方检测盲区斥力。

以下面几种典型工况举例说明：

(1)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。

(2)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。

(3)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5：将步骤4要进行的动作由电子控制单元控制避撞。

步骤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。

计算驾驶员当前操作安全系数：kdriver＝kδ×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角度差值，nd-p为驾驶员当前操作与理论安全操作的油门与刹车信号输入差值，kδ为输入角度差值系数。取kδ为0.1，若操作安全系数大于预设阈值1，则判定为不安全操作，反之判定为安全操作。

步骤7：单位时间之后，重复步骤1至6直到车辆车辆到达安全地点。

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，规划主动避撞路径。

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。

(5)将步骤(4)要进行的动作由电子控制单元控制避撞。

(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。

(7)单位时间之后，重复步骤(1)至(6)直到车辆到达安全地点。

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；所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；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。

上述仅为本发明技术方案和具体实施例的解释，并不用于限定本发明的保护范围，在不违背本发明实质内容和原则的前提下，所作任何修改、润饰等都在保护范围之内。