一种车辆低速自动驾驶避碰方法及系统与流程

本发明涉及自动避碰技术，尤其涉及一种车辆低速自动驾驶避碰方法及系统。

背景技术：

近年来，随着汽车的不断普及，电子控制技术的不断发展，汽车安全系统市场需求量越来越大，而且主动安全技术，特别是主动避碰技术，对于减少交通事故发挥的作用越来越大。

常用的主动避碰方案为，通过持续对车辆制动踏板的制动情况进行检测，若制动踏板被快速制动，则推断出存在碰撞危险，系统对车辆周围的物体相对于车辆的位置和运动进行检测，并评价碰撞危险，当系统判定仅采取制动不能避免碰撞而采取转向避让可以避免碰撞时，系统接管方向盘实现主动避让操作。但是这种方法存在一些缺陷，例如：1、通过制动踏板的快速制动来推断碰撞危险，系统容易产生误判断；2、驾驶员采取制动踏板的操作使得系统对车速的变化难以估计，车辆的实际避让轨迹与理论轨迹可能存在较大的偏差，避碰的可靠性低。因此为了解决这种传统避碰方案的缺点，目前提出的避碰方案为：对驾驶员的操作意图进行判断，结合传感器对周边环境的监测结果，综合判断是否满足系统主动介入的条件，若满足，则由系统自动实现避碰。然而，这种方案通常都是针对具体的某个驾驶行为(例如，紧急刹车、变道等)进行反应，没有普适性，当系统输出的避让转向与驾驶员的操作反向时则可能对驾驶员的人身安全造成威胁，此外，这种驾驶员驾驶过程中，系统突然介入获取车辆主动权的方式，会让驾驶员不知所措，可能会采取错误的操作，如果发生意外，法律责任难以界定。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种针对车辆低速自动驾驶工况的主动避碰方法，从而提高避碰的稳定性和可靠性。

本发明的另一目的是提供一种针对车辆低速自动驾驶工况的主动避碰系统，从而提高避碰的稳定性和可靠性。

本发明所采用的技术方案是：一种车辆低速自动驾驶避碰方法，该方法的步骤包括有：

根据车载道路环境感知系统所监测到的道路环境参数，从而检测车辆的规划行驶路径上是否存有障碍物；

当检测到车辆的规划行驶路径上存有障碍物时，则判断是否存有碰撞风险；

当判断出存有碰撞风险时，则判断是否可以避让该障碍物，若是，则采用避让策略来控制车辆进行障碍物的避让；反之，则控制车辆启动主动制动。

进一步，所述判断是否存有碰撞风险这一步骤，其具体包括：

判断检测出的障碍物是否处于车辆的规划行驶路径上，若是，则表示存有碰撞风险；反之，则判断车辆沿规划行驶路径行驶时车辆轮廓是否与障碍物产生碰撞干涉，若是，则表示存有碰撞风险，反之，则表示不存有碰撞风险。

进一步，所述判断车辆沿规划行驶路径行驶时车辆轮廓是否与障碍物产生碰撞干涉这一步骤，其具体包括：

计算出第一路径点，所述第一路径点指的是在规划行驶路径上距离障碍物最近的路径点；

在规划行驶路径上选取出以第一路径点为中心的第一路径；

将车辆后轮轴中心移动到第一路径中的路径点，并且以该路径点作为切点，从而以该路径点所在第一路径的切线方向放置车辆，然后计算车辆轮廓是否与障碍物轮廓相交。

进一步，所述计算车辆轮廓是否与障碍物轮廓相交这一步骤，其具体包括：

计算以下叉乘变量：

其中，k1k2表示为第一线段，所述第一线段指的是车辆轮廓的轮廓边，k1表示为第一线段的一端点，k2表示为第一线段的另一端点；h1h2表示为第二线段，所述第二线段指的是障碍物轮廓的轮廓边，h1表示为第二线段的一端点，h2表示为第二线段的另一端点；

然后，判断i1*i2与i3*i4是否均小于0，若是，则表示车辆轮廓与障碍物轮廓相交。

进一步，所述判断是否可以避让该障碍物这一步骤，其具体包括：

以最小转弯避让策略来进行避让行驶路线规划，当判断出车辆沿规划的避让行驶路线行驶时车辆轮廓与障碍物产生碰撞干涉，此时，则表示不可避让该障碍物；反之，则表示可避让该障碍物。

进一步，所述采用避让策略来控制车辆进行障碍物的避让这一步骤，其具体为：采用最小转弯避让策略或大转弯避让策略来控制车辆进行障碍物的避让；

所述采用最小转弯避让策略来控制车辆进行障碍物的避让这一步骤，其具体包括：

根据安全距离以及车辆的最小转弯半径，计算出可沿规划行驶路径的持续行驶距离，然后当车辆行驶完持续行驶距离时，控制车辆以最小转弯半径进行转弯，以实现障碍物的避让；

所述采用大转弯避让策略来控制车辆进行障碍物的避让这一步骤，其具体包括：

根据安全距离，计算出第一转弯半径，然后控制车辆以第一转弯半径进行转弯，以实现障碍物的避让；其中，所述第一转弯半径大于等于最小转弯半径。

进一步，所述根据安全距离，计算出第一转弯半径这一步骤，其所采用的第一转弯半径计算公式如下所示：

其中，d表示为车头到障碍物的垂直距离，l表示为车辆后轮轴中心到车头的垂直距离，rm表示为计算得出的第一转弯半径，w表示为车辆的宽度，d1表示为安全距离。

进一步，所述控制车辆启动主动制动这一步骤，其具体包括：

计算车辆所需的减速度，其中，所述减速度的计算公式如下所示：

其中，a表示为计算得出的减速度，v表示为车辆当前的速度，d表示为车头到障碍物的垂直距离，dmin表示为最小安全距离；

判断计算得出的减速度是否大于车辆的最大减速度，若是，则利用车辆的最大减速度来控制车辆进行制动；反之，则利用计算得出的减速度来控制车辆进行制动。

进一步，该方法的步骤还包括中断检测步骤，所述中断检测步骤包括：

当检测到驾驶员的操作时，则中断自动驾驶避碰程序。

本发明所采用的另一技术方案是：一种车辆低速自动驾驶避碰系统，该系统包括：

障碍物检测模块，用于根据车载道路环境感知系统所监测到的道路环境参数，从而检测车辆的规划行驶路径上是否存有障碍物；

碰撞风险判断模块，用于当检测到车辆的规划行驶路径上存有障碍物时，则判断是否存有碰撞风险；

避让处理模块，用于当判断出存有碰撞风险时，则判断是否可以避让该障碍物，若是，则采用避让策略来控制车辆进行障碍物的避让；反之，则控制车辆启动主动制动。

进一步，所述判断是否存有碰撞风险，其具体包括：

判断检测出的障碍物是否处于车辆的规划行驶路径上，若是，则表示存有碰撞风险；反之，则判断车辆沿规划行驶路径行驶时车辆轮廓是否与障碍物产生碰撞干涉，若是，则表示存有碰撞风险，反之，则表示不存有碰撞风险。

进一步，所述判断车辆沿规划行驶路径行驶时车辆轮廓是否与障碍物产生碰撞干涉，其具体包括：

计算出第一路径点，所述第一路径点指的是在规划行驶路径上距离障碍物最近的路径点；

在规划行驶路径上选取出以第一路径点为中心的第一路径；

将车辆后轮轴中心移动到第一路径中的路径点，并且以该路径点作为切点，从而以该路径点所在第一路径的切线方向放置车辆，然后计算车辆轮廓是否与障碍物轮廓相交。

进一步，所述计算车辆轮廓是否与障碍物轮廓相交，其具体包括：

计算以下叉乘变量：

其中，k1k2表示为第一线段，所述第一线段指的是车辆轮廓的轮廓边，k1表示为第一线段的一端点，k2表示为第一线段的另一端点；h1h2表示为第二线段，所述第二线段指的是障碍物轮廓的轮廓边，h1表示为第二线段的一端点，h2表示为第二线段的另一端点；

然后，判断i1*i2与i3*i4是否均小于0，若是，则表示车辆轮廓与障碍物轮廓相交。

进一步，所述判断是否可以避让该障碍物，其具体包括：

以最小转弯避让策略来进行避让行驶路线规划，当判断出车辆沿规划的避让行驶路线行驶时车辆轮廓与障碍物产生碰撞干涉，此时，则表示不可避让该障碍物；反之，则表示可避让该障碍物。

进一步，所述采用避让策略来控制车辆进行障碍物的避让，其具体为：采用最小转弯避让策略或大转弯避让策略来控制车辆进行障碍物的避让；

所述采用最小转弯避让策略来控制车辆进行障碍物的避让，其具体包括：

根据安全距离以及车辆的最小转弯半径，计算出可沿规划行驶路径的持续行驶距离，然后当车辆行驶完持续行驶距离时，控制车辆以最小转弯半径进行转弯，以实现障碍物的避让；

所述采用大转弯避让策略来控制车辆进行障碍物的避让，其具体包括：

根据安全距离，计算出第一转弯半径，然后控制车辆以第一转弯半径进行转弯，以实现障碍物的避让；其中，所述第一转弯半径大于等于最小转弯半径。

进一步，所述第一转弯半径的计算公式如下所示：

其中，d表示为车头到障碍物的垂直距离，l表示为车辆后轮轴中心到车头的垂直距离，rm表示为计算得出的第一转弯半径，w表示为车辆的宽度，d1表示为安全距离。

进一步，所述控制车辆启动主动制动，其具体包括：

计算车辆所需的减速度，其中，所述减速度的计算公式如下所示：

其中，a表示为计算得出的减速度，v表示为车辆当前的速度，d表示为车头到障碍物的垂直距离，dmin表示为最小安全距离；

判断计算得出的减速度是否大于车辆的最大减速度，若是，则利用车辆的最大减速度来控制车辆进行制动；反之，则利用计算得出的减速度来控制车辆进行制动。

进一步，该系统还包括中断检测模块，所述中断检测模块用于当检测到驾驶员的操作时，则中断自动驾驶避碰程序。

本发明的有益效果是：本发明方法是一种针对车辆低速自动驾驶工况的主动避碰方法，在车辆进行低速自动驾驶过程中，根据车载道路环境感知系统所监测到的道路环境参数，自动实时地检测车辆的规划行驶路径上是否存有障碍物，然后当检测到车辆的规划行驶路径上存有障碍物时，则判断是否存有碰撞风险，接着当判断出存有碰撞风险时，则判断是否可以避让该障碍物，若是，则采用避让策略来控制车辆进行障碍物的避让，反之，则控制车辆启动主动制动，因此由此可见，本发明的方法无需对驾驶员的驾驶意图进行判断，对驾驶行为没有限制，其适应性更广，而且消除了传统车辆避碰系统突然介入获取车辆主动权这一缺陷，大大提高车辆避碰的安全性、可靠性和稳定性。还有本发明的方法通过对障碍物的检测、对避让策略的选择、制动动力的输出计算来实现避碰自动控制，更能提高自动驾驶避碰的安全性和可靠性。另外，本发明方法设置了驾驶员的操作的优先级为最高，当检测到驾驶员的操作时，则会中断自动驾驶避碰程序，后续便根据驾驶员的操作来控制车辆，可靠性、稳定性以及操作便利灵活性得到进一步的提高。

本发明的另一有益效果是：本发明系统是一种针对车辆低速自动驾驶工况的主动避碰系统，在车辆进行低速自动驾驶过程中，利用障碍物检测模块来自动实时地检测车辆的规划行驶路径上是否存有障碍物，然后当碰撞风险判断模块检测到车辆的规划行驶路径上存有障碍物时，则判断是否存有碰撞风险，接着当避让处理模块判断出存有碰撞风险时，则判断是否可以避让该障碍物，若是，则采用避让策略来控制车辆进行障碍物的避让，反之，则控制车辆启动主动制动，因此由此可见，本发明的避碰系统无需对驾驶员的驾驶意图进行判断，对驾驶行为没有限制，其适应性更广，而且消除了传统车辆避碰系统突然介入获取车辆主动权这一缺陷，大大提高车辆避碰的安全性、可靠性和稳定性。还有本发明的系统通过对障碍物的检测、对避让策略的选择、制动动力的输出计算来实现避碰自动控制，更能提高自动驾驶避碰的安全性和可靠性。另外，本发明系统设置了中断检测模块，而驾驶员的操作的优先级为最高，当中断检测模块检测到驾驶员的操作时，则会中断自动驾驶避碰程序，后续便根据驾驶员的操作来控制车辆，可靠性、稳定性以及操作便利灵活性得到进一步的提高。

附图说明

图1是本发明一种车辆低速自动驾驶避碰方法的步骤流程示意图；

图2是本发明一种车辆低速自动驾驶避碰系统的结构框图；

图3是第一路径点的计算原理示意图；

图4是第一路径的示意图；

图5是障碍物轮廓和车辆轮廓示意图；

图6是两条线段相交的示意图；

图7是车辆避让规则原理示意图；

图8是不可避让障碍物的示意图；

图9是以最小转弯避让策略来实现障碍物避让的原理示意图；

图10是以大转弯避让策略来实现障碍物避让的原理示意图；

图11是主动制动时所需减速度的计算原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种车辆低速自动驾驶避碰方法，该方法的步骤包括有：

根据车载道路环境感知系统所监测到的道路环境参数，从而检测车辆的规划行驶路径上是否存有障碍物；

当检测到车辆的规划行驶路径上存有障碍物时，则判断是否存有碰撞风险；当检测不到车辆的规划行驶路径上存有障碍物时，则控制车辆按照规划行驶路径正常行驶；

当判断出存有碰撞风险时，则判断是否可以避让该障碍物，若是，则采用避让策略来控制车辆进行障碍物的避让；反之，则控制车辆启动主动制动；当判断出不存有碰撞风险时，则控制车辆按照规划行驶路径正常行驶。

如图2所示，一种车辆低速自动驾驶避碰系统，该系统包括：

障碍物检测模块，用于根据车载道路环境感知系统所监测到的道路环境参数，从而检测车辆的规划行驶路径上是否存有障碍物；

碰撞风险判断模块，用于当检测到车辆的规划行驶路径上存有障碍物时，则判断是否存有碰撞风险；

避让处理模块，用于当判断出存有碰撞风险时，则判断是否可以避让该障碍物，若是，则采用避让策略来控制车辆进行障碍物的避让；反之，则控制车辆启动主动制动。

结合以下的具体实施例来对本发明的方法和系统做详细阐述。

在本发明方案中，所述低速指的是车速小于30km/h。

对于本发明的方案，其主要涉及的部件有：(1)、eps电子助力转向机构，用于实现方向盘的自动转向控制；(2)、主动刹车系统，例如abs，esp等；(3)、车载道路环境感知系统，包括但不限于有毫米波雷达、超声波雷达、激光雷达、视觉感知模块等。

本发明一种车辆低速自动驾驶避碰方法，其实施步骤具体包括有：

启动车辆低速自动驾驶避碰程序，所述车辆低速自动驾驶避碰程序所实现的步骤包括有：

s101、根据车载道路环境感知系统所监测到的道路环境参数，从而检测车辆的规划行驶路径上是否存有障碍物；

s102、当检测到车辆的规划行驶路径上存有障碍物时，则判断是否存有碰撞风险；当检测不到车辆的规划行驶路径上存有障碍物时，车辆则按照规划行驶路径正常行驶；

所述判断是否存有碰撞风险这一步骤，其具体包括：

判断检测出的障碍物是否处于车辆的规划行驶路径上，若是，则表示存有碰撞风险；反之，则判断车辆沿规划行驶路径行驶时车辆轮廓是否与障碍物产生碰撞干涉，若是，则表示存有碰撞风险，反之，则表示不存有碰撞风险；当不存有碰撞风险时，车辆则按照规划行驶路径正常行驶；

对于所述判断车辆沿规划行驶路径行驶时车辆轮廓是否与障碍物产生碰撞干涉这一步骤，其具体包括：

s1021、计算出第一路径点，所述第一路径点指的是在规划行驶路径上距离障碍物最近的路径点；

上述步骤s1021具体包括：在本实施例中，障碍物的轮廓被描述为凸多边形(即n多边形)，首先计算能够代表凸多边形“几何中心”的坐标，对于n多边形计算公式如下：

其中，(xi,yi)表示为n多边形第i个顶点的坐标，(x0,y0)表示为n多边形的“几何中心”坐标；

然后对规划行驶路径进行离散，从规划行驶路径的起点开始，每隔固定的距离△s，取一个路径上的点(即路径点)(xi,yi)，计算该路径点与障碍物的几何中心的距离，该距离计算公式如下所示：

通过上述公式进行路径点与障碍物几何中心之间距离的计算，便可找到最小的d值所对应的离散点p，该路径点则为所需计算得出的距离障碍物最近的路径点，即p点为第一路径点，如图3所示；

s1022、在规划行驶路径上选取出以第一路径点为中心的第一路径；

上述步骤s1022具体包括：判断最近点p附近一段路径上，车辆是否与障碍物发生干涉，这样一段路径的选择方式(即第一路径的选择方式)是：取最近点p及前后各m个路径离散点(即路径点)所构成的路径(即第一路径)，如图4所示；可见，对于δs，其选择需要综合考虑计算效率(不能太小)及避免碰撞判断遗漏(不能太大)，而m的选择则与δs相关，δs越小，m越大，δs越大，m越小；

s1023、将车辆后轮轴中心移动到第一路径中的路径点，并且以该路径点作为切点，从而以该路径点所在第一路径的切线方向放置车辆，然后计算车辆轮廓是否与障碍物轮廓相交；由于对于第一路径中的每一个路径点均需要进行一次上述的处理计算，即其总计需要对2m+1路径点进行计算判断，并且当任一个路径点上，计算出车辆轮廓与障碍物轮廓相交，则表示存有碰撞风险；

对于所述计算车辆轮廓是否与障碍物轮廓相交这一步骤，其具体包括：

如图5所示，设定障碍物obj为四边形efgh(不限制障碍物的多边形描述形式，在本实施例中仅以四边形为例进行说明而已)，则车辆轮廓与障碍物轮廓之间是否相交的判断过程为：abcd四条边分别与efgh四条边进行两两线段的相交判断，即此种情形对于一个路径点，则需要判断16次；而对于两条线段k1k2和h1h2是否相交，其判断原则为：k1，k2分别位于第二线段h1h2的两侧，同时h1，h2分别位于第一线段k1k2的两侧，如图6所示；

可见，为了计算车辆轮廓是否与障碍物轮廓相交，其具体实施步骤包括有：

首先计算计算以下叉乘变量：

其中，k1k2表示为第一线段，所述第一线段指的是车辆轮廓的轮廓边，k1表示为第一线段的一端点，k2表示为第一线段的另一端点；h1h2表示为第二线段，所述第二线段指的是障碍物轮廓的轮廓边，h1表示为第二线段的一端点，h2表示为第二线段的另一端点；

然后，判断i1*i2的乘积值与i3*i4乘积值是否同时均小于0，若是，则表示车辆轮廓的轮廓边与障碍物轮廓的轮廓边相交，即车辆沿规划行驶路径行驶时车辆轮廓与障碍物产生碰撞干涉，存有碰撞风险；

s103、当判断出存有碰撞风险时，则判断是否可以避让该障碍物，若是，则采用避让策略来控制车辆进行障碍物的避让；反之，则控制车辆启动主动制动；

对于所述的步骤s103，其所遵循的避让规则是(如图7所示)：当障碍物处于规划行驶路径上时，遵循左转避让规则(符合中国超车原则)；当障碍物处于规划行驶路径偏左侧时，遵循右转避让规则；当障碍物处于规划行驶路径偏右侧时，遵循左转避让规则；

对于所述判断是否可以避让该障碍物这一步骤，其具体包括：

以最小转弯避让策略来进行避让行驶路线规划，令车辆在判断出存有碰撞风险时，以最小转弯半径rmin(最大转向角)进行避让，当判断出车辆沿规划的避让行驶路线行驶时车辆轮廓与障碍物产生碰撞干涉，如图8所示，此时，则表示不可避让该障碍物；反之，则表示可避让该障碍物；通常，出现不可避让该障碍物的情况是由于发现障碍物时的距离d过近或突然出现在车辆近处的障碍物；

a.当判断出可避让该障碍物时，则采用最小转弯避让策略或大转弯避让策略来控制车辆进行障碍物的避让；

①、所述采用最小转弯避让策略来控制车辆进行障碍物的避让这一步骤，如图9所示，其具体包括：根据安全距离d1以及车辆的最小转弯半径rmin，计算出可沿规划行驶路径的持续行驶距离s，然后当车辆行驶完持续行驶距离s(即从p0行驶至p1)时，控制车辆以最小转弯半径rmin进行转弯，以实现障碍物的避让；其中，对于所述的最小转弯半径rmin，其由车辆的转向机构及车辆轴距决定，对于每一辆车其是一个固定值；

对于这种避让策略，其可以保证自动驾驶车辆最大限度地沿着原路径行驶，然而避让过程会使得车辆的航向角(横摆角)与路径方向有较大的偏差，避障过程车辆发生的横向位移大，因此这一策略适用于道路较宽的情况；

②、所述采用大转弯避让策略来控制车辆进行障碍物的避让这一步骤，其具体包括：

令车辆在判断出可避让该障碍物时，采用较大的转弯半径来控制车辆进行障碍物的避让，如图10所示；其中，所述较大的转弯半径，其为根据安全距离d1而计算出的第一转弯半径rm，rm应大于等于rmin，并且rm的计算公式如下所示：

其中，d表示为车头到障碍物的垂直距离，l表示为车辆后轮轴中心到车头的垂直距离，rm表示为计算得出的第一转弯半径，w表示为车辆的宽度，d1表示为安全距离；

对于这种避让策略，其会使得车辆与原路径的偏离会持续较长的一段路程，但是绕障后车辆航向角与原路径方向偏差较小，避障过程车辆发生的横向位移小，因此这一策略适用于道路较窄的情况；

对于上述的安全距离d1，其表示车辆绕过障碍物时车辆轮廓与障碍物之间的最近距离，而在设计避让策略时，关于安全距离d1的设定，其仅需要满足d1>dmin这一条件便可，其中，dmin表示为系统所设定的绕障最小安全距离；优选地，d1的取值应为：d1＝1.2*dmin；

b.当判断出不可避让该障碍物时，则控制车辆启动主动制动，其具体包括：

计算车辆所需的减速度，其中，所述减速度的计算公式如下所示：

其中，a表示为计算得出的减速度，v表示为车辆当前的速度，d表示为车头到障碍物的垂直距离，dmin表示为最小安全距离，如图11所示；

判断计算得出的减速度a是否大于车辆的最大减速度amax，若是，则说明车辆的制动系统不能保证最小安全距离，此时则利用车辆的最大减速度amax来控制车辆进行制动，从而避免或减小碰撞损失；反之，则利用计算得出的减速度a来控制车辆进行制动。

作为本实施例的优选实施方式，对于上述的车辆低速自动驾驶避碰方法，其还包括中断检测步骤，所述中断检测步骤包括：

由于驾驶员的操作被设置为最高优先级，当检测到驾驶员的操作时，则中断上述的车辆低速自动驾驶避碰程序，然后以驾驶员的操作来控制车辆。

由上述可得，本发明的方法及系统为针对低速自动驾驶工况的自动驾驶避碰方案，其不需要判断驾驶员的驾驶意图，对驾驶行为没有限制，适应性更广；而且能自动判断并采取转向避让或刹车策略，车辆的转向、动力和制动通过线控的方式实现自动控制，对避让路径的选择及执行、制动力大小的输出更稳定可靠。此外，本发明方案还设置驾驶员的优先级最高，驾驶员可以随时中断系统，接管车辆。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。