一种汽车主动避撞系统及其轨迹规划方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及汽车辅助驾驶领域，尤其设及一种汽车主动避撞系统及其轨迹规划方 法。
【背景技术】
[0002] 随着智能交通在全球范围的兴起，汽车辅助驾驶技术受到了越来越多的关注，其 研究的主要目的在于降低日趋严重的交通事故发生率，提高现有道路交通效率。国际上众 多的研究机构，工业设计单位对其研发过程正投入大量的人力、物力、财力来进行相关关键 技术的研发。
[0003] 主动避撞系统作为汽车辅助驾驶技术的一项重要研究内容，其研究的主要目的是 提高车辆驾驶的安全性能，其主要利用现代信息技术、传感技术来扩展驾驶人员的感知能 力，将外界信息（如车速、障碍物距离、速度、方向等)传递给驾驶人员的同时综合利用车况 与路况信息，判断汽车当前运行状况的安全程度，在紧急情况下能自动的采取措施控制汽 车，使得汽车主动地避开危险，保证汽车安全行驶或最大可能的减小事故的伤害程度。汽车 只有具备了运样的主动安全性能，才可能从根本上减少交通事故，提高交通安全。
[0004] 轨迹规划技术是主动避撞系统中的一项关键技术，要想实现对车辆的智能控制， 其前提条件是就要生成可行的参考轨迹，并将轨迹的参数提供给跟踪控制器，W便于控制 器能够控制汽车按照所规划的轨迹行驶，因此，如何在紧急情况下规划一条可行的无碰轨 迹显得尤为重要。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是针对【背景技术】中所设及到的缺陷，提供一种汽车主 动避撞系统及其轨迹规划方法，解决了在紧急情况下主动避撞系统的轨迹规划问题，通过 软硬件相结合的方式在保证汽车操纵稳定性的同时有效的避开障碍物，避免交通事故的发 生，实现了汽车的主动安全功能。
[0006] 本发明为解决上述技术问题采用W下技术方案：
[0007] -种汽车主动避撞系统，包含前视雷达、摄像头、信号处理模块、车速传感器、横摆 角速度传感器、质屯、侧偏角传感器、方向盘转角传感器、电子控制电源ECU、油口控制器、转 向控制器和制动控制器；
[000引所述前视雷达、摄像头通过信号处理模块和所述电子控制电源ECU相连;所述电子 控制电源ECU分别和、车速传感器、横摆角速度传感器、质屯、侧偏角传感器、方向盘转角传感 器、油口控制器、转向控制器、制动控制器相连；
[0009] 所述前视雷达与摄像头均安装在汽车前方，用于检测汽车前方的道路情况，并将 所测得的信号经信号处理模块处理后传递给所述电子控制单元ECU;
[0010] 所述车速传感器、横摆角速度传感器、质屯、侧偏角传感器、方向盘转角传感器分别 用于感应汽车的速度、横摆角速度、质屯、侧偏角和前轮转向角，并将采集到的信号经处理后 送入到电子控制单元ECU;
[0011] 所述电子控制单元ECU用于根据接收到的信号输出相应的信号到油口控制器、转 向控制器、制动控制器，进行相应加速、减速、制动操作，W保证行车安全。
[0012] 本发明还公开了一种基于W上汽车主动避撞系统的轨迹规划方法，包含W下步 骤：
[0013] 步骤1)，通过前视雷达与摄像头获取汽车前方障碍物的距离、速度、加速度和宽 度，并将前方障碍物的与汽车之间的距离与预先设定的安全距离阔值对比，如果其小于预 设的安全距离阔值，则执行步骤2);
[0014] 步骤2)，通过车速传感器、横摆角速度传感器、质屯、侧偏角传感器、方向盘转角传 感器获取汽车的速度、横摆角速度、质屯、侧偏角和前轮转向角；
[0015] 步骤3)，根据汽车的横摆角、前轮转向角、纵向速度、前轴与后轴之间的间距、W及 后轴中点的纵向坐标和侧向坐标建立汽车Ξ自由度运动学模型；
[0016] 步骤4)，用屯次多项式参数化待生成轨迹；
[0017] 步骤5)，根据汽车Ξ自由度运动学模型和参数化的待生成轨迹设置轨迹优化模型 约束条件、设定目标函数W及优化变量，并根据汽车的纵向速度、横摆角速度、质屯、侧偏角、 前轮转向角、W及汽车前方障碍物距离、速度、加速度对其进行求解，得到轨迹优化模型；
[0018] 步骤6)，基于动态粒子群优化算法，对所建立的轨迹优化模型进行求解，得到规划 轨迹。
[0019] 作为该汽车主动避撞系统的轨迹规划方法的进一步优化方案，根据W下公式建立 步骤3)中所述的汽车Ξ自由度运动学模型：
[0020]
[0021] 其中，X和y分别是汽车后轴中点的纵向坐标和侧向坐标，Θ是汽车的横摆角，δ是汽 车前轮转向角，V是汽车的纵向速度，1是汽车前轴与后轴之间的间距，t是轨迹规划的当前 时间。
[0022] 作为该汽车主动避撞系统的轨迹规划方法的进一步优化方案，步骤5)中所述的屯 次多项式参数化的轨迹方程为：
[0023]
[0024] 其中，X加、xdi、xd2、xd3、xd4、xd己、xd6、xd7、y加、ydi、yd2、yd3、yd4、yd己、yd6、yd7 是多项式的待 定系数，（xd(t)，yd(t))为待生成轨迹。
[0025] 作为该汽车主动避撞系统的轨迹规划方法的进一步优化方案，步骤6所述的轨迹 优化模型的约束条件为：
[003^ to为轨迹规划初始时刻，tf为轨迹规划终了时刻，岛=柄，扔，如如v。，^为初始时 刻to汽车的状态，取=?·ν.ν,.，A，3/，*/，々/)为终了时刻tf汽车的状态；
[0033] Ro为汽车长度的一半，Ri为与障碍物宽度的一半；
[0034] 目标函数为.化,，打/1 = 化,,-从十印",-.的-7 + 仙，其中，W1和W2是权重系 数，且W1+W2 = 1 ; ay是汽车侧向加速度；
[0035]
[0036] 优化的变量为 Xd6、xd7、yd6、yd7。
[0037] 本发明采用W上技术方案与现有技术相比，具有W下技术效果：
[0038] 1.本发明所述的轨迹规划方法所生成的轨迹满足各种非完整约束和执行机构约 束；
[0039] 2.本发明所述的轨迹规划方法所生成的轨迹轨迹曲率具有连续性，具有动态实时 性，能够适应动态变化的道路环境；
[0040] 3.通过跟踪本发明所述的轨迹规划方法所生成的轨迹能使汽车有效地避开障碍 物，防止交通事故的发生。
【附图说明】
[0041] 图1是本发明主动避撞系统结构示意图；
[0042] 图2是本发明主动避撞过程示意图；
[0043] 图3是本发明的汽车Ξ自由度运动学模型。
【具体实施方式】
[0044] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0045] 如图1所示，本发明公开了一种汽车主动避撞系统，包含前视雷达、摄像头、信号处 理模块、车速传感器、横摆角速度传感器、质屯、侧偏角传感器、方向盘转角传感器、电子控制 单元ECU、油口控制器、转向控制器和制动控制器；
[0046] 所述前视雷达、摄像头通过信号处理模块和所述电子控制电源ECU相连;所述电子 控制电源ECU分别和、车速传感器、横摆角速度传感器、质屯、侧偏角传感器、方向盘转角传感 器、油口控制器、转向控制器、制动控制器相连；
[0047] 所述前视雷达与摄像头均安装在汽车前方，用于检测汽车前方的道路情况，并将 所测得的信号经信号处理模块处理后传递给所述电子控制单元ECU;
[004引所述车速传感器、横摆角速度传感器、质屯、侧偏角传感器、方向盘转角传感器分别 用于感应汽车的速度、横摆角速度、质屯、侧偏角和前轮转向角，并将采集到的信号经处理后 送入到电子控制单元ECU;
[0049] 所述电子控制单元ECU用于根据接收到的信号输出相应的信号到油口控制器、转 向控制器、制动控制器，进行相应加速、减速、制动操作，W保证行车安全。
[0050] 本发明还公开了一种基于该汽车主动避撞系统的轨迹规划方法，包含W下具体步 骤：
[0051] 步骤1、通过前视雷达与摄像头获取汽车前方障碍物的距离、速度、加速度和宽度， 并将前方障碍物的与汽车之间的距离与预先设定的安全距离阔值对比，如果其小于预设的 安全距离阔值，则执行步骤2。
[0052] 步骤2、通过车速传感器、横摆角速度传感器、质屯、侧偏角传感器、方向盘转角传感 器获取汽车的纵向速度、横摆角速度、质屯、侧偏角和前轮转向角。
[0053] 步骤3、建立汽车Ξ自由度运动学模型，如图3所示：
[0化4]
(1)
[0055]其中，X和y分别是汽车后轴中点的纵向坐标和侧向坐标，Θ是汽车的横摆角，δ是汽 车前轮转向角，V是汽车的纵向速度，1是汽车前轴与后轴之间的间距，t是轨迹规划的当前 时间。
[0化6]步骤4、进入循环。
[0057]步骤5、设轨迹规划初始时刻为to,轨迹规划终了时刻为tf，用屯次多项式参数化待 生成轨迹：
[0化引
(2)
[0059 ]其中，X加、xdi、xd2、xd3、xd4、xd5、xd6、xd7、y加、ydi、yd2、yd3、yd4、yds、yd6、yd7 是多项式的待 定系数。
[0060] 步骤6、根据汽车Ξ自由度运动学模型和参数化的待生成轨迹设置轨迹优化模型 约束条件、设定目标函数W及优化变量，并根据汽车的纵向速度、横摆角速度、质屯、侧偏角、 前轮转向角，W及汽车前方障碍物距离、速度、加速度对其进行求解，得到轨迹优化模型：
[0061] 1)约束条件：
[0062] 设在初始时刻to车辆A的状态为& =托，九為，&,，ν"，?〇)，在终了时刻tf车辆A的状 态为(6/=成、.^V今A，v,，'^)，并且所设计轨迹为（xd(t)，yd(t))。然后，根据车辆运动学 模型（1)，施加在所设计轨迹上的等式约束条件如下：
[0063]
(a)
[0064]将轨迹方程(2)代入到等式约束条件(3)中，并将其化为矩阵形式，其系数可W由 W下方程来确定：
[00 化]
[0068] 将方程(4)代入到轨迹方程(2)可W得