一种基于电动汽车的主动防碰撞系统及其控制方法与流程

本发明属于车辆主动安全领域，具体涉及一种基于电动汽车的主动防碰撞系统及其控制方法。

背景技术：

随着汽车保有量的增加，在推动经济发展的同时，也给我们带来了很多的社会问题，如空气污染和交通事故，尤其是交通事故频发，带来了严重的经济损失和人员伤亡。

基于电动汽车的主动防碰撞系统已经成为解决此问题的重要方法，但现有防碰撞系统使用的制动系统采用传统的拉线式或电机驱动式，其响应时间长，脚感差；此外大部分应用中对安全距离模型未考虑路面变化情况，从而导致其防碰撞的可靠性差，这些缺陷都极大地损害防碰撞系统的推广。

在已公布专利【CN106004671A】中公开了一种交叉路口车辆防碰撞系统及防碰撞方法，该系统采用主、从毫米波雷达以及1个单目摄像头作为目标采集系统，虽然可以在一定程度上提高检测精度，但其成本较高，而且对于融合算法、制动系构成、控制策略等均未说明；在已公布专利【CN104276078A】中公开了一种基于前向防碰撞系统的汽车防追尾装置，该系统采用碰撞时间TTC法，虽然计算简单，但其模型精度不高，未考虑路面情况，可靠性差，此外仅能预警而不能实现主动制动。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于电动汽车的主动防碰撞系统及其控制方法，在结构上采用电控液压制动取代现有技术中电控机械制动，采用固态激光雷达和视觉传感器检测前方环境，在算法上采用固态激光雷达与视觉传感器信息融合方法进行目标辨识，利用贝叶斯定理估计当前时刻的路面附着系数，从而极大地提高防碰撞系统辨识的精确性、可靠性和实时性，有效提高了行驶安全性。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于电动汽车的主动防碰撞系统，其包括：人机接口单元、信息采集单元、中央处理单元和执行单元。

所述的人机接口单元包括一控制面板，布置于驾驶室中控台；

所述信息采集单元包括激光雷达和视觉传感器，激光雷达隐藏布置于汽车正前部散热栅中部，视觉传感器安装于驾驶室内前风挡玻璃上方中央处，激光雷达和视觉传感器与中央处理单元通过车载总线通信；

所述的中央处理单元包括数据处理模块、控制策略模块和故障诊断模块，数据处理模块通过车载总线接收信息采集单元的输出，经处理后通过车载总线传输给控制策略模块、控制策略模块同时通过车载总线获取故障诊断模块的结果，并发出控制信号给执行单元；

所述执行单元包括电磁阀总成，电磁阀总成通过液压管路连接制动主缸和四个制动轮缸。

其中，控制面板上布置有预警嗡鸣器、故障指示灯和控制开关，包括制动控制开关、预警控制开关、电源控制开关。

其中，激光雷达为一固态激光雷达，其布置位置为散热栅中央处。

其中，数据处理模块连接包括转向信号采集电路、控制开关信号采集电路。

其中，电磁阀总成包括电磁阀驱动电路和油泵电机驱动电路。

一种基于电动汽车的主动防碰撞系统的控制方法，基于上述系统实现，包括以下步骤：

步骤1，采集控制开关信号、激光雷达信号、视觉传感器信号、速度传感器信号、转向信号、电子踏板信号，经数据处理模块处理；

步骤2，处理后的信号输入到中央处理单元，根据激光雷达和视觉传感器信号，采用融合算法识别出目标，并计算获取目标对本车的相对距离和相对速度；

步骤3，根据本车速度、目标相对速度，基于路面附着系数估计计算出安全预警距离和安全制动距离；

步骤4，根据安全预警距离和安全制动距离、相对距离、控制按钮信号、转向信号综合决策，得出控制信号并驱动执行单元。

其中，数据处理模块包括激光雷达数据的聚类处理，包括步骤：

步骤1.1，进行激光雷达数据预处理，根据车道宽度及雷达探测角度提取感兴趣区数据，计算相邻数据点实际距离；

步骤1.2，计算相邻数据点理论距离，横向理论距离计算公式为d1＝|y/tan(α+β)-y/tan(β)|，纵向理论距离计算公式为d2＝|x·tan(α+β)-x·tan(α)|，其中x为雷达数据点在直角坐标系下的横坐标值，y为雷达数据点在直角坐标系下的纵坐标值，α为固态激光雷达的角分辨率，β为雷达数据点所在激光束与直角坐标系横轴的夹角；

步骤1.3，计算相邻两点实际距离与理论距离之差的绝对值与实际距离的比值，与阈值对比判断出A、B、C类点；

步骤1.4，根据A、B点的特征判断出有效目标，并给出有效目标的方位和速度。其中，融合算法包括步骤：

步骤2.1，根据雷达检测的目标相对方位确定视觉检测的感兴趣区；

步骤2.2，根据确定的感兴趣区采用支持向量机方法检测是否为车辆或行人；

步骤2.3，给出目标的绝对速度、相对距离信息。

其中，基于路面附着系数估计计算出安全预警距离和安全制动距离，包括如下步骤：

步骤3.1，计算驱动轮纵向滑移率s：

非制动工况下：s＝1-ω_r/ω_f，其中ω_f，ω_r分别为两前、后轮的平均转速；

制动工况下：首先对加速度偏差进行估计：其中v为本车速度，a_x为加速度，a_{x_offset}为加速度偏差，然后利用Luenberger观测器来估计车速：其中为车速估计值、加速度偏差估计值，l₁，l₂为观测器反馈增益，最后将车速代入s＝(ωr-v)/max(ωr,v)，式中ω为车轮转速，r为车轮半径；

步骤3.2，利用附着系数的估计：式中：

前轮地面纵向作用力为其中，T_b1为制动力矩，T_r1为滚动阻力矩，为转动惯量，前轴的驱动力矩为T_d＝T_mi₀η_T，其中T_m为电动机的输出扭矩，i₀为主减速器的传动比，η_T为传动系统的效率；

前轮垂向力为F_z1＝[mgb-(m_sa_x+F_a)h_s]/L，其中L为轴距，F_a为空气阻力，h_s为悬挂质心高度，m和m_s分别为整车质量和悬挂质量；

步骤3.3，利用贝叶斯定理估计当前时刻的路面附着系数：式中：设当前地面利用附着系数为μ_i，其后验概率为其中，P_k(μ_i)为μ_i的先验概率，将驱动轮纵向滑移率s代入预先建立的几种不同路面的关系，可得对应利用附着系数，记为定义偏差估计值对应不同路面的条件概率等价于偏差E_i,k的概率分布，设其服从高斯分布，则可得如下似然函数i＝1，2，…，n，其中σ为标准差；

步骤3.4，计算安全距离：

安全预警距离

安全制动距离

其中v为本车速度，u为目标绝对速度，v_r为相对速度，t₁为驾驶员反应时间，t₂为制动延迟时间，g为重力加速度，d₀为最小安全距离，一般取2～5米。

其中，综合决策包括步骤：

步骤4.1，根据本车车速设置安全距离的误差带，误差带与本车车速呈负相关，即速度大误差带小，反之误差带大；

步骤4.2，计算目标相对距离与安全制动距离之差：

如果达到安全距离误差带之内，此时判断：

若制动开关接通，则：若检测到转向信号则不制动，若无转向信号则制动；

若制动开关关闭，则不制动；

步骤4.3，计算目标相对距离与安全预警距离之差：

如果达到安全距离误差带之内，此时判断：

若预警开关接通，则预警；否者不预警；

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

采用电控液压制动，克服了机械传动系统结构复杂、系统反应时间长的缺陷；采用视觉传感器与激光雷达信息进行融合处理，使环境感知更加精确；通过考虑路面附着系数的安全距离模型实时判断两车间距和安全距离的关系，并考虑了驾驶员的转向意图，使预警、制动更加可靠；设置了人机接口单元，提供多种功能选择，提高防碰撞系统操控的灵活性。

附图说明

参照下面附图的优选实施形式的说明，会更清楚地理解本发明。但是，实施形式和附图用于单纯的图示和说明，不应用于限定本发明的范围，本发明的范围由权利要求书确定。

图1为本发明的主动防碰撞系统组成框图。

图2为本发明的激光雷达数据聚类处理流程图。

图3为本发明的融合算法流程图。

图4为本发明的路面附着系数估计流程图。

图5为本发明的综合决策算法流程图。

具体实施方式

根据图1～图5对本发明的优选实施方式进行说明。

图1表示本发明的主动防碰撞系统组成框图，其包括人机接口单元、信息采集单元、中央处理单元和执行单元。人机接口单元包括一控制面板，具体包括故障指示灯，电源开关，预警开关，制动开关，嗡鸣器等，布置于驾驶室中控台。人机接口单元的主要用途在于一方面为驾驶员提供预警，在本优选实施例中采用嗡鸣器发出的声音信号，亦可采用光信号或振动信号等；人机接口单元的另一方面用途是为驾驶员提供不同的功能设置，对于制动开关和预警开关进行不同的操作，可以屏蔽对应的功能。如，如果接通预警开关而关闭制动开关，则系统在执行时仅进行预警而不会主动制动；如果接通制动开关而关闭预警开关，则系统在执行时仅进行主动制动而不会预警；如果两开关均关闭，则系统既不预警也不主动制动。

信息采集单元包括激光雷达和视觉传感器，在本优选实施例中，采用1台固态16点红外激光雷达Leddar。该款雷达体积小，性价比高，隐藏布置于汽车正前部散热栅中部，距离地面约50—70cm。视觉传感器采用具有夜视增强功能的普通单目摄像头，安装于驾驶室内前风挡玻璃上方中央处，激光雷达和视觉传感器与中央处理单元通过车载总线通信。

中央处理单元包括数据处理模块、控制策略模块和故障诊断模块。数据处理模块通过车载总线接收信息采集单元的输出，主要包括雷达数据和视觉传感器的视频数据以及转向信号、电子踏板信号、车速信号、操作按钮的开关信号。信号经处理后通过车载总线传输给控制策略模块、控制策略模块同时通过车载总线获取故障诊断模块的结果，发出控制信号给执行单元；

执行单元包括电磁阀总成，通过液压管路连接制动主缸和四个制动轮缸。该电磁阀总成阀体结构与现有ABS/ESP电磁阀总成结构一致，可以批量采购。电磁阀总成包括电磁阀驱动电路和油泵电机驱动电路。在本优选实施例中，电磁阀驱动主要采用飞利浦BCP68三极管，油泵电机驱动主要采用HFV6继电器。

基于上述主动防碰撞系统的控制方法，本优选实施例中包括以下步骤：

步骤1，采集控制开关信号、激光雷达信号、视觉传感器信号、速度传感器信号、转向信号，经数据处理模块处理；

步骤2，处理后的信号输入到中央处理单元，根据激光雷达获取前方有效目标的方位，并利用视觉传感器信号采用融合算法确定有效目标为人或车辆，并计算获取目标对本车的相对距离和相对速度；

步骤3，根据本车速度、目标相对速度，基于路面附着系数估计计算出安全预警距离和安全制动距离；

步骤4，根据安全预警距离和安全制动距离、相对距离、控制按钮信号、转向信号综合决策，得出控制信号并驱动执行单元。

图2为本发明的激光雷达数据聚类处理流程图。具体包括：

首先，进行激光雷达数据预处理，根据车道宽度及雷达探测角度提取感兴趣区数据，计算相邻数据点实际距离；

其次，计算相邻数据点理论距离，横向理论距离计算公式为d1＝|y/tan(α+β)-y/tan(β)|，纵向理论距离计算公式为d2＝|x·tan(α+β)-x·tan(α)|，其中x为雷达数据点在直角坐标系下的横坐标值，y为雷达数据点在直角坐标系下的纵坐标值，α为固态激光雷达的角分辨率，β为雷达数据点所在激光束与直角坐标系横轴的夹角；

然后，计算相邻两点实际距离与理论距离之差的绝对值与实际距离的比值，与阈值对比判断出A、B、C类点；

最后，根据A、B类点的特征判断出有效目标，并给出有效目标的方位和速度。

图3为本发明的融合算法流程图。具体包括：

首先，根据雷达检测的目标相对方位确定视觉检测的感兴趣区；

其次，根据确定的感兴趣区采用支持向量机方法检测是否为车辆或行人；

最后，给出目标的绝对速度、相对距离信息。

图4为本发明的路面附着系数估计流程图。具体包括：

首先，计算驱动轮纵向滑移率s：

非制动工况下：s＝1-ω_r/ω_f，其中ω_f，ω_r分别为为两前、后轮的平均转速；制动工况下：首先对加速度偏差进行估计：其中v为本车速度，a_x为加速度，a_{x_offset}为加速度偏差，然后利用Luenberger观测器来估计车速：其中为车速、加速度偏差估计值，l₁，l₂为观测器反馈增益，最后将车速代入s＝(ωr-v)/max(ωr,v)，式中ω为车轮转速，r为车轮半径；

其次，利用附着系数的估计：式中：

前轮地面纵向作用力为其中，T_b1为制动力矩，T_r1为滚动阻力矩，为转动惯量，前轴的驱动力矩为T_d＝T_mi₀η_T，其中T_m为电动机的输出扭矩，i₀为主减速器的传动比，η_T为传动系统的效率；

前轮垂向力为F_z1＝[mgb-(m_sa_x+F_a)h_s]/L，其中L为轴距，F_a为空气阻力，h_s为悬挂质心高度，m和m_s分别为整车质量和悬挂质量；

然后，利用贝叶斯定理估计当前时刻的路面附着系数：式中：设当前地面利用附着系数为μ_i，其后验概率为其中，P_k(μ_i)为μ_i的先验概率，将驱动轮纵向滑移率s代入预先建立的几种不同路面的关系，可得对应利用附着系数，记为定义偏差估计值对应不同路面的条件概率等价于偏差E_i,k的概率分布，设其服从高斯分布，则可得如下似然函数i＝1,2,…，n,其中σ为标准差。最后，计算安全距离：

安全预警距离

安全制动距离

其中v为本车速度，u为目标绝对速度，v_r为相对速度，t₁为驾驶员反应时间，t₂为制动延迟时间，g为重力加速度，d₀为最小安全距离，一般取2～5m。

图5为本发明的综合决策算法流程图。具体包括：

首先，根据本车车速设置安全距离的误差带，误差带与本车车速呈负相关，即速度大误差带小，反之误差带大；

其次，计算目标相对距离与安全制动距离之差：

如果达到安全距离误差带之内，此时判断：

若制动开关接通，则：若检测到转向信号则不制动，若无转向信号则制动；

若制动开关关闭，则不制动；

最后，计算目标相对距离与安全预警距离之差：

如果达到安全距离误差带之内，此时判断：

若预警开关接通，则预警；否者不预警；

以上结合附图的实施例描述，旨在便于理解本发明的创新实质，但并非以此来限定本发明的多样式实施以及要求的权利要求保护范围。但凡理解本发明，并根据上述实施例进行的等效结构变化或构件替换，能够实现相同目的和效果的设计，均应视为对本专利申请保护内容的侵犯。