汽车横纵向主动协调避撞系统及其协调方法与流程

本发明涉及汽车辅助驾驶领域，尤其涉及一种汽车横纵向主动协调避撞系统及其协调方法。

背景技术：

汽车辅助驾驶技术越来越受大众关注，特别是如今人工智能的提出，人们对无人驾驶汽车的期待越来越高。对于无人驾驶汽车，在转向这个领域里，最基本的就是主动避撞技术了。

有效的主动避撞除了要求有适宜工况的安全距离模型外，还要求能合理地协调转向与制动关系，此外，应该将汽车变道的速度控制在合理范围内，避免速度过大导致甩尾、侧翻等不良反应。因此，只有协调好转向、换挡、制动的权重关系，才能让避撞的过程更加安全有效。目前，有部分研究提出可依据两车的相对距离的大小把避撞分为三种过程：纯转向、转向加制动、纯制动。虽然这样会使得避撞系统更加细致，各个系统分工更明确，但某种意义上讲，其实增加了计算过程，让整体时间有所滞后，避撞效率以及安全性能有所降低了。

所以，如果能在任何工况下都可实现边转向边制动，会让避撞过程更加高效安全，有效地辅助驾驶员的操作，为驾驶员的安全提供保障。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种汽车横纵向主动协调避撞系统及其协调方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种汽车横纵向主动协调避撞系统，包括前视雷达、车速传感器、侧向加速度传感器、纵向加速度传感器、前轮转角传感器、判断模块、信号集成模块、权衡单元、转向单元、制动单元、换档单元以及电子控制单元ecu；

所述信号集成模块分别和车速传感器、侧向加速度传感器、纵向加速度传感器、前轮转角传感器、权衡单元相连；所述电子控制单元ecu分别和车速传感器、侧向加速度传感器、纵向加速度传感器、前轮转角传感器、前视雷达、判断模块、权衡单元、转向单元、制动单元、换挡单元相连；所述判断模块还分别和所述前视雷达、权衡单元相连；

所述前视雷达设置在汽车上，用于收集前方车辆和汽车之间的相对距离以及前方车辆的速度，并将前方车辆和汽车之间的相对距离输出到所述判断模块、将前方车辆的速度输出到所述电子控制单元ecu；

所述车速传感器、侧向加速度传感器、纵向加速度传感器以及前轮转角传感器均设置在汽车上，分别用于收集汽车的车速、侧向加速度、纵向加速度和前轮转角，并将收集到的数据输入到所述电子控制单元ecu和信号集成模块；

所述信号集成模块用于将接收到的车速、侧向加速度、纵向加速度以及前轮转角整合成工况信号，并输送到权衡单元；

所述转向单元包含转向助力电机，用于控制汽车进行转向操作；

所述制动单元包含制动轮缸，用于控制汽车进行制动操作；

所述换挡单元包含cvt，用于控制汽车进行换挡操作；

所述电子控制单元ecu用于根据接收到的汽车的车速、纵向加速度、侧向加速度以及前方车辆的速度计算汽车和前方车辆之间的安全距离后，将计算出的安全距离输送到所述判断模块；同时，在接收到权衡单元的计算结果时，根据权衡单元的计算结果计算出最优的前轮转角、侧向加速度、纵向加速度、汽车车速后，分别与汽车实时的前轮转角、侧向加速度、纵向加速度、汽车车速进行比较，依据比较得到的差值来调节转向助力电机的输入电流、制动轮缸的压力以及cvt的传动比，进而使得转向单元、制动单元、换档单元进行工作；

所述判断模块用于将接收到的前方车辆和汽车之间的相对距离和安全距离作差，在所得差值小于预设的距离阈值时，发送触发信号给所述权衡单元；

所述权衡单元用于在接收到触发信号时根据接收到的工况信号计算出汽车纵向加速度的权重、侧向加速度的权重，前轮转角的权重和汽车速度的权重，并将其输入到电子控制单元ecu中。

本发明还公开了一种基于该汽车横纵向主动协调避撞系统的协调方法，包括以下几个步骤：

步骤1)，前视雷达收集前方车辆和汽车之间的相对距离以及前方车辆的速度，并将前方车辆和汽车之间的相对距离输出到所述判断模块、将前方车辆的速度输出到所述电子控制单元ecu；

步骤2)，车速传感器、侧向加速度传感器、纵向加速度传感器、前轮转角传感器分别收集汽车的车速、侧向加速度、纵向加速度和前轮转角，并将收集到的数据输入到电子控制单元ecu和信号集成模块；

步骤3)，电子控制单元ecu根据接收到的汽车的车速、纵向加速度、前方车辆的速度建立期望距离模型后，根据期望距离模型计算汽车和前方车辆之间的安全距离，并将计算出的安全距离输入到判断模块；

步骤4)，信号集成模块将接收到的车速、侧向加速度、纵向加速度以及前轮转角整合成工况信号后输送到权衡单元；

步骤5)，判断模块将接收到的前方车辆和汽车之间的相对距离和电子控制单元ecu输入的安全距离作差，在所得差值小于预设的距离阈值时，发送触发信号给所述权衡单元；

步骤6)，权衡单元接收到触发信号后，根据信号集成单元输入的工况信号计算出汽车纵向加速度的权重、侧向加速度的权重、前轮转角的权重和汽车速度的权重，并将其输入到电子控制单元ecu中；

步骤7)，电子控制单元ecu根据权衡单元的计算结果计算出当前工况下最优的前轮转角、侧向加速度、纵向加速度、汽车车速，然后分别与传感器输入的汽车实时的前轮转角、侧向加速度、纵向加速度、汽车车速进行比较，依据比较得到的差值来调节转向助力电机的输入电流、制动轮缸的压力以及cvt的传动比；

步骤8)，转向助力电机、cvt、制动轮缸依据电子控制单元ecu调节后的电机电流、传动比、制动压力分别为转向单元、换挡单元以及制动单元提供转向助力、变速、液压油压力，使得转向单元、换档单元、制动单元实现相应的转向、换挡以及制动操作。

作为本发明一种汽车横纵向主动协调避撞系统的协调方法进一步的优化方案，所述步骤3)中根据以下公式建立期望距离模型s^*(vn(t),δvn(t))：

式中，vn(t)为汽车的车速；δvn(t)为前方车辆和汽车之间的相对速度；s0为预设的前方车辆和汽车之间的最小间隙距离阈值；t为时间；a为汽车的纵向加速度；b为预设的舒适减速度阈值；t为预设的驾驶员反应时间阈值。

作为本发明一种汽车横纵向主动协调避撞系统的协调方法进一步的优化方案，所述s0为3米，b为1.5m/s²，t为2s。

作为本发明一种汽车横纵向主动协调避撞系统的协调方法进一步的优化方案，所述步骤5)的具体步骤如下：

步骤5.1)，判断模块计算前方车辆和汽车之间的相对距离和安全距离之间的差值δ：

δ＝s-s^*

式中，s为前方车辆和汽车之间的相对距离，s^*为安全距离：

步骤5.2)，判断模块将δ和预设的距离阈值smn(t)进行比较，当δ≤smn(t)时，发送触发信号给所述权衡单元。

作为本发明一种汽车横纵向主动协调避撞系统的协调方法进一步的优化方案，所述步骤7)中电子控制单元ecu根据权衡单元的计算结果计算出当前工况下最优的前轮转角、侧向加速度、纵向加速度、汽车车速的具体步骤如下：

步骤7.1)，确定优化变量为纵向加速度a1，侧向加速度ay、前轮转角θf、汽车速度vs；

步骤7.2)，确定以下目标函数f：

式中，f是综合评价指标，w1、w2、w3、w4分别是纵向加速度a1，侧向加速度ay、前轮转角θf、开始制动速度vs的权重；

步骤7.3)，确定优化的终止条件为：|vs|＝vsmax或|a1|＝amax或|θf|＝θfmax或|ay|＝aymax；

其中，a1为最大的纵向加速度，aymax为最大的侧向加速度，θfmax为最大的前轮转角，vsmax汽车安全行驶的最大速度；

步骤7.4)，基于模拟退火算法进行全局寻优，寻找最优参数，具体步骤如下：

步骤7.4.1)，随机产生一个初始解x0，代表ay0、a10、vs0、θf0，令xbest＝x0，并计算目标函数值f(x0)，ay0、a10、vs0、θf0分别为在寻优初始时刻汽车纵向加速度，侧向加速度、前轮转角、汽车速度的初始值；

步骤7.4.2)，设置当前温度t(0)＝t0；

步骤7.4.3)，设置迭代总次数l，令当前迭代次数i＝0；

步骤7.4.4)，对当前最优解xbest按照任一邻域函数，产生一新的解xn，计算新的目标函数值f(xn)，并计算目标函数值的增量δf＝f(xn)-f(x0)；

步骤7.4.4.1)，如果δf＜0，令xbest＝xn；

步骤7.4.4.2)，如果δf＞0，计算p＝exp(-δf/t(i))；

步骤7.4.4.2.1)，如果c＝random[0,1]＜p，令xbest＝xn；否则令xbest＝xbest；

步骤7.4.5)，使得i＝i+1；

步骤7.4.6)，判断i是否等于l，若i不等于l，则返回步骤7.4.3)；

步骤7.4.7)，判断是否满足优化的终止条件；

步骤7.4.7.1)，如果不满足优化的终止条件，令t(i)＝ct(i)，并返回执行步骤步骤7.4.3)，c为预设的降低温度系数；

步骤7.4.7.2)，如果满足优化的终止条件，则输出纵向加速度侧向加速度前轮转角汽车速度vs^*作为最优解。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.提出更加有效的避撞模式：边转向边制动，使得在及时换挡减速的前提下，保障了避撞的安全性以及稳定性；

2.一方面保障安全避撞，另一方面也减少了避撞过程对交通流的干扰，保证交通效率，符合智能交通的要求；

3.同时将换挡、转向、制动三个部分进行协调优化，使得避撞过程中得到纵向加速度侧向加速度前轮转角以及汽车速度vs^*；多单元进行协调，使得避撞系统利益最大化，达到避撞效果最优。

附图说明

图1为本发明中汽车横纵向主动协调避撞系统的结构示意图；

图2为本发明中转向、制动以及换到协调优化方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明公开了一种汽车横纵向主动协调避撞系统，包括前视雷达、车速传感器、侧向加速度传感器、纵向加速度传感器、前轮转角传感器、判断模块、信号集成模块、权衡单元、转向单元、制动单元、换档单元以及电子控制单元ecu；

所述信号集成模块分别和车速传感器、侧向加速度传感器、纵向加速度传感器、前轮转角传感器、权衡单元相连；所述电子控制单元ecu分别和车速传感器、侧向加速度传感器、纵向加速度传感器、前轮转角传感器、前视雷达、判断模块、权衡单元、转向单元、制动单元、换挡单元相连；所述判断模块还分别和所述前视雷达、权衡单元相连；

所述前视雷达设置在汽车上，用于收集前方车辆和汽车之间的相对距离以及前方车辆的速度，并将前方车辆和汽车之间的相对距离输出到所述判断模块、将前方车辆的速度输出到所述电子控制单元ecu；

所述车速传感器、侧向加速度传感器、纵向加速度传感器以及前轮转角传感器均设置在汽车上，分别用于收集汽车的车速、侧向加速度、纵向加速度和前轮转角，并将收集到的数据输入到所述电子控制单元ecu和信号集成模块；

所述信号集成模块用于将接收到的车速、侧向加速度、纵向加速度以及前轮转角整合成工况信号，并输送到权衡单元；

所述转向单元包含转向助力电机，用于控制汽车进行转向操作；

所述制动单元包含制动轮缸，用于控制汽车进行制动操作；

所述换挡单元包含cvt，用于控制汽车进行换挡操作；

所述电子控制单元ecu用于根据接收到的汽车的车速、纵向加速度、侧向加速度以及前方车辆的速度计算汽车和前方车辆之间的安全距离后，将计算出的安全距离输送到所述判断模块；同时，在接收到权衡单元的计算结果时，根据权衡单元的计算结果计算出最优的前轮转角、侧向加速度、纵向加速度、汽车车速后，分别与汽车实时的前轮转角、侧向加速度、纵向加速度、汽车车速进行比较，依据比较得到的差值来调节转向助力电机的输入电流、制动轮缸的压力以及cvt的传动比，进而使得转向单元、制动单元、换档单元进行工作；

所述判断模块用于将接收到的前方车辆和汽车之间的相对距离和安全距离作差，在所得差值小于预设的距离阈值时，发送触发信号给所述权衡单元；

所述权衡单元用于在接收到触发信号时根据接收到的工况信号计算出汽车纵向加速度的权重、侧向加速度的权重，前轮转角的权重和汽车速度的权重，并将其输入到电子控制单元ecu中。

如图2所示，本发明还公开了一种基于该汽车横纵向主动协调避撞系统的协调方法，包括以下几个步骤：

步骤1)，前视雷达收集前方车辆和汽车之间的相对距离以及前方车辆的速度，并将前方车辆和汽车之间的相对距离输出到所述判断模块、将前方车辆的速度输出到所述电子控制单元ecu；

步骤2)，车速传感器、侧向加速度传感器、纵向加速度传感器、前轮转角传感器分别收集汽车的车速、侧向加速度、纵向加速度和前轮转角，并将收集到的数据输入到电子控制单元ecu和信号集成模块；

步骤3)，电子控制单元ecu根据接收到的汽车的车速、纵向加速度、前方车辆的速度建立期望距离模型后，根据期望距离模型计算汽车和前方车辆之间的安全距离，并将计算出的安全距离输入到判断模块；

步骤4)，信号集成模块将接收到的车速、侧向加速度、纵向加速度以及前轮转角整合成工况信号后输送到权衡单元；

步骤5)，判断模块将接收到的前方车辆和汽车之间的相对距离和电子控制单元ecu输入的安全距离作差，在所得差值小于预设的距离阈值时，发送触发信号给所述权衡单元；

步骤6)，权衡单元接收到触发信号后，根据信号集成单元输入的工况信号计算出汽车纵向加速度的权重、侧向加速度的权重、前轮转角的权重和汽车速度的权重，并将其输入到电子控制单元ecu中；

步骤7)，电子控制单元ecu根据权衡单元的计算结果计算出当前工况下最优的前轮转角、侧向加速度、纵向加速度、汽车车速，然后分别与传感器输入的汽车实时的前轮转角、侧向加速度、纵向加速度、汽车车速进行比较，依据比较得到的差值来调节转向助力电机的输入电流、制动轮缸的压力以及cvt的传动比；

步骤8)，转向助力电机、cvt、制动轮缸依据电子控制单元ecu调节后的电机电流、传动比、制动压力分别为转向单元、换挡单元以及制动单元提供转向助力、变速、液压油压力，使得转向单元、换档单元、制动单元实现相应的转向、换挡以及制动操作。

所述步骤3)中根据以下公式建立期望距离模型s^*(vn(t),δvn(t))：

式中，vn(t)为汽车的车速；δvn(t)为前方车辆和汽车之间的相对速度；s0为预设的前方车辆和汽车之间的最小间隙距离阈值；t为时间；a为汽车的纵向加速度；b为预设的舒适减速度阈值；t为预设的驾驶员反应时间阈值。

所述s0为3米，b为1.5m/s²，t为2s。

所述步骤5)的具体步骤如下：

步骤5.1)，判断模块计算前方车辆和汽车之间的相对距离和安全距离之间的差值δ：

δ＝s-s^*

式中，s为前方车辆和汽车之间的相对距离，s^*为安全距离：

步骤5.2)，判断模块将δ和预设的距离阈值smn(t)进行比较，当δ≤smn(t)时，发送触发信号给所述权衡单元。

所述步骤7)中电子控制单元ecu根据权衡单元的计算结果计算出当前工况下最优的前轮转角、侧向加速度、纵向加速度、汽车车速的具体步骤如下：

步骤7.1)，确定优化变量为纵向加速度a1，侧向加速度ay、前轮转角θf、汽车速度vs；

步骤7.2)，确定以下目标函数f：

式中，f是综合评价指标，w1、w2、w3、w4分别是纵向加速度a1，侧向加速度ay、前轮转角θf、开始制动速度vs的权重；

步骤7.3)，确定优化的终止条件为：|vs|＝vsmax或|a1|＝amax或|θf|＝θfmax或|ay|＝aymax；

其中，a1为最大的纵向加速度，aymax为最大的侧向加速度，θfmax为最大的前轮转角，vsmax汽车安全行驶的最大速度；

步骤7.4)，基于模拟退火算法进行全局寻优，寻找最优参数，具体步骤如下：

步骤7.4.1)，随机产生一个初始解x0，代表ay0、a10、vs0、θf0，令xbest＝x0，并计算目标函数值f(x0)，ay0、a10、vs0、θf0分别为在寻优初始时刻汽车纵向加速度，侧向加速度、前轮转角、汽车速度的初始值；

步骤7.4.2)，设置当前温度t(0)＝t0；

步骤7.4.3)，设置迭代总次数l，令当前迭代次数i＝0；

步骤7.4.4)，对当前最优解xbest按照任一邻域函数，产生一新的解xn，计算新的目标函数值f(xn)，并计算目标函数值的增量δf＝f(xn)-f(x0)；

步骤7.4.4.1)，如果δf＜0，令xbest＝xn；

步骤7.4.4.2)，如果δf＞0，计算p＝exp(-δf/t(i))；

步骤7.4.4.2.1)，如果c＝random[0,1]＜p，令xbest＝xn；否则令xbest＝xbest；

步骤7.4.5)，使得i＝i+1；

步骤7.4.6)，判断i是否等于l，若i不等于l，则返回步骤7.4.3)；

步骤7.4.7)，判断是否满足优化的终止条件；

步骤7.4.7.1)，如果不满足优化的终止条件，令t(i)＝ct(i)，并返回执行步骤步骤7.4.3)，c为预设的降低温度系数；

步骤7.4.7.2)，如果满足优化的终止条件，则输出纵向加速度侧向加速度前轮转角汽车速度vs^*作为最优解。

电子控制单元ecu依据最优值与实时值对比的差值对助力电机的输入电流、cvt的传动比以及制动轮缸的油路压力进行调节控制，进而使得汽车避撞状态达到最优最稳定的状态。

本发明实时观测汽车的运动状态，依据工况的变化，为换挡、转向和制动系统提供不同的权重，从而实现边转向边制动的避撞方式，提高了避撞效率，也保证了行车的安全性能以及稳定性能。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。