本发明涉及汽车主动安全控制领域，更具体地，涉及一种基于激光和超声波集成测距的汽车主动防撞控制系统和方法。
背景技术：
在传统的技术领域，汽车行驶安全通常依靠驾驶员对危险的判断与采取的预防措施。在实际生活中，驾驶员往往会因为注意力不集中或疲劳驾驶等因素导致交通事故发生。因此，如何提高汽车行驶过程中的安全性，减少交通事故的发生几率，是相关技术人员努力研究的重要课题。在其中，汽车防撞技术是一种重要的技术手段。汽车防撞系统，是一种主动安全系统，在预判危险发生可能性的基础上，发出警告，并采取相应的主动紧急制动措施，能有效避免汽车与汽车，或汽车与行人之间的碰撞发生。
传统的主动紧急制动方法，首先利用超声波测距或激光测距获得本车与障碍物之间的距离；然后根据驾驶员平均反应时间、汽车参数、路面附着系数计算最短制动距离，并设定为最小安全距离；当本车与障碍物之间的距离小于最小安全距离时采取主动紧急制动措施，避免碰撞事故发生。但是传统的主动紧急制动方法大多只考虑汽车前方的安全，在现实生活中危险往往来自于侧面。例如事故多发的十字路口，一方面行人或机动车驾驶员急于穿越马路，不注意速度的控制，出现危险状况来不及反应。另一方面汽车A柱对本车驾驶员两侧视线的遮挡，不能及时注意到危险的存在。都容易造成事故的发生。
目前，超声波测距技术和激光测距技术在汽车领域已经得到了广泛运用。超声波测距技术，是根据超声波在空气中的传播速度为已知，超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即中断停止计时，然后根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。众所周知，声波在空气中传播是在某个方向以球面波扩散出去，因此相比于单点激光测距侦测范围更大。但是超声波能量与距离的平方成正比而衰减，即距离越远，反射波越少。因此超声波有效的测量范围只有0.03-5米，不适合较高车速行驶条件下的汽车防撞，仅适合应用于汽车倒车雷达。激光测距技术是利用激光对目标的距离进行准确测定的传感器。激光测距在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。激光测距是目前使用最为广泛的测距传感器，能很好地弥补超声波测距距离的不足。如果同时利用超声波测量范围广、激光测距方向性好、测量范围远、测量精度高的特点，将超声波测距和激光测距运用到汽车主动安全，控制系统将有更多预判和处理的时间，势必提高汽车的主动安全性。
技术实现要素：
本发明针对当前汽车防撞系统的缺陷，不仅适用于汽车在同向或反向条件下的防撞，而且适合障碍物从本车侧面出现时，采取有效的预警和主动紧急制动，本发明采用以下方法予以实现：
一种汽车主动防撞控制系统和方法，控制系统由车辆状态估计模块、控制器、超声波测距模块、激光测距模块和控制执行模块组成；控制执行模块由转向控制模块和制动控制模块组成；
超声波测距模块由超声波测距模块1、超声波测距模块2、超声波测距模块3、超声波测距4和超声波测距模块5组成；
激光测距模块由激光测距模块1、激光测距模块2、激光测距模块3、激光测距模块4、激光测距模块5和激光测距模块6组成；
控制执行模块由转向控制模块和制动控制模块组成；
超声波测距模块1和超声波测距模块2分别用于检测汽车左前方和右前方是否存在障碍物，以及与障碍物之间的距离，由此确定汽车左前方和右前方可行驶的区域；超声波测距模块4和超声波测距模块5用于检测汽车两侧路面与当前汽车所在路面之间的高度；超声波测距模块3用于测量汽车前方的障碍物之间的距离；超声波模块所检测到的可行驶区域、路面高度、本车与障碍物之间的距离发送至控制器；
激光测距模块1、激光测距模块2、激光测距模块3、激光测距模块4、激光测距模块5和激光测距模块6用于检测从汽车两侧移动到汽车前方的障碍物移动方向、速度，以及与本车之间的距离，并将这些信息传送至控制器；
车辆状态估计模块用于估计当前车速，并将车速发送给控制器；
控制器根据汽车左前方和右前方的可行驶区域，以及汽车两侧路面与当前汽车所在路面之间的高度，确定是否能转向避让，以及转向行驶的距离；在满足转向避让的条件下，控制器通过转向控制模块实现汽车主动转向；
控制器根据汽车正前方与障碍物之间的距离，参考设定的最小安全距离阈值，判断是否需要主动紧急制动；在满足主动紧急制动的条件下，控制器通过制动控制模块实现汽车主动紧急制动。
6个激光模块分为两组，激光测距模块1、激光测距模块2、激光测距模块3为第1组，布置在车头左侧；激光测距模块4、激光测距模块5、激光测距模块6为第2组，布置在车头右侧；两组激光模块关于汽车纵轴对称安装，每组激光测距模块等距安装；
5个超声测距模块分为3组，超声波测距模块1、超声波测距模块3为第1组，布置在车头左侧；超声波测距模块2、超声波测距模块4为第2组，布置在车头右侧；超声波测距模块5为第3组，布置在车头中间；超声波测距模块1和超声波测距模块2平行于汽车纵轴向外张开α角度；超声波测距模块4和超声波测距模块5距地面的安装高度为h，且水平向下倾斜β角度。
进一步地，采取如下方法进行障碍物判断和最小安全距离确定：
激光测距模块1和激光测距模块6分别检测左右两侧是否有障碍物横向穿越本车前方；超声波模块1和超声波模块2分别检测本车前方左右两侧是否有障碍物，以及本车与前方左右两侧障碍物之间的距离；控制器根据当前车速，本车与前方障碍物之间的距离、驾驶员平均反应时间、汽车参数、路面附着系数计算最短制动距离，并取最短刹车距离的1.2倍为最小安全距离。
进一步地，采取如下方法确定是否需要进行主动防撞控制：
当障碍物由右向左横穿本车前端时，控制器根据车辆状态估计模块估计的当前车速、激光测距模块2检测到的本车与障碍物的距离，计算本车行驶到障碍物所在位置的时间T1；控制器根据激光测距模块1和激光测距模块3的安装距离，以及激光测距模块1和激光测距模块3分别检测障碍物的时间间隔，计算障碍物横穿本车前端的速度；控制器根据横穿速度和本车宽度计算障碍物经过本车前端所需时间T2；
当障碍物由左向右横穿本车前端时，控制器根据车辆状态估计模块估计的当前车速、激光测距模块5检测到的本车与障碍物的距离，计算本车行驶到障碍物所在位置的时间T1；控制器根据激光测距模块4和激光测距模块6的安装距离，以及激光测距模块4和激光测距模块6分别检测障碍物的时间间隔，计算障碍物横穿本车前端的速度；控制器根据横穿速度和本车宽度计算障碍物经过本车前端所需时间T2；
当T1/T2≤1.5时，主动防撞控制系统需要进行主动防撞控制。
进一步地，采取如下方法确定障碍物是否退出车道：
如果原先检测到障碍物的3个激光测距模块，又以相反的次序检测到障碍物，可判断障碍物正朝着相反的方向退出车道。
控制器利用超声波测距模块4和超声波测距模块5检测到的路面距离，结合安装参数计算汽车两侧路面与当前汽车所在路面之间的路面高度，计算公式如下：
d＝l×sinβ
s＝|d－h|
其中，s为汽车两侧路面与当前汽车所在路面之间的路面高度，d为左右两侧路面与超声波测距模块4和超声波测距模块5之间的垂直距离，l为超声波测距模块4和超声波测距模块5检测到的汽车左右两侧超声波安装位置至路面的距离，β为超声波测距模块4和超声波测距模块5水平向下的安装倾斜角；
当s小于预设安全高度S时，满足主动转向防撞条件。
当T1/T2≥1.5时，主动防撞控制系统无控制输出；如果对侧激光测距模块在T2内检测到两次信号突变，确定障碍物已横穿本车前端，主动防撞控制系统无控制输出；如果对侧激光测距模块在T2内检测没有到两次信号突变，汽车远光灯交替闪烁两次，并由安装在车头中央的超声波测距模块3检测本车与障碍物之间的距离；当本车与障碍物之间的距离是否小于最小安全距离时，控制器通过制动控制模块实现汽车主动紧急制动；
进一步地，采取如下方法确定主动防撞控制模式：
当1≤T1/T2≤1.5时，控制器通过制动控制模块实现汽车主动缓慢制动；接着再由安装在车头中央的超声波测距模3块检测本车与障碍物之间的距离，判断本车与障碍物之间的距离是否小于最小安全距离；满足条件时，由控制器通过制动控制模块实现主动紧急制动；
当T1/T2≤1时，控制器通过制动控制模块实现主动紧急制动，避免与障碍物发生碰撞；特别地，当本车与障碍物之间的距离小于最小安全距离时，如果超声波测距模块4和超声波测距模块5检测到汽车两侧路面与当前汽车所在路面之间的路面高度小于预设安全高度S时，控制器通过制动控制模块实现汽车主动紧急制动的同时，并通过转向控制模块实现汽车主动转向；否则，不执行主动转向，仅进行主动紧急制动。
本发明提供一种基于上述基于激光和超声波集成测距的汽车防撞控制系统的方法，步骤如下：
首先，检测汽车前方是否有障碍物；如果前方有障碍物，检测本车与障碍物之间的距离；
然后，判断本车与障碍物之间的距离是否小于最小安全距离；如果小于，根据主动转向防撞条件，实现汽车主动紧急制动与主动转向避让控制，或仅实现汽车主动紧急制动控制；如果大于，进入下一步骤；
最后，根据本车与障碍物之间的距离，以及当前本车车速计算本车行驶至障碍物所在位置的时间T1；计算障碍物横穿本车的速度，再根据本车宽度计算障碍物横穿本车前端的时间T2；基于T1和T2，参考主动防撞控制模式实行主动防撞控制。
附图说明
图1为本发明防撞控制系统和方法结构框图；
图2为本发明部分超声波模块和激光测距模块安装分布图；
图3为本发明超声波模块4和超声波模块5安装分布图；
图4为本发明侧向条件下转向避让示意图；
图5为本发明同向或反向条件下汽车转向避让示意图；
图6为本发明障碍物从右侧移动到本车前方的判断和处理流程图；
图7为本发明障碍物从左侧移动到本车前方的判断和处理流程图；
图8为本发明障碍物从正向移动到本车前方的判断和处理流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的解释和说明：
如图1所示，汽车防撞控制系统和方法，包括控制器20、激光测距模块41、42、43、44、45、46、超声波测距模块31、32、33、34、35、车辆状态估计模块10、转向控制模块51和制动控制模块52。激光测距模块41、42、43、44、45、46、超声波测距模块31、32、33、34、35、车辆状态估计10作为数据输入连入控制器20，控制器20发出控制信号控制转向控制模块51和制动控制模块52动作。
超声波测距模块31、32分别用于检测汽车左前方和右前方是否存在障碍物，以及与障碍物之间的距离，由此确定汽车左前方和右前方可行驶的区域；超声波测距模块34、35用于检测汽车两侧路面与当前汽车所在路面之间的高度；超声波测距模块33用于测量汽车前方的障碍物之间的距离；超声波模块所检测到的可行驶区域、路面高度、本车与障碍物之间的距离发送至控制器20；
激光测距模块41、42、43、44、45、46用于检测从汽车两侧移动到汽车前方的障碍物移动方向、速度，以及与本车之间的距离，并将这些信息传送至控制器20；
控制器20根据汽车左前方和右前方的可行驶区域，以及汽车两侧路面与当前汽车所在路面之间的高度，确定是否能转向避让，以及转向行驶的距离；在满足转向避让的条件下，控制器20通过转向控制模块51实现汽车主动转向；
控制器20根据汽车正前方与障碍物之间的距离，参考设定的最小安全距离阈值，判断是否需要主动紧急制动；在满足主动紧急制动的条件下，控制器20通过制动控制模块52实现汽车主动紧急制动。
作为其中一个实施例，6个激光模块分为两组，激光测距模块41、激光测距模块42、激光测距模块43为第1组，布置在车头左侧；激光测距模块44、激光测距模块45、激光测距模块46为第2组，布置在车头右侧；两组激光模块关于汽车纵轴对称安装，每组激光测距模块等距安装，安装间距为15cm；
作为其中一个实施例，5个超声测距模块分为3组，超声波测距模块31、超声波测距模块33为第1组，布置在车头左侧；超声波测距模块32、超声波测距模块34为第2组，布置在车头右侧；超声波测距模块35为第3组，布置在车头中间；超声波测距模块31和超声波测距模块32平行于汽车纵轴向外张开60度；超声波测距模块34和超声波测距模块35距地面的安装高度为h，且水平向下倾斜60度。
激光测距模块41和激光测距模块46分别检测左右两侧是否有障碍物横向穿越本车前方；超声波模块31和超声波模块32分别检测本车前方左右两侧是否有障碍物，以及本车与前方左右两侧障碍物之间的距离；控制器20根据当前车速，本车与前方障碍物之间的距离、驾驶员平均反应时间、汽车参数、路面附着系数计算最短制动距离，并取最短刹车距离的1.2倍为最小安全距离。
作为其中一个实施例，汽车正常行驶，障碍物从右侧往左侧横穿本车前方。激光测距模块41、46检测两侧是否有障碍物横向穿越本车前方。如果激光测距模块41检测到障碍物，控制器20开启定时器计时，障碍物继续向左移动，如果激光测距模块42检测到障碍物，可判断障碍物从右侧往左侧横向穿越本车前方。控制器20记录激光测距模块42测量的本车与障碍物的距离。如果障碍物再继续向左移动，激光测距模块43检测到障碍物。控制器20停止定时器，获取障碍物经过激光测距模块41和激光测距模块43的时间间隔。
由激光测距模块41与激光测距模块43的安装距离和控制器20定时器中的时间数据计算障碍物的移动速度。
考虑到激光测距模块41与激光测距模块43安装距离比较近，可认为障碍物在该段距离内移动速度为匀速运动，但是障碍物移动速度是不确定的。后续的判断加入考虑障碍物加速、减速移动的情形。
控制器20利用车辆状态估计模块10采集汽车当前车速，汽车根据当前车速与障碍物与本车之间的距离估算本车行驶到障碍物所在位置所需时间T1，以及根据障碍物移动速度与本车宽度计算障碍物经过本车前端所需时间T2。
比较所述的两个所需时间，并分情况讨论：
当T1/T2≥1.5时，该情况为障碍物距本车较远或障碍物以较快的速度横穿本车前方，是相对安全的一种情形。在激光测距模块43检测到障碍物之后，主动防撞控制系统无控制输出。如果障碍物继续向左移动，将被激光测距模块44检测到，产生一次信号突变。当障碍物离开激光测距模块44的测量区域，必然会再检测到一次信号突变，表明障碍物即将离开本车的前方；如果激光测距模块44在小于或等于障碍物横穿本车前方所需时间T2检测到两次信号突变，确定障碍物已横穿本车前端，主动防撞控制系统无控制输出；反之，汽车前照灯远近灯光交替两次；但考虑到障碍物可能减速，单纯依靠激光测距模块44检测障碍物，一方面会出现检测不及时的现象，另一方面激光测距模块测距时只有一束极细的光线，在车头前方有较大的侦测盲区。作为保险起见，在车头中间设置一个超声波测距模块33，测量障碍物与本车之间的距离。判断所述距离是否小于所述最小安全距离，是则控制器20控制制动控制模块52主动紧急制动；反之，不做处理；
当1≤T1/T2≤1.5时,该情况虽然在理论上不发生碰撞事件，但障碍物横穿本车前方时与本车的距离相对较近，容易造成驾驶员紧张。在激光测距模块43检测到障碍物之后，首先，本车先主动缓慢制动减速。主动缓慢制动减速一方面能提醒驾驶员前方有障碍物，另一方面本车行驶到障碍物的时间将会变长，障碍物有更多的时间横穿本车前方。接着，再由安装在车头中央的超声波测距模块33测量汽车与障碍物与汽车之间的距离，判断所述距离是否小于所述最小安全距离，是则控制器20控制制动控制模块52主动紧急制动；反之，不做处理。
特别地，以上两种情形。考虑到，障碍物可能采取一些避让措施。为了防止因为障碍物采取的避让措施造成判断的失误。如果原先检测到障碍物的3个激光测距模块41、42、43又以相反的次序检测到障碍物，可判断障碍物正朝着相反的方向退出车道，主动防撞控制系统无控制输出。
当T1/T2≤1时，该情况下如果障碍物继续向左移动，必然会发生碰撞。激光测距模块43检测到障碍物之后。控制器20控制制动模块52主动紧急制动，避免碰撞的发生。特别地，如果汽车行驶速度过快或来自侧向的障碍物横穿本车前方时与本车距离过近，即使采取了主动紧急制动措施仍会有碰撞的可能。因此通过测量汽车左前方的可行驶区域并向该区域主动转向减少碰撞的损失。而在某些特殊情况下，例如汽车两侧有台阶或深沟，如果主动转向必然会造成转向失败或使车陷入深沟中。为了判断主动转向防撞条件，在汽车车头对侧布置了超声波测距模块34，用于检测汽车两侧路面与当前汽车所在路面之间的高度。控制器20利用超声波测距模块34检测到的路面距离，结合安装参数计算汽车两侧路面与当前汽车所在路面之间的路面高度，式(1)～(2)为路面高度计算公式：
d＝l×sinβ (1)
s＝|d－h| (2)
其中，s为汽车两侧路面与当前汽车所在路面之间的路面高度，d为左侧路面与超声波测距模块34之间的垂直距离，l为超声波测距模块34检测到的汽车左侧超声波安装位置至路面的距离，β为超声波测距模块34水平向下的安装倾斜角；
作为其中一个实施例，如果激光测距模块42检测到汽车与障碍物与汽车的距离小于所述最小安全距离，控制器20通过制动控制模块52实现主动紧急制动，避免与障碍物发生碰撞；特别地，当本车与障碍物之间的距离小于最小安全距离时，如果超声波测距模块34检测到汽车左侧路面与当前汽车所在路面之间的路面高度小于预设安全高度10cm时，控制器20通过制动控制模块52实现汽车主动紧急制动的同时，并通过转向控制模块51实现汽车主动转向；否则，不执行主动转向，仅进行主动紧急制动。
如果障碍物从左侧横穿本车前方，判断方法和上文一致。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为落入本发明的保护范围。