一种车辆柔性避撞系统及其控制方法与流程

本发明涉及汽车安全技术领域，尤其是一种车辆柔性避撞系统及其控制方法。

背景技术：

目前，研究者一直致力于提升车辆的自动驾驶技术和安全性，并不断开发车辆主动避撞系统来避免碰撞或者减轻碰撞的伤害，并利用现代计算机和传感器技术来帮助驾驶员完成驾驶任务。而车辆的纵向控制能够应用在各种避撞场景以避免碰撞或者减轻碰撞带来的危害，很多先进车辆控制和安全系统的应用程序已经被融合到车辆的主动避撞系统中。

目前常见的纵向避撞方法主要针对车辆前方存在危险车辆的情况，系统通常采用雷达、机器视觉手段对本车与前方车辆的相对距离、相对速度进行实时监控。然而，现有车辆纵向避撞系统只考虑了避撞的安全性，没有考虑驾驶过程的舒适性以及稳定性，使得现有的避撞方法难以被应用到现实中车辆的纵向避撞场景中。

技术实现要素：

发明目的：为避免在车辆主动避撞过程中驾乘人员的舒适性与驾驶稳定性受到严重影响，并且最大限度地避免车辆纵向碰撞或减轻车辆纵向碰撞带来的损害，本发明提出一种车辆柔性避撞系统及其控制方法。

技术方案：为实现上述技术效果，本发明提供以下技术方案：

一种车辆柔性避撞系统，包括感应模块、主控制器与车速控制模块；感应模块用于对本车车速、与本车行驶在同一车道上的前车车速以及本车与前车之间的距离信息进行采集，并将采集信息发送给主控制器；主控制器用于根据感应模块提供的采集信息对车辆的状态进行判断，并根据预先加载的柔性避撞算法程序生成车辆速度与加速度的控制信号，并将控制信号发送给车速控制模块；车速控制模块包括制动系统与动力总成，制动系统根据接受到的控制信号控制动力总成实现车速的增大或者减小。

进一步的，所述感应模块包括：激光雷达传感器、毫米波雷达传感器、车速传感器；本车车速、与本车行驶在同一车道上的前车车速以及本车与前车之间的距离信息的准确采集。激光雷达传感器采集前车车速以及本车与前车的车距，毫米波雷达传感器采集本车与前车的车距，车速传感器采集本车车速。

进一步的，所述车速控制模块中的制动系统为线控液压制动系统，线控液压制动系统具有用于与主控制器通信的接口，通过该接口接收主控制器计算出的控制信号，线控液压制动系统中的ecu根据控制信号自动调节制动器电磁阀通电电流的大小与通电时间，以控制制动液压缸中的液压压力，实现车速调整与制动减速度调整。

本发明还提出一种通过所述的车辆柔性避撞系统实现的车辆柔性避撞控制方法，包括步骤：

(1)在车辆行驶过程中，通过感应模块采集本车车速、与本车行驶在同一车道上的前车车速以及本车与前车之间的距离；

(2)主控制器根据采集数据执行柔性避撞算法，包括步骤：

(2-1)构建阻抗模型：

f＝k(x-xh)+bv

其中，f为弹簧阻尼模型虚拟力，k为弹簧的弹性系数，x为本车与前车之间的车距，xh为预设的期望车距，b为阻尼系数，v为本车与前车的车速差；

(2-2)绘制速度差-车距图；计算f＝0，得到速度差-车距图中主动施力区域与不施力区域的分界线方程为：

其中，th为预设的车头时距，xh＝th×v2，v2为前车车速；速度差-车距图中，分界线左侧为主动施力区域，右侧为不施力区域；

(2-3)以在线性力与非线性力边界车辆以恒定减速度a1减速到最小安全车距xs为目标问题，确定主动施力区域内线性力区域与非线性力区域的边界方程为：

其中，xs＝ts×v2，ts为最小车头时距；在速度差-车距图的主动施力区域中，分界线左侧区域为非线性力区，主动施力区域中的其余区域均为线性力区域；

(2-4)在车辆行驶过程中，根据采集的数据确定本车在速度差-车距图中所处的区域，并计算在车辆处于不同区域时的控制信号：

在不施力区域，不施加控制；

在线性力区域，控制信号为：其中，p1为阻抗模型的主极点；

在非线性力区域，控制信号为：其中，fn为当前时刻施加给本车的制动力，m为本车质量，v1_in本车进入非线性区域时与前车的速度差，x1_in为本车进入非线性区域时与前车的车距，x′h为xh的所缩放值，an-1为上一时刻的车辆减速度。

进一步的，所述阻抗模型的主极点的计算方法为：

将所述阻抗模型表示为二阶复域方程：

ms²+bs+k＝0

式中，ζ表示阻尼比，ωn表示自然频率，

设二阶复域方程的两个负实数极点为p1、p2，且设p1为主极点，计算：

(s+p1)(s+p2)＝0

得到：

进一步的，所述ξ的取值范围为ξ≥1。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

本发明在最大限度避免车辆纵向碰撞或减轻车辆纵向碰撞带来的损害的前提下，考虑了本车与前车的具体运行状态，使车辆在制动过程中以尽量小的减速度进行制动，在保证安全的同时保证了驾乘人员的舒适性与驾驶稳定性。

附图说明

图1为车辆纵向避撞控制系统结构图；

图2为所述车辆柔性避撞系统的控制方法流程图；

图3为速度差-车距图中主动施力区域与不主动施力区域的划分图；

图4为速度差-车距图中主动施力区域中的划分；

图5为线性力区产生车速控制信号的阻抗模型图；

图6为线性力区产生的控制信号在速度差-车距图中的响应；

图7为一种车辆柔性避撞系统控制方法的虚拟控制场景图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

图1为车辆纵向避撞控制系统的结构图，所述车辆柔性避撞系统包括感应模块、主控制器与车速控制模块；感应模块用于对本车车速、与本车行驶在同一车道上的前车车速以及本车与前车之间的距离信息进行采集，并将采集信息发送给主控制器；主控制器用于根据感应模块提供的采集信息对车辆的状态进行判断，并根据预先加载的柔性避撞算法程序生成车辆速度与加速度的控制信号，并将控制信号发送给车速控制模块；车速控制模块包括制动系统与动力总成，制动系统根据接受到的控制信号控制动力总成实现车速的增大或者减小。

采集本车车速、前车车速以及本车与前车之间的距离时，激光雷达传感器采集前车车速以及本车与前车的车距，毫米波雷达传感器采集本车与前车的车距，车速传感器采集本车车速。同时运用激光雷达传感器与毫米波雷达传感器的目的是满足不同行驶条件下各信息采集的准确性，比如在雨雪雾天气下，毫米波雷达传感器的性能可以弥补激光雷达传感器的不足；激光雷达传感器又具有探测范围更广，探测精度更高的优势。

所述车速控制模块中的制动系统为线控液压制动系统，线控液压制动系统具有用于与主控制器通信的接口，通过该接口接收主控制器计算出的控制信号，线控液压制动系统中的ecu根据控制信号自动调节制动器电磁阀通电电流的大小与通电时间，以控制制动液压缸中的液压压力，实现车速调整与制动减速度调整。

线控液压制动系统为车速控制模块中制动系统的一种理想选择，因为其具有反应时间较短的优点，同时有利于电动汽车的制动能量回收，但其可以被传统的机械式制动系统所替代。

所述车辆纵向避撞控制系统的控制流程如图2所示，主要包括四个部分：

(一)在车辆行驶过程中，采集本车车速、与本车行驶在同一车道上的前车车速以及本车与前车之间的距离；

(二)构建速度差-车距图，根据采集数据将速度差-车距图划分为主动施力区域与不施力区域，主动施力区域又划分为线性力控制区域非线性力控制区；

(三)将本车与前车之间的速度差与车距在速度差-车距图上表示，并确定车辆处于哪一区域；

(四)对车辆在相应控制区域施加相应控制区域产生的制动力，在线性力区产生由阻抗模型生成的车速控制信号控制车速，在非线性力区产生恒定减速度的信号控制车速，使车辆制动从而避免碰撞或者减轻碰撞。

下面对各步骤分别进行说明。

在步骤(二)中，确定速度差-车距图中本车主动施力区域与不施力区域的具体步骤为：

构建如图5所示的阻抗模型，定义本车车速为v1，前车车速为v2，设弹簧的弹性系数为k，阻尼的阻尼系数为b，同时人为设置期望车头时距th，则有：

v＝v1-v2

xh＝th×v2

式中，v为本车与前车的速度差，xh为预设的期望车距；

则可得弹簧阻尼模型虚拟力的表达式为：

f＝k(x-xh)+bv

令上式f＝0，则在速度差-车距图中有如下边界：

上式为本车主动施力区域与不施力区域的边界，主动施力区域与不施力区域的划分图如图3所示。在主动施力区域内，控制模型使车速控制模块对车辆施加制动力，让车辆产生减速效果；在不施力区域内，控制模型不会产生对本车施加的制动力信号。

在步骤(二)中，确定主动施力区域内线性力区域与非线性力区域的划分图如图4所示，具体步骤为：

在本车的主动施力区域内，线性力与非线性力的划分依据是根据制动力对车辆的运行状况在速度差-车距图中产生的效果。当车辆被施加的力为线性力时，车辆将以一个变化的减速度减速，车辆的运动情况在速度差-车距图中是一条直线；当车辆被施加的力为非线性力时，认为车辆将以一个恒定的减速度运动，车辆的运动情况在速度差-车距图像中为一条抛物线。规定在线性力与非线性力边界，车辆将以恒定减速度a1减速到最小安全车距xs，xs由最小车头时距ts决定：

xs＝ts×v2

则可得到线性力与非线性力的区域边界为：

这样设置线性力与非线性力边界的目的是：让车辆在减速的过程中能使车辆的运动情况在速度差-车距图中进入线性力控制区域，从而使车辆在减速的过程中能够实现一个减速度逐渐减小的过程，从而提高驾乘舒适性；a1的设置应尽量小，目的是让车辆能在线性区域以一个逐渐减小的加速度达到期望的车距。

步骤(三)中，对车辆在相应控制区域施加相应制动力的具体步骤为：

(1)车辆的运动状态处于线性力区时阻抗模型对车辆的控制：

当车辆处于线性力区域时，车辆的运动状态的控制过程应满足：1.车速控制无超调且无摆动，从而满足车辆驾乘舒适性的要求；2.在避撞的制动过程中，在满足安全性的前提下，要使减速度尽可能的小，让车辆能够以最小限度的刹车水平来达到期望的车距。这两个要求可通过在阻抗模型中选择合适的弹簧弹性系数k与阻尼系数b来满足。

阻抗模型可用二阶复域方程表示为：

ms²+bs+k＝0

式中，m表示本车的质量。由分析可得，系统应为二阶过阻尼系统，故应选择合适的系统闭环增益来满足要求；

又有：

式中，ζ表示阻尼比，ωn表示自然频率；

系统虽为二阶系统，但应选择合适的k与b使系统大致接近一阶系统而使系统无超调且无抖动。又由过阻尼系统存在两个负实数极点p1、p2，且设p1为主极点，故有：

(s+p1)(s+p2)＝0

由此，可确定主极点的位置，通过选择ξ≥1来确定第二极点p2的位置；

故可得在线性力区产生的控制信号在车速差-车距图的响应如图6所示。

(2)车辆的运动状态处于非线性力区时，阻抗模型对车辆的控制：

在非线性区，车辆将以一个恒定的减速度值进行制动，最理想的情况是车辆将以一个持续的减速度进行减速，直到达到期望的车距，且没有超调。在非线性区，有：

v1(t)＝v1_in+at

式中，x1_in为本车进入非线性区域时与前车的车距，v1_in为本车进入非线性区域时与前车的速度差；则有，

可得

如公式所示，当x1_in接近于xh时，a趋近于无穷大，为避免此种情况的发生，将xh缩放：

式中，an-1表示上一次计算的车辆减速度水平；

又由车辆的减速度大小不能超过车速控制器的最大减速水平，则可得在非线性力区车辆减速度的大小为：

因此，制动力的大小为：

其中，fn为当前时刻施加给本车的制动力。

本发明的实施过程如图7所示，假设本车以很快的车速接近前车，则车辆进入主动施力区的非线性力区，车辆将以一个较大的恒定减速度进行减速；之后持续采集本车与前车的运动信息，直到本车减速直至进入线性力区域，在线性力区域，车辆将以一条在速度差-车距图中近似为直线的轨迹进行减速运动，且加速度将不断减小，直至达到目标车距附近。

在说明书中所述的线控液压制动系统，主要由ecu、电磁阀、制动主缸、制动轮缸等关键部分组成，目前已广泛应用于智能车的制动系统。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。