一种紧急变道工况下车辆线控制动辅助安全系统及其控制方法与流程

本发明涉及一种紧急变道工况下车辆线控制动辅助安全系统及其控制方法，属于车辆主动安全控制领域。

背景技术：

随着汽车的普及，车辆的主动安全性日益受到人们的重视。主动安全技术通过提前判断危险，在驾驶员反应之前对车辆进行干预来避免车辆事故的发生，保障生命安全。目前车辆的主动安全主要针对车辆本身的稳定性进行控制，现有比较成熟的技术包含制动防抱死系统，驱动防滑系统，电子稳定控制系统。这些系统均是通过对车辆自身状态参数的分析来控制车辆；此外，目前针对车辆的转向系统提出的主动转向控制技术，主动制动控制技术，也是仅针对车辆的自身稳定性进行控制。

据调查车辆在变道过程中，尤其是车速较快的情况下紧急变道的过程中发生交通事故的概率显著高于一般工况，其原因在于紧急变道工况一般是驾驶员在被动条件下被迫对车辆进行变道操作，在这种情况下，驾驶员很难即时准确的分析变道的安全性，同时对于绝大部分驾驶员来说也很难对车辆进行准确的操作，这两者因素导致了车辆在此过程中可能发生于周围车辆的碰撞，或者因为车辆失去稳定而发生侧滑，失去操纵能力。

近年来，结合车辆本身与驾驶员的高级辅助驾驶系统成为了技术研究的热点，该项技术考虑驾驶员特性与车辆本身的特性提出控制方案以提高车辆的行驶安全。目前，综合驾驶员操纵行为，周围车辆运动状态和车辆稳定性三方因素的线控辅助安全系统尚未见报道。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明目的在于提供一种紧急变道工况下车辆线控制动辅助安全系统及其控制方法，在驾驶员进行紧急变道的工况下准确即时的判断变道工况的危险度，提前于驾驶员做出干预的同时保证车辆操纵稳定，综合驾驶员操纵行为，周围车辆运动状态和车辆稳定性三方因素，为驾驶员变道安全提供辅助。

为实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

一种车辆线控制动辅助安全系统，包括：环境感知模块、驾驶员输入模块、车辆ecu模块、状态感知模块和执行模块；

其中，环境感知模块包括安装于车身四周(车身前侧、后侧、左侧、右侧)的四个毫米波雷达1、安装于车身顶部的激光雷达2、安装于车身顶部的摄像头3，他们(环境感知模块)分别将所获数据通过can总线传输给碰撞危险度分析模块11；

驾驶员输入模块包括方向盘6、连接方向盘的转向管柱5、安装于转向管柱上的方向盘转角与转速传感器4、制动踏板8以及连接制动踏板的踏板制动行程传感器7，方向盘转角与转速传感器和制动踏板行程传感器分别将所获数据通过can总线传输给碰撞危险度分析模块11；以上术语均为本领域常规术语，如术语“转向管柱”参见gb/t5179-85汽车转向系术语和定义编号2.1.3；术语“制动踏板”参见文献：陈家瑞.汽车构造下册[m].2001.；

状态感知模块包括将所获数据传输给线控制动力分配控制模块12的gps惯性导航仪10和与其配套的gps天线9，gps惯性导航仪10安装于车体内部，gps天线9安装于车身顶部；

车辆ecu模块包括相互连接的碰撞危险度分析模块11和线控制动力分配控制模块12；

执行模块包括制动分阀13、为分阀提供液压的蓄能器14、为蓄能器提供压力的液压泵15、以及四个车轮18；制动分阀13、蓄能器14、液压泵15依次相连；每个车轮18上均安装有制动器16和制动盘17；四个制动器16和四个制动盘17均分别与制动分阀13的输出端相连；制动分阀13接受线控制动力分配控制模块12所发出控制信号进行工作。

本申请中，上述执行模块为本领域常规的线控执行模块或线控液压制动系统，如文献“张成利.汽车线控制动系统及其控制算法与仿真研究[d].东北大学,2008.”中所公开的线控液压制动系统。

本发明适用于一般中小型乘用车。

其次，本发明同时还提供了基于上述车辆线控制动辅助安全系统控制方法，其包含具体步骤如下：

步骤1：

环境感知模块的激光雷达、毫米波雷达和摄像头这三种不同的传感器将车辆周围的物体位置信息与运动状态信息传输给碰撞危险度分析模块；碰撞危险度分析模块首先通过传感器融合算法将不同传感器的信息进行处理，区分出车辆周围的不同运动物体与车辆本身的相对位置关系和相对运动关系；

上述术语“融合算法”为本领域常规算法，如参见文献“王俊娜,雷静.多传感器信息融合及其应用综述[j].信息记录材料,2016,17(5):78-79.”；

步骤2：

驾驶员输入模块的制动踏板行程传感器，方向盘转角与转速传感器通过采集方向盘转角信息与制动踏板位移信息并传输给碰撞危险度分析模块；

步骤3：

碰撞危险度分析模块根据步骤2所得的驾驶员输入得到驾驶员变道意图，由此计算出未来时刻车辆的运动轨迹，同时，结合步骤1所得到的车辆周围的不同运动物体与车辆本身的相对位置关系和相对运动关系计算得到驾驶员的变道操作是否有发生碰撞的危险；

如果判断没有危险，那么将驾驶员操作直接传输给线控制动力分配控制模块，并告知该模块不进行额外的制动操作；

如果判断有碰撞的危险，那么通过综合考虑车辆本身与周围物体的碰撞距离时间计算出合适的制动力，并将计算结果发送给线控制动力分配控制模块；

具体而言：

步骤3.1：

首先以车辆几何中心为原点，车辆前进方向为x轴，垂直于x轴过原点指向车辆前进方向左侧的方向为y轴；将当前时刻环境感知模块获取的周围车辆与车辆本身的相对位置信息与相对运动信息在该坐标系中描述为[xi(t),yi(t),vxi(t),vyi(t)],其中xi(t)和yi(t)分别为物体在车辆坐标系中所处的横纵坐标值，vxi(t)和vyi(t)分别为物体在车辆坐标系中沿x轴方向与y轴方向的运动速度，下标i表示不同的物体编号；

步骤3.2：

由方向盘转角传感器获得当前时刻的驾驶员方向盘转角θsw(t)以及方向盘转速传感器获得驾驶员方向盘转速由gps和惯性导航仪得到车辆当前纵向车速vx(t)，横向车速vy(t)以及相对于车道线的航向角θlh(t)，在平直道路上，车速较高时出现方向盘转速或转角过大的其情况，则判断驾驶员在进行紧急变道操作；

步骤3.3：

根据环境感知模块所测得的车辆间相对速度vxi(t)通过滤波估计得到车辆间相对加速度值axi(t)，

计算这些车辆与本车的碰撞预计时间tci：

式中i∈{of,cf,cr}其中of表示为原车道前方车辆，cf为变道侧前方车辆，cr为变道侧后方车辆；

步骤3.4：

将驾驶员方向盘转角带入车辆动力学方程：

式中γ(t)为横摆角速度，β(t)为质心侧偏角，a为车辆质心到前轴距离，b为车辆质心到后轴距离，kf和kr分别为前后轮侧片刚度，n为转向系传动比，m为整车质量，iz为整车绕过质心垂直与地面的z轴的转动惯量。

由式(2)得出车辆当前时刻的状态增量，由此计算出下一时刻的状态量:

同时利用所测得的方向盘转速计算出下一时刻的预测方向盘转角以及所预测的t+1时刻的状态值代入上述动力学方程，由此可以预测两个时刻后的车辆状态值和将所预测的两组状态值代入车辆运动学方程：

式(4)中δt为时间间隔；

分别得到车辆相对于车道线的预测横向速度和预测纵向速度和由环境感知模块获得车辆当前相对车道线的位置xl(t)和yl(t)，并由预测的速度计算得到预测的位置和以及和和

步骤3.5：

设定变道距离为yl，变道过程轨迹近似为以下函数：

式中坐标系以车道线所在直线为x轴。

将车辆当前相对车道线位置以及预测位置带入上式得到变道轨迹总的纵向距离，根据车辆当前车速计算得到车辆离开原车道所需要的时间估计值t1和车辆离开原车道并入变道侧车道所需要的总时间t2，当t1＞tcof-ts1时，系统判断需要进行制动干预，最小的制动强度zmin1需满足以下条件：

式中ts1表示安全时间阈值；

步骤3.6：

在考虑车辆与原车道车辆碰撞危险的同时还需要考虑与变道侧车辆的碰撞危险度，根据步骤3.4得出车辆相对于车道线的横向速度vly，由此估计车辆离开原车道并入变道侧车道所需要的总时间t2，此时需要对变道侧其他车辆状态进行分类如表1所示：

表1车辆状态分类

表1中ts2和ts3是安全时间阈值。

步骤3.7:

对于不同的情况采取不同的控制方法

a)对于禁止变道情况则对车辆采取禁止制动控制以最大程度减小碰撞带来的损害；

b)对于变道侧前方车辆无危险后方有车辆的情况根据步骤3.5中制动强度重新计算与后车的碰撞预计时间：

当tccr＞t2+ts3时判断无危险，按照步骤3.5中制动强度进行变道，当tccr＜t2+ts3时按照禁止变道处理；

c)对于变道侧前方车辆车速较慢的情况需要首先计算避撞所需的制动强度zmin2，其满足以下条件：

然后得出所需制动强度为z＝max(zmin1,zmin2)；将该制动强度带入公式：

当tccr＞t2+ts3时判断无危险，按照式(9)计算所得制动强度进行变道，当tccr＜t2+ts3时按照禁止变道处理；

步骤3.8碰撞危险度分析模块将所得的控制结果传递给线控制动力分配控制模块；

步骤4：

状态感知模块的gps惯性导航仪获取车辆本身的运动状态信息，并传输给线控制动力分配控制模块；

步骤5：

线控制动力分配控制模块通过接受步骤3中所述的制动力目标，以及由步骤4所得到的车辆运动状态，结合车辆横向稳定性安全要求计算得到各车轮制动力控制分配策略，并将所得到的各车轮制动力控制目标传输给线控制动力分配执行模块；

所述结合车辆横向稳定性安全要求计算得到各车轮制动力控制分配策略具体步骤如下：

1)根据驾驶员方向盘转角得到理想的横摆角速度值：

式中l为前后轴距；

2)计算得到横摆角速度偏差e＝γd-γ，运用滑模控制算法计算得到主动横摆力矩控制量：

式中ε和k为滑模控制参数。

3)根据步骤3所获得的制动强度控制值以及踏板行程传感器得到的数值进行比较，则制动强度取两者中的较大值。同时，结合主动横摆力矩控制值，优化分配得到各车轮的制动力，优化分配的目标为：

式中i＝[fl,fr,rl,rr]式表示前左、前右、后左、后右四个车轮，fxi表示车轮纵向力，fyi表示车轮侧向力，μ表示路面附着系数，fzi表示车轮垂直载荷。其中fxi为优化变量满足以下限制

式中c表示车轮轮距；式中fyi由轮胎魔术公式求得：

fyi＝dsin{carctan[bαi-e(bαi-arctanbαi)]}(14)

式中b、c、d和e为轮胎模型参数，αi为车轮侧偏角，其中前轮侧偏角后轮侧偏角

4)将所得的各轮制动力分配结果输出转换为阀体控制信号传输给执行模块。

步骤6：

执行模块根据所得到的制动力控制目标调动线控制动系统各元器件工作，为各车轮提供准确的制动力，为车辆在变道过程中的所遇到的危险情况提供安全辅助功能。

与现有技术相比，本发明提供的线控制动技术解除了驾驶员踏板和主动制动机构的耦合关系，综合了驾驶员输入、环境感知输入和车辆状态值三个重要部分，同时获取驾驶员输入和主动制动控制器的输入将制动信号传递给下层制动执行机构，对驾驶员紧急变道过程中不同的工况进行了分类并给出了控制方案，基于线控制动的方式提前对车辆进行制动干预，解决了驾驶员输入和主动制动输入之间的干扰，将损害消除或降到最小，大大提高了车辆的安全性。

附图说明

图1本申请系统各模块连接示意图；

图2是变道危险度判断与控制方法流程示意图；

图3是车辆稳定性控制流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚的说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例中使用的车辆为奇瑞艾瑞泽5。

实施例1

如图1所示，一种紧急变道工况下车辆线控制动辅助安全系统，包括；环境感知模块、驾驶员输入模块、车辆ecu模块、状态感知模块、执行模块；图1中，a、b、c、d、e依次为环境感知模块、驾驶员输入模块、车辆ecu模块、状态感知模块、执行模块；

其中，状态感知模块包括gps惯性导航仪10及与其配套的gps天线9(英国oxts公司，rt2000-gps/ins惯导组合系统)；gps惯性导航仪10固定在车体中，与之连接的gps天线9安装于车身顶部以准确获取车辆的位置信息与状态参数，并将获取的数据通过can总线传输给车辆ecu模块；

环境感知模块包括激光雷达2，四个毫米波雷达1，摄像头3；激光雷达2和摄像头3均固定安装在车身顶部，保证其有开阔的视野以获取周围环境的信息；四个毫米波雷达1分别安装于车身前部、两侧以及车身后部以获取车辆对应方向上的周围环境信息；环境感知模块将所获数据通过can总线传输给车辆ecu模块(购自bisch，型号：edc17cp14/5/p680)；

驾驶员输入模块包括制动踏板行程传感器7，方向盘转角与转速传感器5；制动踏板行程传感器7安装于车辆制动踏板位置以测量制动踏板行程；方向盘转角与转速传感器5安装于车辆方向盘转向管柱上；驾驶员输入模块将所获数据通过can总线传输给车辆ecu模块；

车辆ecu模块包括碰撞危险度分析模块11和线控制动力分配控制模块12；

执行模块包括接受线控制动力分配控制模块(12)所发出控制信号进行工作的制动分阀(13)、为分阀提供液压的蓄能器(14)、为蓄能器提供压力的液压泵(15)、与分阀输出端相连安装于车轮(18)上的的制动器(16)和制动盘(17)

所述状态感知模块通过gps惯性导航仪10将所获数据传输给线控制动力分配控制模块12；所述环境感知模块通过激光雷达2、四个毫米波雷达1、摄像头3将所获数据传输给碰撞危险度分析模块11；所述驾驶员输入模块通过制动踏板行程传感器7，方向盘转角传感器5将所获数据传输给碰撞危险度分析模块11；所述碰撞危险度分析模块11将所获数据处理后将计算结果传输给线控制动力分配控制模块12；线控制动力分配控制模块12统合上述所获数据进行处理，输出控制信号制动分阀13。分阀将获取蓄能器14的压力根据所获得的控制信号分配到安装于各车轮的制动器16上，制动器将制动力作用在制动盘17上，使得车轮制动。

本实施例同时提供了上述车辆线控制动辅助安全系统控制方法，其具体步骤如下：

步骤1：

环境感知模块的激光雷达、毫米波雷达和摄像头这三种不同的传感器将车辆周围的物体位置信息与运动状态信息传输给碰撞危险度分析模块；碰撞危险度分析模块首先通过传感器融合算法将不同传感器的信息进行处理，区分出车辆周围的不同运动物体与车辆本身的相对位置关系和相对运动关系；

步骤2：

驾驶员输入模块的制动踏板行程传感器，方向盘转角与转速传感器通过采集方向盘转角信息与制动踏板位移信息并传输给碰撞危险度分析模块；

步骤3：

碰撞危险度分析模块根据步骤2所得的驾驶员输入得到驾驶员变道意图，由此计算出未来时刻车辆的运动轨迹，同时，结合步骤1所得到的车辆周围的不同运动物体与车辆本身的相对位置关系和相对运动关系计算得到驾驶员的变道操作是否有发生碰撞的危险；

如果判断没有危险，那么将驾驶员操作直接传输给线控制动力分配控制模块，并告知该模块不进行额外的制动操作；

如果判断有碰撞的危险，那么通过综合考虑车辆本身与周围物体的碰撞距离时间计算出合适的制动力，并将计算结果发送给线控制动力分配控制模块；本步骤变道危险度判别与控制的流程图如图2所示，具体而言：

步骤3.1：

首先以车辆几何中心为原点，车辆前进方向为x轴，垂直于x轴过原点指向车辆前进方向左侧的方向为y轴；将当前时刻环境感知模块获取的周围车辆与车辆本身的相对位置信息与相对运动信息在该坐标系中描述为[xi(t),yi(t),vxi(t),vyi(t)],其中xi(t)和yi(t)分别为物体在车辆坐标系中所处的横纵坐标值，vxi(t)和vyi(t)分别为物体在车辆坐标系中沿x轴方向与y轴方向的运动速度，下标i表示不同的物体编号；

步骤3.2：

由方向盘转角传感器获得当前时刻的驾驶员方向盘转角θsw(t)以及方向盘转速传感器获得驾驶员方向盘转速由gps和惯性导航仪得到车辆当前纵向车速vx(t)，横向车速vy(t)以及相对于车道线的航向角θlh(t)，在平直道路上，车速较高时出现方向盘转速或转角过大的其情况，则判断驾驶员在进行紧急变道操作；

本实施例具体控制的内容包括以下两个主要部分，一个是变道危险度判别与控制，其具体实施步骤如下：

步骤3.3：

根据环境感知模块所测得的车辆间相对速度vxi(t)通过滤波估计得到车辆间相对加速度值axi(t)，

本实施例中，1)首先根据状态感知模块以及驾驶员输入模块获取的当前车速60km/h，航向角0°，方向盘转角10°和方向盘转速45°/s，由此判断出驾驶员进行紧急变道操纵；2)其次，环境感知模块实时获取车辆周边物体的运动信息，将所测到的周围车辆分类为同车道前方车辆of，变道侧车道前方车辆cf与变道车道后方车辆cr，并获取其与本车的相对位置关系与相对运动关系[xi(t),yi(t),vxi(t),vyi(t)],其中xi(t)和yi(t)分别为物体在车辆坐标系中所处的横纵坐标值，vxi(t)和vyi(t)分别为物体在车辆坐标系中沿x轴方向与y轴方向的运动速度，i∈{of,cf,cr}。根据所测得的车辆间相对速度vxi(t)通过滤波估计得到车辆间相对加速度值axi(t)。利用以下公式计算碰撞预计时间tci：

式中i∈{of,cf,cr}其中of表示为原车道前方车辆，cf为变道侧前方车辆，cr为变道侧后方车辆；

计算得到tcof为2s,tccf为8s,tcrf为20s。

步骤3.4：

将驾驶员方向盘输入以及车辆运动状态信息代入车辆动力学公式：

式中γ(t)为横摆角速度，β(t)为质心侧偏角，a为车辆质心到前轴距离，b为车辆质心到后轴距离，kf和kr分别为前后轮侧片刚度，n为转向系传动比，m为整车质量，iz为整车绕过质心垂直与地面的z轴的转动惯量。

由上式得出车辆当前时刻的状态增量，由此计算出下一时刻的状态量:

同时利用所测得的方向盘转速计算出下一时刻的预测方向盘转角以及所预测的t+1时刻的状态值代入上述动力学方程，由此可以预测两个时刻后的车辆状态值和将所预测的两组状态值代入车辆运动学方程：

式中δt为时间间隔；

分别得到车辆相对于车道线的预测横向速度和预测纵向速度和由环境感知模块获得车辆当前相对车道线的位置xl(t)和yl(t)，并由预测的速度计算得到预测的位置和以及和和

4)设定变道距离为yl为4m，变道过程轨迹近似为以下函数：

式中坐标系以车道线所在直线为x轴。

将车辆当前相对车道线位置以及预测位置带入上式得到变道轨迹总的纵向距离，根据车辆当前车速计算得到车辆离开原车道所需要的时间估计值t1为1s车辆离开原车道并入变道侧车道所需要的总时间t2为2s。

步骤3.5：

设定变道距离为yl，变道过程轨迹近似为以下函数：

式中坐标系以车道线所在直线为x轴；

将车辆当前相对车道线位置以及预测位置带入上式得到变道轨迹总的纵向距离，根据车辆当前车速计算得到车辆离开原车道所需要的时间估计值t1和车辆离开原车道并入变道侧车道所需要的总时间t2；设定安全时间阈值ts1为2s，因为t1＞tcof-ts1所以系统判断有碰撞危险需要制动干预，最小的制动强度zmin1需满足以下条件：

计算得到合适的制动强度为0.5。

步骤3.6：

在考虑车辆与原车道车辆碰撞危险的同时还需要考虑与变道侧车辆的碰撞危险度，根据步骤3.4得出车辆相对于车道线的横向速度vly，由此估计车辆离开原车道并入变道侧车道所需要的总时间t2，此时需要对变道侧其他车辆状态进行分类如表1所示：

表1车辆状态分类

表1中ts2和ts3是安全时间阈值。

本实施例中，由于，tccf＞t2+ts3，因此与变道测车辆车辆没有碰撞危险。

步骤3.8

碰撞危险度分析模块将所得的控制结果传递给线控制动力分配控制模块；本实施例中，即将计算所得的制动强度0.5，带入碰撞预计时间公式得到tccr＞t2+ts3，因此变道侧方来车没有碰撞威胁允许变道，由完成变道危险度判别与制动干预控制值。

步骤4：

状态感知模块的gps惯性导航仪获取车辆本身的运动状态信息，并传输给线控制动力分配控制模块；

步骤5：

线控制动力分配控制模块通过接受步骤3中所述的制动力目标，以及由步骤4所得到的车辆运动状态，结合车辆横向稳定性安全要求计算得到各车轮制动力控制分配策略，并将所得到的各车轮制动力控制目标传输给线控制动力分配执行模块；稳定性控制流程如图3所示，由以下步骤组成

1)根据驾驶员方向盘转角得到理想的横摆角速度值：

式中l为前后轴距；

2)计算得到横摆角速度偏差e＝γd-γ，运用滑模控制算法计算得到主动横摆力矩控制量：

式中ε和k为滑模控制参数。

3)根据步骤3所获得的制动强度控制值以及踏板行程传感器得到的数值进行比较，则制动强度取两者中的较大值。同时，结合主动横摆力矩控制值，优化分配得到各车轮的制动力，优化分配的目标为：

式中i＝[fl,fr,rl,rr]式表示前左、前右、后左、后右四个车轮，fxi表示车轮纵向力，fyi表示车轮侧向力，μ表示路面附着系数，fzi表示车轮垂直载荷。其中fxi为优化变量满足以下限制

式中c表示车轮轮距；式中fyi由轮胎魔术公式求得：

fyi＝dsin{carctan[bαi-e(bαi-arctanbαi)]}(14)

式中b、c、d和e为轮胎模型参数，αi为车轮侧偏角，其中前轮侧偏角后轮侧偏角

本实施例中，计算得到左前轮制动力占总制动力的25％，左后轮40％，右前轮10％，右后轮25％。

4)将所得的各轮制动力分配结果转换为阀体控制信号输出给执行模块。至此完成一个控制周期的工作开始下一个控制周期。

步骤6：

执行模块根据所得到的制动力控制目标调动线控制动系统各元器件工作，为各车轮提供准确的制动力，为车辆在变道过程中的所遇到的危险情况提供安全辅助功能。

执行模块包括接受线控制动力分配控制模块(12)所发出控制信号进行工作的制动分阀(13)、为分阀提供液压的蓄能器(14)、为蓄能器提供压力的液压泵(15)、与分阀输出端相连安装于车轮(18)上的的制动器(16)和制动盘(17)分阀将获取蓄能器14的压力根据所获得的控制信号分配到安装于各车轮的制动器16上，制动器将制动力作用在制动盘17上使得车轮制动。