制动与转向多模式下的智能车避撞系统_李根.pdf
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1、 ()年 第 卷 第 期 收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目();山西省科技厅重大专项中重卡燃料电池项目()作者简介:李根,男,硕士,主要从事智能车高级辅助驾驶系统研究,-:;通信作者 王晓佳,女,博士,讲师,主要从事新能源汽车研究,-:。本文引用格式:李根,王晓佳,张东光,等 制动与转向多模式下的智能车避撞系统 重庆理工大学学报(自然科学),():,-(),():()制动与转向多模式下的智能车避撞系统李根,王晓佳,张东光,孙玉盾,蒋蕴泓,任鑫帅(太原理工大学 机械与运载工程学院,太原 )摘要:针对智能车安全距离模型和避撞策略过于单一等问题,提出了一种复杂工况下的车辆制动与转向协调避撞策
2、略。根据前车的行驶情况,划分为 种驾驶模式,考虑避撞系统时滞、路面附着系数和车速的影响,建立了纵向安全距离模型;同时在转向避撞策略中,根据目标车道前后方车辆的驾驶状态,考虑前车宽度以及转向后安全间距的因素,建立了转向避撞的安全距离模型;对于较高车速、较短车距的工况,设计了先制动后转向的安全距离模型。通过不同临界安全距离,设计了一种制动与转向多模式下的车辆避撞决策逻辑。结果表明,车辆在 种不同的复杂工况下,都能选择合适的避撞策略,充分提高了车辆的避撞能力。关键词:智能车;临界安全距离;避撞策略;仿真实验中图分类号:文献标识码:文章编号:()引言主动避撞控制系统()是汽车安全领域的关键技术之一。在
3、多变的交通工况下,由于安全制动避撞策略太过单一,导致无法发挥车辆的避撞能力。目前的研究还没有确定一种避撞策略来避免车辆碰撞,例如在不同道路场景造成的安全距离不准确而使车辆发生碰撞等。尤其在高速低附着工况下,单一的安全距离模型常因制动距离过小,错过车辆的最佳制动时机而发生碰撞。为了弥补这类问题的不足,国内外学者对这一领域展开了相关研究。等 建立了一种新的单车道跟驰条件下的安全距离模型,考虑了车辆之间的相对速度和减速度的变化过程。等 为了提高物流车辆安全避碰的准确性和实用性,提出了一种考虑道路坡度和路面附着系数的纵向避撞安全距离模型。等 分析了驾驶员反应时间对安全距离的影响,设计了公路最小纵向安全
4、距离模型。赵林峰等 考虑了因自身车辆的速度不同导致与前车的相对速度范围变大的问题,提出了一种引入间距系数的安全距离模型。以上这些文献仅仅考虑了纵向上的制动避撞策略,但没有考虑前车不同行驶状态下的避撞安全距离,同时缺少路面附着系数对自车加速度的影响,也没有研究较高车速和低附着复杂工况下的避撞问题。车辆的制动距离与很多因素有关,例如在车速过高、车距过小致使车辆需要的制动距离变大,采取制动避撞策略并不能很好地发挥其避撞能力。随后许多学者开始了对转向避撞的研究 ,其中大部分在控制策略上采取了新的办法来达到转向避撞,但忽略了在转向过程中目标车道车辆的行驶状态对自车换道的影响。以上这些方法都将纵向和横向避
5、撞策略单独分析以实现避撞,并没有将两者结合起来发挥车辆的避撞能力。由于在考虑协同避撞时,避撞决策是非常重要的环节。裴晓飞等 考虑了前方障碍物的影响,采用五次多项式规划路径,针对目标车道的交通因素,将转向避撞模式细分为 种避撞模式,但并没有考虑前车宽度对自车转向时横向位移的影响。袁伟等 提出安全系数和时间倒数为依据来划分纵向安全行驶区域,再根据临界安全距离划分 种避撞策略,简化了转向时的安全距离模型。在纵向避撞策略中,考虑前车的行驶状态,通过前车的速度和加速度确定车辆临界制动距离,将制动距离分为了 种驾驶模式,以目标车辆的实际距离和相对速度作为输入,采取模糊控制方法来控制自车的制动情况,自车根据
6、前车驾驶行为能够更加灵活采取制动措施。在与前车距离变小达不到制动时,对于目标车道的前车与后车的行驶状态,设计了车辆换道约束条件,提高了换道避撞的安全性。同时考虑前方障碍物宽度对换道轨迹的影响,建立了基于不同障碍物宽度的转向安全临界距离模型,自车根据前方不同宽度的障碍物实现转向,再采取前馈最优 (线性二次型调节器)对车辆前轮转角控制,最后车辆根据设计的跟踪速度函数调节自车跟踪速度,实现转向避撞。对于自车高速行驶时,由于制动距离无法安全转向,设计了制动再转向协同避撞策略,提出了制动系数概念,设计了协同避撞安全距离模型,提高了自车在高速及短间距工况下的避撞能力。改进的安全距离模型 纵向安全距离模型设
7、自车与前车在同一车道行驶,在自车刹车时的纵向制动如图 所示。图中:、分别为自车与前车的行驶速度;为在未开始制动时与前车的距离;为自车完成制动自车行驶的距离;为前车完成制动自车行驶的距离;为最小安全间距,与驾驶员驾驶行为、路面附着系数有关,依据经验选取 。图 纵向制动示意图此时纵向安全距离公式为:()在制动过程中,驾驶员的反应时间和制动器的响应时间对车辆制动的安全距离影响很大 ,例如自车驾驶速度 ,驾驶员反应时间为.反应时,会有 的一个制动距离误差。为了使安全距离模型更加符合实际驾驶情况,将车辆的制动过程细分为个阶段 。当后车看到前车刹车灯时,此时前车驾驶员已作出反应,故不需要再考虑前方驾驶员的
8、反应时间。根据自车与自车道前车的不同运动状态,进一步分析了前车不同状态下的制动安全距离。)当自车道的前车静止时,安全距离为:()()当自车道的前车匀速时,安全距离为:()(),()当自车道的前车减速时,安全距离为:(),()()(),|且()式中:、分别为自车与前车的减速度;为自车李根,等:制动与转向多模式下的智能车避撞系统驾驶员的反应时间,一般这段时间为 。依据经验值选取 ,、分别为制动器开始起作用所需要的时间和制动器制动力持续作用的时间,不同的车辆制动器的响应时间不同,、一般在 之间,参照文献 ,取 。目前存在的安全距离模型缺乏对路面附着系数的有效辨识,使车辆在高速低附着路面情况下避撞效果
9、差,同时也没有考虑前车速度的变化 。图 表示车辆在 种不同的工况行驶时,路面附着系数对制动距离的影响。图 不同路面附着系数的制动距离如图 所示,在冰雪路况与一般城市路况的制动安全距离相差比较大,所以在设计安全距离模型时,考虑了在不同路面下车辆的最大加速度为:()根据不同的前车行驶状态的 种制动安全距离模型,再计算不同自车的行驶速度和不同路面附着系数所对应的制动安全距离。此时制动的临界距离为:,()转向安全距离模型车辆转向时的横向位移 ()与自车和前车的车宽、在转向前两车在中轴线上原有的横向位移,以及避免发生角碰的极限偏差距离有关,此时自车与前车的实际间距为。图 为转向避撞时的示意图。为了计算自
10、车在转向避撞距离的极限值,避免在换道时与目标车道前车和后车发生侧碰、角碰等情况,如图 所示,车辆纵向行驶和转向时发生碰撞时在纵向和横向的偏差距离。图 转向避撞示意图图 车辆转向时的偏差距离在纵向及横向上的位移误差偏移量为:()()()()式中:为自车的宽度;为自车的长度;和 分别为自车质心到车角的斜线与短边和长边的夹角;转向时的前轮转角;、分别为自车转向在纵向和横向上的位移误差偏移量。为保证临界转向碰撞时的安全,需要保证车辆转向后的横向位移为:()()式中:()为车辆转向时的横向位移;为前车的宽度,一般车辆的宽度范围在 ;为转向后的安全阈值,避免与前车后视镜碰撞正常的行驶安全距离,此时转向时的
11、横向位移范围在 。图 为不同横向位移车辆转向的轨迹簇。考虑车辆转向时的最大侧向加速度,选取 。此时不同路面附着系数和转向横向位移工况下最小安全距离如图 所示。当不满足纵向制动所要求的制动距离时,此时车辆转向时的最小转向纵向安全距离:()()()式中:为转向行驶所用的时间;为车辆发生临界碰撞时航向角。图 不同横向位移的轨迹簇图 不同路面附着系数和横向位移的制动距离在车辆转向时,还需要考虑目标车道车辆的行驶状态。在实际行驶过程中,由于目标车道的前车加速以及目标车道的后车减速的行驶状态,对转向的影响不大。而在目标车道的前车减速以及目标车道的后车加速的行驶状态时,驾驶员为了安全考虑一般不会采取强制转向
12、的行为,故不考虑此类情况。而且在自车转向时因为转向时间短,设目标车道的前后车辆匀速行驶。图 为转向时与目标车道的示意图,、分别为自车在转向换道前与目标车道前车和后车的实际间距。自车在考虑目标车道前后车辆的行驶状态下的最小转向安全距离:()(),(),|()()(),(),|()式中:、为考虑目标车道前车行驶状态的最小转向安全距离;、为考虑目标车道前车行驶状态的最小转向安全距离;、分别为目标车道前车和后车的车速。图 转向时与目标车道车辆的行驶示意图 协同避撞的安全距离模型在日常中,由于与前车实际间距太短,车辆无法完全刹住,驾驶员往往会选择协同避撞。而在高速情况下车辆转向后再制动,潜在危险较大,因
13、为驾驶员在面临危险时,会下意识地乱打方向盘或者没有看清相邻车道行车情况致使车辆高速转向制动时,自车会发生重心前移,后轮抓地力减弱,车尾有向外冲的惯性,很容易完全突破轮胎抓地力,造成甩尾打滑等危险状况。而通过单一转向控制可以避开前车,但转向时自车车速较大会使车辆稳定性较差,驾驶员潜在危险变大 。故考虑在车辆高速行驶时无法刹住的情况下,选择将自身车辆全力制动后再转向协同避撞策略,这可大大减少安全隐患带来的危险。根据不同前车车速与自车车速的工况下,为此提出了一种表示车辆制动程度不同的变量参数。图 为自车在不同情况时选取不同的制动系数所需要的制动距离。李根,等:制动与转向多模式下的智能车避撞系统图 不
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