一种基于驾驶员避撞行为的车辆避撞控制方法

摘要

本发明公开了一种基于驾驶员避撞行为的车辆避撞控制方法，首先通过模拟驾驶仪采集驾驶员换道避撞时机、制动加速度，驾驶员接收到报警信号做出反应的时间，通过毫米波雷达实时检测车辆避撞控制方法所需的自车、前车及邻车道车辆的相关信息；其次构建基于驾驶员避撞特性的避免追尾碰撞控制策略；然后车辆执行制动或换道避撞控制策略；最后基于驾驶员避撞特性的避撞控制策略精确度的验证。本发明减少了预警算法复杂、决策判断规则过多对判断结果的负面影响，提高了车辆避撞控制决策判断的准确度和可靠性，降低了误报率。

说明书

技术领域

本发明属于机动车辆驾驶安全领域，特别是涉及一种基于驾驶员避撞行为的的车辆避撞控制方法。

背景技术

车辆追尾碰撞是车-车碰撞的主要形式之一。车-车碰撞可分为正面碰撞、横向冲击、追尾碰撞，其中追尾碰撞所占比例最大，2012年全国高速公路事故中追尾碰撞占32％。因此，在遇到有追尾碰撞危险时，特别是驾驶员没有意识到时，给驾驶员快速准确的避撞控制决策意义重大，对减少交通事故的发生，为了减少追尾碰撞事故的发生，提高道路交通安全水平有着十分重要的意义。

车辆避撞是一种紧急状态下的驾驶行为。在有追尾碰撞危险时驾驶员可采取制动或换道实现避免追尾碰撞。在邻车道交通条件允许的情况下，驾驶员通常采取换道措施，邻车道条件不允许换道则采取制动控制车辆避免追尾。

目前，纵向预碰撞安全系统已实车应用。目前常见的纵向预碰撞安全系统主要针对车头前方存在危险车辆的情况，系统通常采用雷达、机器视觉手段对自车与前方车辆的相对距离、相对速度进行实时监控，分析本车与前车发生追尾碰撞的可能性并划分危险区域，根据碰撞可能性由低到高采取报警、换道或制动控制。然而，现有车辆预碰撞安全系统仅考虑纵向制动避撞控制策略，没有考虑驾驶员避撞特性及交通效率使得驾驶员接受度不高。因此，目前需要一种符合驾驶员避撞特性使驾驶员易于接受的车辆车辆追尾避撞控制方法。

前向预警系统均是一种预碰撞安全系统。它能自动探测前方障碍物，测算出发生碰撞的可能性。若系统判断有潜在可能发生碰撞，则会发出警报声，若系统判断发生碰撞的可能性较大或在发出警报声后驾驶员未采取任何避撞措施则系统紧急制动。中国专利CN203063939U、CN103112451A和CN104200704A公开的一类主动安全系统均属于前向预警系统；该类系统采取的避撞方式均为单一制动避撞且未考虑驾驶员因素。中国专利CN104176054A公开了一种汽车主动防碰撞自动换道控制系统及其工作方法但未考虑制动避撞策略及驾驶员因素。避撞控制策略未考虑驾驶员因素容易造成误报、冗余报警不被驾驶员接受，单独采用制动避撞策略或换道避撞策略均不能适应真实的交通环境。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于驾驶员避撞行为的车辆避撞控制方法，融合制动控制与换道控制，解决误报、冗余报警等问题使驾驶员更易于接受的同时能够适应真实的交通环境。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于驾驶员避撞行为的车辆避撞控制方法，包括步骤：

S1，构建基于驾驶员避撞行为的车辆避撞控制系统；

S2，通过模拟驾驶仪采集驾驶员换道避撞时机、制动加速度，驾驶员接收到报警信号做出反应的时间；采用毫米波雷达实时检测自车与前车、自车与邻车道车辆的相对运动关系的信息，自车与前车相对运动关系的信息包括自车与前车的速度、自车与前车的相对距离、自车加速度；自车与邻车道车辆相对运动关系的信息包括相对纵向距离和邻车道车辆速度；

S3，基于驾驶员避撞特性的避免追尾碰撞控制策略构建；

S3.1，建立S型换道轨迹模型，确定换道安全距离；

S3.2，根据驾驶员制动加速度、由制动加速度求导得到的制动加加速度、自车与前车的速度、自车与前车的相对距离及自车加速度，建立驾驶员能接受的最大加速度变化率的制动安全距离模型；

S3.3，由自车与前车的相对距离和自车与前车的速度得到的碰撞时间、由自车与前车的相对距离和自车速度得到的车间时距、换道安全距离及制动安全距离决定主动避撞系统干预时机；

S4，车辆执行制动或换道避撞控制策略；

根据同车道中前车与自车的实时相对距离与制动安全距离、换道安全距离及相邻车道交通条件判断自车采取避撞的策略；

制动避撞控制策略：首先判断碰撞时间与初级报警时间的大小关系，若碰撞时间大于初级报警时间则进入车间时距制动避撞控制算法，否则进入碰撞时间制动避撞控制算法；碰撞时间制动避撞控制算法与车间时距制动避撞控制算法分别根据碰撞时间、车间时距与初级报警时间及二级初级报警时间的大小关系确定执行报警、部分制动、紧急制动控制中一种或几种控制策略；

换道避撞控制策略：在换道避撞过程中系统存在干扰和偏差，首先通过S型换道轨迹模型计算出期望轨迹曲率，然后将期望轨迹曲率与自车速度、轴距输入到线性反馈控制与前馈控制相结合的转向控制器计算出基于自身转向梯度的转角，并输出期望转角实现换道控制。

S5，基于驾驶员避撞特性的避撞控制策略精确度的验证；

换道避撞控制策略精确度的验证：通过换道避撞控制策略，试验车辆采集到换道避撞时的实时位置、速度、加速度与数学软件matlab按照S型换道轨迹模型模拟得到的数值进行对比；

制动避撞控制策略精确度的验证：通过制动避撞控制策略，试验车辆采集到的制动避撞时初始速度及碰撞速度，判断车辆的制动避撞效果。

进一步，所述S3.1中的S型换道轨迹模型为其中，y_M为车辆换道所需的期望横向位移，a为轨迹曲线在x＝c处的斜率，c为自车从开始换道到车辆横向位移完成期望横向位移一半时自车所行驶的纵向距离。

进一步，所述S3.2中驾驶员能接受的最大加速度变化率的制动安全距离模型为其中j_r为制动加加速度，t_j为从当前加速度a₀到以最大制动减速度a_r制动避撞的时间，v_t为自车速度，v_l为前车速度，a_l为前车制动减速度，v_j为自车开始制动时的速度a_min为车辆的最小加速度，d_s为最小停车安全距离，t_ls前车从开始制动到完全停止所需时间，t_ts为自车从开始制动到完全停止所需时间。

本发明的有益效果在于：

1、搭建了基于驾驶员避撞特性的避免追尾碰撞控制的策略框架，为多种不同方式的避撞策略分析奠定了基础。

2、增加驾驶员避撞特性因素，使得系统主动干预的时机和方式与驾驶员实际避撞操作相似，系统避撞效果更好，接受度更高。

3、融合制动避撞策略与换道避撞控制策略，能够根据真实的交通环境选择合适的避撞策略。

附图说明

图1为本发明一种基于驾驶员避撞行为的车辆避撞控制方法中基于驾驶员避撞行为的车辆避撞控制系统图；

图2为本发明一种基于驾驶员避撞行为的车辆避撞控制方法中驾驶员接收到报警信号做出反应的时间分布图；

图3为本发明一种基于驾驶员避撞行为的车辆避撞控制方法中驾驶员选择换道避撞的时机分布图；

图4为本发明一种基于驾驶员避撞行为的车辆避撞控制方法中S型换道轨迹模型图；

图5为本发明一种基于驾驶员避撞行为的车辆避撞控制方法中制动加速度与时间的关系图；

图6为为本发明一种基于驾驶员避撞行为的车辆避撞控制方法中执行制动避撞策略的流程图；

图6(a)为本发明一种基于驾驶员避撞行为的车辆避撞控制方法中执行碰撞时间制动避撞控制的流程图；图6(b)为本发明一种基于驾驶员避撞行为的车辆避撞控制方法中执行车间时距制动避撞控制的流程图；

图7为本发明一种基于驾驶员避撞行为的车辆避撞控制方法中线性反馈控制与前馈控制相结合的结构图；

图8为本发明一种基于驾驶员避撞行为的车辆避撞控制方法中换道避撞实验效果图；

图8a)为本发明一种基于驾驶员避撞行为的车辆避撞控制方法中换道避撞横向位移与纵向位移关系图；图8b)为本发明一种基于驾驶员避撞行为的车辆避撞控制方法中换道避撞方向盘转角与时间关系图；

图9为本发明一种基于驾驶员避撞行为的车辆避撞控制方法中制动避撞实验效果图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

一种基于驾驶员避撞行为的车辆避撞控制方法，包括步骤：

S1，构建基于驾驶员避撞行为的车辆避撞控制系统，如图1所示，车辆避撞控制系统包括模拟驾驶仪、毫米波雷达、主控计算机、安全判断模块、避撞策略决策模块及避撞控制执行模块；

S2，通过模拟驾驶仪采集100名经验丰富的驾驶员换道避撞时机、制动加速度、驾驶员接收到报警信号做出反应的时间(图2)对驾驶员避撞行为习惯进行实验分析，驾驶员换道避撞试验中测得在本车与前车相对速度为0、20km/h、40km/h、60km/h、120km/h时，驾驶员采取换道避撞的时间及两车相对距离，并得出包含驾驶员认为安全、存在危险、危险三个区域的驾驶员换道避撞时机如图3；

采用毫米波雷达实时检测自车与前车、自车与邻车道车辆的相对运动关系的信息，自车与前车相对运动关系的信息包括自车与前车的速度、自车与前车的相对距离、自车加速度；自车与邻车道车辆相对运动关系的信息包括相对纵向距离和邻车道车辆速度；

S3，基于驾驶员避撞特性的避免追尾碰撞控制策略构建；

S3.1，建立S型换道轨迹模型，确定换道安全距离；

为了确定执行换道避撞策略所需参数值建立如图4所示的S型换道轨迹模型，车辆换道轨迹由换道时间为TB、2TB、10TB时车辆位置确定，10TB时车辆位置即为期望换道完成位置，其中TB为常量，TB＝100ms，三个点放在一起以矩阵形式传输到线性反馈控制与前馈控制相结合的转向控制器，如图7所示，

$>\overrightarrow{P}=\left[p(t+T_B)p(t+2T_B)p(t+10T_B)\right]---\left(1\right)$>

得到车辆在S型换道轨迹模型的具体位置；

以自车纵向车速方向为x轴，逆时针垂直于x轴方向为y轴建立直角坐标系，则自辆在S型换道轨迹模型中的位置可表示为：

y＝f(x) (2)

车辆换道轨迹的切线方向与x轴夹角即偏航角ψ为(假定无侧滑)：

$>\psi =arctan\left(\frac{dy}{dx}\right)---\left(3\right)$>

偏航角ψ关于时间的导数为：

$>{\psi }^{\prime }=\frac{d\psi }{dt}=\frac{1}{1+{\left(\frac{dy}{dx}\right)}^2}\frac{d^{2}y}{{\mathrm{dx}}^2}{v}_x---\left(4\right)$>

根据阿克曼原理可得车辆横向加速度为：

$>a_y={\mathrm{v\psi }}^{\prime }=\frac{1}{1+{\left(\frac{dy}{dx}\right)}^2}\frac{d^{2}y}{{\mathrm{dx}}^2}{v}_{x}v---\left(5\right)$>

车辆S型换道轨迹模型为：

$>y\left(x\right)=\frac{y_M}{1+e^{-a(x-c)}}---\left(6\right)$>

其中，y_M为车辆换道所需的期望横向位移，a为轨迹曲线在x＝c处的斜率，c为自车从开始换道到车辆横向位移完成期望横向位移一半时自车所行驶的纵向距离。

由公式和图4可知换道安全距离Ds为：

D_s＝c+r>

其中，r为最小保持车距。

图4中(c，y_M/2)为曲线的拐点，车辆完成换道纵向位移s＝2c。

S3.2，根据驾驶员制动加速度、由制动加速度求导得到的制动加加速度、自车与前车的速度、自车与前车的相对距离及自车加速度，建立驾驶员能接受的最大加速度变化率的制动安全距离模型；

驾驶员制动避撞试验中分析了驾驶员制动加速度a和制动加加速度j，并建立考虑驾驶员能接受的最大加速度变化率的制动安全车距模型：

加速度与时间关系如图5，从当前加速度a₀到以最大制动减速度a_r制动避撞的时间为t_j，其表达式为：

$>t_j=\frac{(a_{\min }-a_0)}{j_{\min }}---\left(8\right)$>

其中a_min、j_min分别是车辆的最小加速度和最小加加速度，通过试验分析保证驾驶员及车内乘客舒适度的极限值为a_min＝-0.6g，j_min＝-10m/s³。

前车从开始制动到完全停止所需时间t_ls为：

$>t_{ls}=-\frac{v_l}{a_l}---\left(9\right)$>

式中v_l为前车速度；a_l为前车制动减速度，设置为-0.6g。

自车从开始制动到完全停止所需时间t_ts为：

$>t_{ts}=t_j-\frac{v_j}{a_{\min }}---\left(10\right)$>

式中v_j为自车开始制动时的速度，其表达式为：

$>v_j=\frac{1}{2}{j}_r{t}_j^2+a_t{t}_j+v_t---\left(11\right)$>

式中j_r为制动加加速度；a_t为自车加速度；v_t为自车速度。

目前典型的避撞安全距离模型中准确率最高的模型是NHSTA模型，其表达式为：

$>\left(\begin{array}{c}{D}_b=-t_r·v_r-\frac{1}{2}{a}_r·t_r^2+\frac{{(v_r+a_r·t_r)}^2}{2(a_l-a_{\min })}+d_s,t_{ls}>t_{ts}\\ D_b=t_r·v_t+\frac{1}{2}{a}_t·t_r^2-\frac{{(v_t+a_t·t_r)}^2}{2a_{\min }}+\frac{v_l^2}{2a_l}+d_s,t_{ts}>t_{ls}\end{array}\right)---\left(12\right)$>

式中v_r＝v_t-v_l为相对车速；a_r＝a_t-a_l为相对加速度；t_r＝-v_r/a_r为车辆以相对加速度制动从开始制动到完全停止所需时间，d_s为最小停车安全距离。

本发明以NHSTA模型为基础建立驾驶员能接受的最大加速度变化率的制动安全车距模型，由公式(8)～(12)可以得到驾驶员能接受的最大加速度变化率的制动安全车距模型为：

$>\left(\begin{array}{c}{D}_b=\frac{1}{6}{j}_r{t}_j^3+\frac{1}{2}{a}_0{t}_j^2+v_t{t}_j-(v_l{t}_j+\frac{1}{2}{a}_l{t}_j^2)+\frac{{(v_j-v_l)}^2}{2(a_l-a_{\min })}+d_s,t_{ls}>t_{ts}\\ D_b=\frac{1}{6}{j}_r{t}_j^3+\frac{1}{2}{a}_0{t}_j^2+v_t{t}_j-\frac{v_j^2}{2a_{\min }}+\frac{v_l^2}{2a_l}+d_s,t_{ts}>t_{ls}\end{array}\right)---\left(13\right)$>

S3.3，由自车与前车的相对距离和自车及前车的速度得到的碰撞时间TTC、由自车与前车的相对距离和自车速度得到的车间时距TG、换道安全距离D_s及制动安全距离D_b以及驾驶员的反应时间决定主动避撞系统干预时机；

碰撞时间TTC定义为：

$>TTC=\frac{D}{v_t-v_l}---\left(14\right)$>

车间时距TG定义为：

$>TG=\frac{D}{v_t}---\left(15\right)$>

式中D为两车的实时相对车距，v_l、v_t分别为前车和自车车速。

由公式(13)可知在两车相对速度较小时TTC的值将会很大，无法准确判断当前车辆危险等级，本发明引入TG作为TTC的补充可以很好地解决这一问题。

对于制动控制策略本发明根据驾驶员采取换道避撞时机(图3)及反应时间(图2)，设置系统初级报警时间为TTC₁＝3.00s，二级报警时间为TTC₂＝2.25s，此时不仅有声音报警系统还增加轻微制动，通过多次试验轻微制动强度为0.1-0.2g最为合适，既能够加强报警效果也不干预驾驶员正常驾驶。紧急制动时间设置为TTC₃＝1.00s，此时驾驶员可能会有意识的转动方向盘，考虑到车辆稳定性在多种条件下多次试验得出车辆的最大制动强度为0.6g；另一方面为了避免驾驶员误操作锁死油门踏板，在TTC＞TTC₁时，TG作为主动介入依据，相对应的TG₁＝2.10s、TG₂＝1.50s、TG₃＝1.10s。

以上驾驶员采取换道避撞时机、驾驶员反应时间、换道安全距离、制动安全距离、碰撞时间TTC及车间时距TG构成车辆避撞控制系统安全判断模块。

S4，车辆执行制动或换道避撞控制策略；

主控计算机接收毫米波雷达采集到的与自车同车道中前车与自车的实时相对距离，前车速度、自车速度及自车加速度并将这些信息输入到安全判断模块，避撞策略决策模块根据安全判断模块对自车安全状态的判断做出避撞时机与方式的决策。

根据同车道中前车与自车的实时相对距离与制动安全距离、换道安全距离及相邻车道交通条件判断自车采取避撞的策略；

制动避撞控制策略：判断TTC与TTC1的大小关系；

若碰撞时间制动避撞控制算法中TTC＞TTC1，则进入车间时距制动避撞控制算法，如图6(b)中的算法二，否则进入碰撞时间制动避撞控制算法，如图6(a)中的算法一。

若碰撞时间制动避撞控制算法中TTC≤TTC1，在TTC＞TTC2时，若驾驶员采取措施避免追尾碰撞，则判断安全，车辆避撞控制系统不进行主动干预；若驾驶员未采取措施，车辆避撞控制系统初级报警提示驾驶员当前行车状态有追尾碰撞的危险；在TTC3＜TTC≤TTC2时，若驾驶员采取措施避免追尾碰撞，则判断安全，车辆避撞控制系统不进行主动干预；若驾驶员未采取措施，车辆避撞控制系统二级报警提示驾驶员当前行车状态有较大可能发生追尾碰撞；TTC≤TTC3时，驾驶员已无法避免追尾碰撞，系统采取紧急制动策略，在两车相对速度较小时TTC无法判断行车危险等级，车间时距制动避撞控制算法用车间时距TG代替TTC对行车状态实时判断。

换道避撞控制策略：在换道避撞过程中系统存在干扰和偏差，本发明设计一个线性反馈控制与前馈控制相结合的转向控制器如图7所示。前馈控制通过车辆速度v、轴距l、期望轨迹曲率k可以计算出基于自身转向梯度U_SG的转角δ_FF：

δ_FF＝(1+U_SGv²)k>

$>k=1/R=v_y{a}_y/(v_x^2+v_y^2)\sqrt{v_x^2+v_y^2}---\left(17\right)$>

式中：v_x为自车纵向速度；v_y为自车横向速度；a_y为自车横向加速度。

反馈控制使用车辆的偏航角ψ和纵向位置x_E控制偏差进行坐标变换定义e＝Δy，计算补偿转角δ_FB：

δ_FB＝(ψ_ref-ψ)'+(ψ_ref-ψ)+e+e'>

式中：ψ_ref为S型换道轨迹模型得到的参考偏航角，ψ为实际偏航角；e为自车在纵向位置为x_E时S型换道轨迹模型得到的参考横向位移与实际横向位移差值。

期望转角δ_M为实现换道避撞自车前轮所需要转动的角度，期望转角δ_M为前馈和反馈控制得到的δ_FF与δ_FB之和：

δ_M＝δ_FF+δ_FB>

避撞控制执行模块根据避撞策略决策模块选择的制动避撞方式及制动时机执行制动避撞策略或换道避撞方式及期望转角执行换道避撞策略。

S5，基于驾驶员避撞特性的避撞控制策略精确度的验证；

试验车辆装有毫米波雷达、主动前轮转向装置、自动制动装置、报警装置。

换道避撞控制策略：设置换道条件为允许，系统根据驾驶员反应时间、安全车距计算决定换道时机和轨迹以避免追尾碰撞，车辆换道过程按照车辆避撞控制系统计算的路径行驶无需驾驶员操作。线性反馈控制与前馈控制相结合的换道控制策略的实车测试时换道横向位移y_M设置为3m，在实验第5s时开始换道，经过1s换道完成，随后驾驶员返回原车道，在该车道内行驶2s后制动停车，结果如图8所示；由图8a)可知实验测得的实际横向位移与matlab仿真得到的期望横向位移能较好的匹配，仅有轻微误差，图8b)方向盘转角的期望值为线性反馈控制与前馈控制相结合的转向控制器输出值，实验测得转角度数表明驾驶员未参与换道措施，换道由车辆避撞控制系统自主完成，试验中横向最大加速度为|ay|≈7m/s²。

制动避撞控制策略：设置换道条件为不允许，根据图2驾驶员反应时间分布，设定驾驶员感受到二级报警到车辆避撞控制系统紧急刹车时间为1.25s，确保超过60％的驾驶员可以主动避免追尾碰撞，系统紧急制动的最大制动减速度为0.6g。实车验证车辆避撞控制系统避免追尾碰撞效果时以静止的海绵块(2m*0.6m*1.6m)替代前方车辆。实验时驾驶员在感受到二级报警后1.25s内采取避撞措施，实验结果如图9所示，横坐标为本车的初始速度，纵坐标为试验车辆与障碍物碰撞时的相对速度。从实验结果可知车辆在中低速行驶时本系统可有效实现避免追尾碰撞，在高速区时可将碰撞速度大大降低。

本实施例将步骤1中的相关数据导入步骤2中的基于驾驶员避撞特性的避免追尾碰撞控制策略模块中，验证该方法的可靠性、实用性和准确性。

本实施例依据江苏大学汽车安全重点实验室模拟驾驶仪平台进行试验，结果如图8、图9所示，从实验结果可知车辆采取制动避撞策略时在中低速行驶时本方法可有效实现避免追尾碰撞，在高速区时可将碰撞速度大大降低，采取换道避撞策略时可在1s内自主完成换道操作，满足最危险的驾驶员换道时机。该测试结果数据表明基于驾驶员避撞行为的车辆避撞控制方法对于城市交通中低速行驶的车辆是可行的和实用的。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，应当理解，本发明并不限于这里所描述的实现方案，这些实现方案描述的目的在于帮助本领域中的技术人员实践本发明。任何本领域中的技术人员很容易在不脱离本发明精神和范围的情况下进行进一步的改进和完善，因此本发明只受到本发明权利要求的内容和范围的限制，其意图涵盖所有包括在由所附权利要求所限定的本发明精神和范围内的备选方案和等同方案。