一种激进型辅助驾驶弯道避障换道路径规划系统及方法与流程

本发明涉及一种辅助驾驶技术领域，尤其涉及一种激进型辅助驾驶弯道避障换道路径规划系统及方法。

背景技术：

随着人工智能时代的来临，智能车辆已成为当今的研究热点。智能车辆上路最大的问题是安全问题，汽车主动安全技术也越来越受到人们的关注。

根据驾驶人的驾驶行为的不同，可以分为谨慎型、正常型和激进型三种。据研究表明:驾驶风格越激进,驾驶人对周围环境关注越少,对车辆的横向控制稳定性越差,换道发生的频次越高，激进型驾驶人往往不满足跟随前方慢车行驶，而是通过频繁换道来获得速度优势。

有效的辅助驾驶避障系统需具备合理的传感器布置、特定工况下的安全距离模型以及能兼顾稳定性与实时性的避障策略。目前，多数关于紧急避障的研究所使用的方法都是根据与前车不同的距离与安全距离作比较选择制动、制动与转向组合或转向的避障方法。在紧急避障方法选择中，当检测到相邻车道无车辆时可通行时，若进行紧急制动停车避障，则可能对后方车辆产生惊吓，甚至造成交通事故，同时也降低了车辆的通行效率。

所以为满足激进型驾驶员对于速度的追求，当检测到自车车道前方异常时，在保证相邻车道无障碍物的情况下，可以实时规划出一条合适的路径，选择直接进行转向的方法来进行避障，提高交通效率，保证安全性。

技术实现要素：

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及的缺陷，提出一种激进型辅助驾驶弯道避障换道路径规划系统及。

技术方案：

一种激进型辅助驾驶弯道避障换道路径规划系统，包括环境感知单元、自车传感器单元、can总线、电子控制单元即vcu、线控转向单元、线控制动单元、速度控制单元；所述环境感知单元包括摄像头、激光雷达以及毫米波雷达；所述自车传感器单元包括车速传感器、加速度传感器、前轮转角传感器；所述摄像头安装在车辆挡风玻璃正上方，用于识别车道线信息、障碍物信息、车道限速，并将图像信息传入vcu；所述激光雷达，数量至少2个(保证前端检测的安全性，防止单一雷达失效造成危险)，分别安装在前端舱盖上和车顶上，用于检测前方障碍物与自车之间的相对距离以及前方车辆的速度、加速度，并将信息存储于can总线上，供vcu实时调取和处理；所述毫米波雷达，数量至少1个，安装在车辆前部的进气隔栅，用于检测远距离车辆与自车的相对距离，并将信息存储于can总线上，供vcu实时调取和处理；所述车速传感器、加速度传感器与前轮转角传感器，分别用于收集车辆的速度、纵向加速度、前轮转角，并将信息存储于can总线上，供vcu实时调取和处理；所述线控转向单元包含转向助力电机以及转向控制器，用于接收vcu的转向信号，进行转向；所述线控制动单元包含制动轮缸，用于接收vcu的制动信号，进行制动；所述轮速控制单元包含车轮电机，用于接收vcu的轮速信号，对车速进行控制；所述电子控制单元vcu实现计算、判断、发出控制信号功能，用于根据接收到的自车的车速、纵向加速度以及前方车辆的速度、加速度计算自车和前方车辆之间的安全距离后，将计算得到的安全距离作为判断是否进行转向的依据；同时，当前车距离达到安全距离后，vcu计算模块计算得到换道路径以及换道所需的前轮转角、自车速度、纵向加速度后，分别与自车实时的前轮转角、自车车速、加速度进行比较，依据比较得到的差值来调节转向助力电机的输入电流、制动轮缸的压力以及车轮速度，使得线控转向单元、线控制动单元、车轮速度单元工作。

一种激进型辅助驾驶弯道避障换道路径规划方法，包括如下步骤：

步骤1)，摄像头采集车道线信息、障碍物信息以及车道限速，将识别的自车所在车道的两车道线曲率、障碍物位置信息、车道的限速传到can总线上，分别供vcu调取用于计算和判断；激光雷达采集前方障碍物的相关信息，将采集的前方障碍物和自车之间的相对距离以及前方车辆的速度传到can总线上，分别供vcu调取用于判断和计算；

步骤2)，车速传感器、加速度传感器、前轮转角传感器分别收集汽车的车速、加速度、前轮转角，并将收集到的数据输入到can总线上和供电子vcu进行计算；

步骤3)，vcu根据接收到的前方车辆的车速、自车车速、加速度建立制动安全距离模型，根据mazda制动安全距离模型计算汽车和前方车辆之间的安全距离：

其中，vh为自车速度，vrel为前车与自车的相对速度，μ为路面辅助系数，g为重力加速度，t1为驾驶员反应延迟时间,t2为制动器延迟时间，d0为最小停车距离，并将计算的到的安全距离传到can总线上，供vcu进行调取和判断；

步骤4)，vcu通过判断自车道前方障碍物和自车之间的距离sreal与安全距离ssafe的大小，计算出差值a，a＝sreal-ssafe；

步骤5)，摄像头检测道路信息，通过图像识别，得到车道限速为vlim,vcu通过判断得到sreal≤s的结果后，s为需要测量操作的距离(ssafe＜s＜传感器有效检测距离，由法规gbt20608-2006规定为75m)，判断前车速度vq与vlim*j1的大小(j1∈(0,1))，计算出差值b，b＝vq-vlim*j1；

步骤6)，vcu通过判断得到sreal≤s的结果后，通过判断前车是否紧急制动(紧急制动时，汽车的最大减速度一般为7.5－8m/s，普通制动时，汽车的平均减速度应为acom为3－4m/s)，计算前车减速度aq与max(acom)大小，即计算出差值c＝max(acom)-aq，max(acom)为普通制动时汽车平均减速度的最大值；

步骤7)，摄像头实时检测，前方障碍物左侧车道是否有障碍物，当差值a、b、c三者有一个小于等于0时，且当左侧车道无障碍物时，vcu计算出换道路径，为进行直接换道的决策做准备，当判断为假时，计算给出制动轮缸压力，进行制动；

步骤8)，vcu通过路径规划控制器，对方向盘转角进行控制，并计算转向角δ、速度v、制动踏板力f，传入线控转向单元、线控制动单元、速度控制单元进行控制。

进一步地，步骤5)中j1的确定，j1为自定义速度系数，由于激进型驾驶风格的驾驶员存在对外车道上慢速行驶车辆不耐烦而从内车道超车的行为，可对激进型驾驶风格的驾驶员进行驾驶行为分析，分析超车时前车速度与道路限制速度的比值，这n个数据为k1,k2,···kn,为保证数据的准确性，采用最小二乘法，使最小，为平均值，即为使d最小时的x，

进一步地，步骤7)中，换道路径的确定方法为：

步骤7.1)，根据can总线中的路径曲率，以车辆后轮中心所在位置与右侧车道垂线的交点为原点(0,0)拟合出自车车道实时圆弧曲线，为

其中，r为道路曲率半径，x为换道纵向距离；

设定车道宽度为dw，则自车所在路径公式为：

步骤7.2)，通过道路宽度的关系，计算得到相邻车道道路中心的实时圆弧曲线，即目标换道路径公式为：

步骤7.3)，通过五次多项曲线拟合出两车道中心圆弧曲线之间的换道路径，规划出换道路径；

车辆的换道结束目标点为(xs,ys),设换道路径方程为：

y(x)＝a0+a1x+a2x²+a3x³+a4x⁴+a5x⁵

其中，a0，a1，a2，a3，a4，a5分别为五次多项式的系数；

车辆在换道初始位置x＝0和结束位置x＝xs满足方程为：

其中，rz为车道线中心线的曲率半径；

求解可得，a0，a1，a2，a3，a4，a5的值，假设纵向速度v不变，即xs＝v*t，则换道轨迹为：

y(x)＝b0+b1t+b2t²+b3t³+b4t⁴+b5t⁵

则：

c＝[v³v⁴v⁵]

步骤7.4)，通过改变xs,即换道完成纵向距离，可得到不同的换道轨迹；

步骤7.5)，假设汽车的运动简单地服从于阿克曼几何关系，其中前轮转角由基础驾驶员模型得到，汽车轨迹曲率与方向盘转角成正比：

式中，l：轴距，v：纵向速度，为侧向加速度，δf为前轮转角。

步骤7.6)在不同车速下，根据基础驾驶员模型和轨迹二次求导得到的侧向加速度，得到期望前轮转角，在不同的轨迹条件下，根据运动学二自由度模型：

式中，k1为前轮总侧偏刚度，k2为后轮总侧偏刚度，iz为绕z轴的转动惯量，m为汽车总质量，a为质心至前轴距离，b为质心至后轴距离vy为侧向速度，

计算得到横摆角速度和质心侧偏角；

步骤7.7)设定目标函数为：

式中：ld为换道轨迹的纵向长度ld＝xd，ay(t)、β(t)、ω(t)为换道过程中的侧向加速度、横摆角速度与质心侧偏角，aymax、βmax、ωmax为所有换道轨迹中最大侧向加速度、最大横摆角速度与最大质心侧偏角，w1、w2、w3、w4为权值系数，w1+w2+w3+w4＝1，第一项反应换道效率，第二、三、四项反应换道平顺性与安全性，满足目标函数的y(t)即为不同车速下的最优换道轨迹，

有益效果：

1)以转向换道为主、制动为辅的激进型避障驾驶方法，解决了不必要的紧急制动，造成对后方驾驶员的惊吓，提高了交通的整体安全性，同时解决了不必要的制动造成的交通的拥堵，提高交通通行效率；

2)以前方车辆的制动减速度与正常情况下最大制动减速度的差值、前方车辆的速度与道路限速倍数的差值以及实时车距与制动安全距离三者作为避障触发条件，提高避障系统的可靠性和驾驶平顺性，也满足了激进式驾驶风格驾驶员的对于节省时间的追求；

3)以稳定性、舒适性评价指标(侧向加速度、横摆角速度、质心侧偏角)以及纵向换道距离为前提规划换道路径，保证换道稳定性和安全性。

附图说明

图1为激进型辅助驾驶弯道避障系统的逻辑框图；

图2为模拟场景的路径与车辆位置简图；

图3为五次多项式换道路径图，对应的xs为40；

图4为弯道半径为650m时的最优换道路径图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，为该系统的逻辑框图，分为7个部分，环境感知单元、自车传感器单元、can总线、vcu、线控转向单元、线控制动单元、速度控制单元。下面为对框图流程的具体解释：

所述环境感知单元包括摄像头、激光雷达以及毫米波雷达；所述自车传感器单元包括车速传感器、加速度传感器、前轮转角传感器；所述摄像头安装在车辆挡风玻璃正上方，用于识别车道线信息、障碍物信息、车道限速，并将图像信息传入vcu；所述激光雷达，数量至少2个(保证前端检测的安全性，防止单一雷达失效造成危险)，分别安装在前端舱盖上和车顶上，用于检测前方障碍物与自车之间的相对距离以及前方车辆的速度、加速度，并将信息存储于can总线上，供vcu实时调取和处理；所述毫米波雷达，数量至少1个，安装在车辆前部的进气隔栅，用于检测远距离车辆与自车的相对距离，并将信息存储于can总线上，供vcu实时调取和处理；所述车速传感器、加速度传感器与前轮转角传感器，分别用于收集车辆的速度、纵向加速度、前轮转角，并将信息存储于can总线上，供vcu实时调取和处理；所述线控转向单元包含转向助力电机以及转向控制器，用于接收vcu的转向信号，进行转向；所述线控制动单元包含制动轮缸，用于接收vcu的制动信号，进行制动；所述轮速控制单元包含车轮电机，用于接收vcu的轮速信号，对车速进行控制；所述电子控制单元vcu实现计算、判断、发出控制信号功能，用于根据接收到的自车的车速、纵向加速度以及前方车辆的速度、加速度计算自车和前方车辆之间的安全距离后，将计算得到的安全距离作为判断是否进行转向的依据；同时，当前车距离达到安全距离后，vcu计算模块计算得到换道路径以及换道所需的前轮转角、自车速度、纵向加速度后，分别与自车实时的前轮转角、自车车速、加速度进行比较，依据比较得到的差值来调节转向助力电机的输入电流、制动轮缸的压力以及车轮速度，使得线控转向单元、线控制动单元、车轮速度单元工作。

本发明还公开了一种基于该避障系统的避障换道路径规划方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤1)，摄像头采集车道线信息、障碍物信息以及车道限速，将识别的自车所在车道的两车道线曲率、障碍物位置信息、车道的限速传到can总线上，分别供vcu调取用于计算和判断；激光雷达采集前方障碍物的相关信息，将采集的前方障碍物和自车之间的相对距离以及前方车辆的速度传到can总线上，分别供vcu调取用于判断和计算；

步骤2)，车速传感器、加速度传感器、前轮转角传感器分别收集汽车的车速、加速度、前轮转角，并将收集到的数据输入到can总线上和供电子vcu进行计算；

步骤3)，vcu根据接收到的前方车辆的车速、自车车速、加速度建立制动安全距离模型，根据mazda制动安全距离模型计算汽车和前方车辆之间的安全距离：

其中，vh为自车速度，vrel为前车与自车的相对速度，μ为路面辅助系数，g为重力加速度，t1为驾驶员反应延迟时间,t2为制动器延迟时间，d0为最小停车距离，并将计算的到的安全距离传到can总线上，供vcu进行调取和判断；

步骤4)，vcu通过判断自车道前方障碍物和自车之间的距离sreal与安全距离ssafe的大小，计算出差值a，a＝sreal-ssafe；

步骤5)，摄像头检测道路信息，通过图像识别，得到车道限速为vlim,vcu通过判断得到sreal≤s的结果后，s为需要测量操作的距离(ssafe＜s＜传感器有效检测距离，由法规gbt20608-2006规定为75m)，判断前车速度vq与vlim*j1的大小(j1∈(0,1))，计算出差值b，b＝vq-vlim*j1；

步骤6)，vcu通过判断得到sreal≤s的结果后，通过判断前车是否紧急制动(由资料查阅知，紧急制动时，汽车的最大减速度一般为7.5－8m/s，普通制动时，汽车的平均减速度应为acom为3－4m/s)，计算前车减速度aq与max(acom)大小，即计算出差值c＝max(acom)-aq，max(acom)为普通制动时汽车平均减速度的最大值；

步骤7)，摄像头实时检测，前方障碍物左侧车道是否有障碍物，当差值a、b、c三者有一个小于等于0时，且当左侧车道无障碍物时，vcu计算出换道路径，为进行直接换道的决策做准备，当判断为假时，计算给出制动轮缸压力，进行制动；

步骤8)，vcu通过路径规划控制器，对方向盘转角进行控制，并计算转向角δ、速度v、制动踏板力f，传入线控转向单元、线控制动单元、速度控制单元进行控制。

步骤5)中j1的确定，j1为自定义速度系数，由于激进型驾驶风格的驾驶员存在对外车道上慢速行驶车辆不耐烦而从内车道超车的行为，可对激进型驾驶风格的驾驶员进行驾驶行为分析，分析超车时前车速度与道路限制速度的比值，这n个数据为k1,k2,···kn,为保证数据的准确性，采用最小二乘法，使最小，为平均值，即为使d最小时的x，

所述步骤7)中的换道路径的确定方法为：

步骤7.1)，如图2所示，为模拟场景的路径与车辆位置简图，

根据can总线中的路径曲率，以车辆后轮中心所在位置与右侧车道垂线的交点为原点(0,0)拟合出自车车道实时圆弧曲线，为

其中，r为道路曲率半径，x为换道纵向距离；

设定车道宽度为dw，则自车所在路径公式为：

步骤7.2)，通过道路宽度的关系，计算得到相邻车道道路中心的实时圆弧曲线，即目标换道路径公式为：

y1为外车道中心曲线，y2为内车道中心线曲线；

步骤7.3)，如图3所示，为当将换道距离设为40时的车辆换道路径图，通过五次多项曲线拟合出两条车道中心圆弧曲线之间的换道路径，规划出换道路径；

车辆的换道结束目标点为(xs,ys),设换道路径方程为：

y(x)＝a0+a1x+a2x²+a3x³+a4x⁴+a5x⁵

其中，a0，a1，a2，a3，a4，a5分别为五次多项式的系数；

车辆在换道初始位置x＝0和结束位置x＝xs满足方程为：

其中，rz为车道线中心线的曲率半径；

求解可得，a0，a1，a2，a3，a4，a5的值，假设纵向速度v不变，即xs＝v*t，则换道轨迹为：

y(x)＝b0+b1t+b2t²+b3t³+b4t⁴+b5t⁵

则：

c＝[v³v⁴v⁵]

步骤7.4)，通过改变xs,即换道完成纵向距离，可得到不同的换道轨迹；

步骤7.5)，假设汽车的运动简单地服从于阿克曼几何关系，其中前轮转角由基础驾驶员模型得到，汽车轨迹曲率与方向盘转角成正比：

式中，l：轴距，v：纵向速度，为侧向加速度，δf为前轮转角。

步骤7.6)在不同车速下，根据基础驾驶员模型和轨迹二次求导得到的侧向加速度，得到期望前轮转角，在不同的轨迹条件下，根据运动学二自由度模型：

式中，k1为前轮总侧偏刚度，k2为后轮总侧偏刚度，iz为绕z轴的转动惯量，m为汽车总质量，a为质心至前轴距离，b为质心至后轴距离vy为侧向速度，

计算得到横摆角速度和质心侧偏角；

步骤7.7)设定目标函数为：

式中：ld为换道轨迹的纵向长度ld＝xd，ay(t)、β(t)、ω(t)为换道过程中的侧向加速度、横摆角速度与质心侧偏角，aymax、βmax、ωmax为所有换道轨迹中最大侧向加速度、最大横摆角速度与最大质心侧偏角，w1、w2、w3、w4为权值系数，w1+w2+w3+w4＝1，第一项反应换道效率，第二、三、四项反应换道平顺性与安全性；

如图4所示，为车速为15m/s、弯道半径为650m的车辆换道轨迹与最优换道轨迹图，满足目标函数的y(t),即为不同车速下的最优换道轨迹。

此处w1取值为0.4，w2取值为0.2，w3取值为0.2,w4取值为0.2。

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。