一种带转向随动功能的车载红外辅助驾驶方法及系统与流程

1.本发明属于辅助驾驶技术领域，具体涉及一种带转向随动功能的车载红外辅助驾驶方法及系统。


背景技术：

2.根据权威机构调查显示，日夜车祸发生比率约为6∶4，其中在夜间有20％的致命车祸都发生在午夜到早上六点光线不足的时间内。夜间交通事故发生率偏高，概括来说是由于驾驶员的视线不良造成。而驾驶员的视线，除了依靠路边的夜间照明设施，更加重要的就是汽车本身的照明装置。车辆头灯是主要的汽车照明设备，当汽车行驶在夜间弱光或无光的道路条件下，在雨雾天气等恶劣环境中行驶，由于车灯的照射范围和距离有限，导致在这种情况下形式，安全性极差。为了解决上述问题，车载红外驾驶辅助系统被人们研制并使用起来，它能够解决夜间无光，雨雾天气等恶劣条件下的行车问题。
3.实际的道路使用状况、环境、气候条件等相当复杂，例如有乡间小路、弯道路况、十字路口、无人值守交通指示等；而车本身的速度、转弯角度等指标也会影响驾驶员的视线范围。目前，市面上装有红外辅助驾驶系统的车辆虽然能够在夜间无光、雨雾、沙尘等恶劣条件下行驶，但相对于全路况都应安全的要求来说，特别是十字交叉路口、弯道路况下还存在问题和不足。
4.车辆行驶在夜晚照明条件较差的路面上，灯光照射距离又不够远，若此时车辆高速入弯，由于红外辅助驾驶系统的视场角度是固定不变的，能够实现至少200米的远距离车辆前方景物的观测和探测功能，但无法兼顾车辆转弯时的视野盲区，造成驾驶员无法获得转弯过程中前方的瞬时视场，行车安全性不高。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提出了一种带转向随动功能的车载红外辅助驾驶方法及系统，用于解决现有车载红外辅助驾驶无法兼顾车辆转弯时的视野盲区的问题。
6.本发明第一方面，公开一种带转向随动功能的车载红外辅助驾驶方法，所述方法包括：
7.云台控制器获取车速信号和前轮转向角信号；
8.通过车速信号实时计算汽车安全刹车距离；
9.根据车速信号、前轮转向角信号、汽车安全刹车距离推导云台转向角的标准计算公式；
10.通过所述云台转向角的标准计算公式进行云台转向角控制并实现方向盘转向随动功能。
11.优选的，所述汽车的安全刹车距离分为反应距离和刹车距离；
12.刹车距离s1和车速v之间的关系式为：
13.s1＝v2/(2gμ)
14.μ为地面摩擦系数；
15.反应距离s2和平均车速之间的关系式为：
[0016][0017]
t0为制动反应时间与驾驶员反应时间之和。
[0018]
优选的，通过matlab拟合出具有连续变化量车速与安全刹车距离之间的函数关系模型，采用二阶拟合的数据结果，得出安全刹车距离的计算公式：
[0019]
s＝0.0049v2+0.165v+0.011
[0020]
s为安全刹车距离，v为刹车车速。
[0021]
优选的，所述计算车速信号、前轮转向角信号、汽车安全刹车距离与云台转向角度之间的对应关系具体包括：
[0022]
根据阿克曼转向几何原理计算前轮转弯半径r；
[0023]
以内侧车轮线为参考标准，根据内侧车轮转弯半径和安全刹车距离确定转弯时车载红外摄像头所需要探测的最小区域；
[0024]
根据车载红外摄像头所需要探测的最小区域确定云台转向角的标准计算公式。
[0025]
优选的，所述根据当前车速和转弯半径确定转弯时车载红外摄像头所需要探测的最小区域具体包括：
[0026]
根据当前车速确定安全刹车距离的大小；
[0027]
以内侧车轮线为参考标准，以内侧前轮作为安全刹车距离的起点，根据内侧车轮转弯半径及安全刹车距离的大小确定内侧车轮前进方向上行驶的安全刹车距离的终点；
[0028]
将内侧车轮线与安全刹车距离的起点和终点之间连线构成的夹角区域作为车载红外摄像头所需要探测的最小区域。
[0029]
优选的，所述根据车载红外摄像头所需要探测的最小区域确定云台转向角具体为：
[0030]
根据车载红外摄像头所需要探测的最小区域计算内侧车轮线与安全刹车距离的起点和终点之间连线构成的夹角，作为云台转向角理论值；
[0031]
云台转向角的理论计算公式为：
[0032][0033][0034]
其中φ为云台转向角度理论值，θ为内侧前轮转角，s为安全刹车距离，v为汽车车速，r为内侧前轮转弯半径，r＝l/sin θ，l为汽车轴距；
[0035]
根据云台转向角的理论计算公式进行不同车速和转弯半径对应的云台转向角度仿真，绘制仿真曲线，确定云台转向角的最大值；
[0036]
根据云台转向角的最大值修正云台转向角的理论计算公式，得到云台转向角的标准计算公式为：
[0037][0038]
ω
i
为云台转向角的标准值。
[0039]
优选的，所述通过所述云台转向角的标准计算公式进行云台转向角控制并实现方向盘转向随动功能具体包括：
[0040]
根据云台转向角的标准计算公式确定不同车速下云台转向角启动时对应的前轮转角，根据不同车速对应的前轮转角及转弯车速的限制要求确定转向随动功能开启的条件，根据转向随动功能开启的条件生成转向随动控制策略。
[0041]
本发明第二方面，公开一种带转向随动功能的车载红外辅助驾驶系统，所述系统包括加装载汽车前端的云台转向随动装置，所述云台转向随动装置中的云台控制器执行以下功能模块：
[0042]
车辆信号获取模块：获取车速信号和前轮转向角信号；
[0043]
刹车距离计算模块：通过车速信号实时计算汽车安全刹车距离；
[0044]
转向角度计算模块：根据车速信号、前轮转向角信号、汽车安全刹车距离推导云台转向角的标准计算公式；
[0045]
转向随动控制模块：通过所述云台转向角的标准计算公式进行云台转向角度控制并实现方向盘转向随动功能。
[0046]
本发明第三方面，公开一种电子设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线；
[0047]
其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；
[0048]
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以实现如本发明第一方面所述的方法。
[0049]
本发明第四方面，公开一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机实现如本发明第一方面所述的方法。
[0050]
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
[0051]
1)本发明在传统车载红外辅助驾驶装置的基础上增加了转向云台，在考虑安全刹车距离的基础上，将方向盘转向角度、前轮转向角、汽车转弯半径和车速几个物理量通过汽车转向几何原理、数据仿真分析相互结合、综合研究，根据当前车速和转弯半径确定转弯时车载红外摄像头所需要探测的最小区域，定量评价车速和方向盘转角与云台转向角度之间的数学关系，准确推导出转向随动云台转角的计算方法，可有效减小视野盲区，通过合理设置转向随动功能开启条件生成控制策略流程，实现转向随动功能自动控制；
[0052]
2)使用本发明的转向随动功能的车载红外辅助驾驶系统的云台能够在车辆转弯时左右转动，与车辆方向盘保持实时联动，增加弯道处驾驶员的有效视野范围，可以很容易的看清转弯盲区或者可以提前探测识别到转弯时车辆前方的景物目标，尤其在夜间光线能见度较差的、雨、雪、沙尘及雾霾等恶劣天气条件下，增加了行车的安全性，降低车辆的转弯视野盲区，优化盲区探测识别效果，从而降低因转弯无法看清前方路况而发生前方碰撞事故。
附图说明
[0053]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0054]
图1为传统车载红外辅助驾驶系统转弯时的示意图；
[0055]
图2为本发明带转向随动功能的车载红外辅助驾驶系统转弯时的示意图；
[0056]
图3为转向随动部分的系统结构框图；
[0057]
图4为阿克曼转向几何原理示意图
[0058]
图5为本发明云台转向角计算示意图；
[0059]
图6为本发明云台转向角的理论计算公式下不同车速和转弯半径对应的云台转向角仿真曲线；
[0060]
图7为本发明云台转向角的标准计算公式下不同车速和转弯半径对应的云台转向角仿真曲线；
[0061]
图8为本发明不同车速和前轮转向角对应的云台转向角仿真曲线；
[0062]
图9为本发明云台转向角限制在0
°
～30
°
范围内时不同车速和前轮转向角对应的云台转向角对应关系图；
[0063]
图10为本发明转向随动功能的车载红外辅助驾驶系统控制流程示意图；
[0064]
图11为使用本发明的转向随动功能的车载红外辅助驾驶系统前后的对照图。
具体实施方式
[0065]
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0066]
传统车载红外辅助驾驶系统固定安装在车辆车头区域，视场角度固定，不能提供足够的汽车行进方向弯道处的视场角度范围，驾驶员的有效视野降低，使得在夜间或光线条件极差的环境条件下弯道行车成为了安全事故的高发区域如图1所示。
[0067]
本技术通过带转向随动功能的新型车载红外辅助驾驶系统能够在车辆转弯时左右转动，与车辆方向盘保持实时联动，增加弯道处驾驶员的有效视野范围，优化盲区探测识别效果，从而降低碰撞事故的发生，图2为本发明带转向随动功能的车载红外辅助驾驶系统转弯时的示意图。
[0068]
相比传统车载红外辅助驾驶系统，本发明带转向随动功能的车载红外辅助驾驶系统，在原车载红外摄像头的基础上增加了一个左右转动的云台装置，可以使车载红外摄像头左右转动，以其达到随方向盘的转动改变驾驶员有效的视野范围，转向随动部分的系统结构框图如图3所示，车速传感器、方向盘转角传感器、云台控制器、电动助力转向系统、变速器传动系统通过can总线连接，云台控制器为车载红外摄像头提供水平方向上的驱动。本发明通过云台控制器寻址解析汽车can总线中的车速信号和前轮转向角信号，经内部处理得到云台转向角度并实现方向盘转向随动功能。
[0069]
本发明提出一种带转向随动功能的车载红外辅助驾驶方法，所述方法包括如下步骤：
[0070]
s1、云台控制器获取车速信号和前轮转向角信号；
[0071]
具体的，根据车速传感器获取车速信号，通过方向盘转角传感器获取前轮转向角信号。
[0072]
s2、通过车速信号实时计算汽车安全刹车距离；
[0073]
汽车正常行驶在道路上，当驾驶员发现前方有障碍物而采取正常制动操作，使车辆完全停止不碰到障碍物的最小距离，这个概念称为安全刹车距离。因此，从定义上汽车的安全刹车距离分为反应距离和刹车距离。在发明中，安全刹车距离是评价车载红外辅助驾驶系统有效探测的一个重要衡量技术指标，当车载红外摄像头能有效探测识别到汽车安全刹车距离的时候，此时驾驶员就有足够的视野和刹车时间来进行安全制动措施而不会导致汽车发生碰撞等安全交通事故。
[0074]
汽车的刹车距离和很多因素均相关，例如典型的有路面的环境、车速、车重、刹车制动力等等，为了简化模型，综合考虑本技术方案主要考虑汽车行驶速度和地面摩擦力，经数学推算，可推到出刹车距离和车速之间的关系式：
[0075]
s＝v2/(2gμ)
[0076]
取摩擦系数μ＝0.8，重力加速度g＝9.8，可以计算出不同车速对应的刹车距离s，如表1所示。
[0077]
表1刹车车速和刹车距离
[0078]
车速(km/h)刹车距离(m)202.0304.4407.95012.36017.77024.18031.59039.910049.2
[0079]
汽车的反应距离主要取决于驾驶员的反应时间和汽车制动性能时间，整个过程无法直接量化。因此，本发明简化为汽车保持匀速行驶，制动反应时间与驾驶员反应时间之和t0约为0.6秒，所以反应距离s2和平均车速之间的关系式可表示为：
[0080][0081]
安全刹车距离s＝s1+s2，刹车车速和安全刹车距离如表2所示。
[0082]
表2刹车车速和安全刹车距离
[0083]
车速(km/h)刹车距离(m)205.3309.4
4014.55020.66027.77035.88044.89054.910065.9
[0084]
通过表2中刹车车速和安全刹车距离几个离散点的对应关系，通过matlab拟合出具有连续变化量车速与刹车距离之间的函数关系模型，通过数据计算，可以求出一阶、二阶和三阶拟合函数的残差平方和rss分别为75.1807、0.0031及0.0025，二阶函数拟合和三阶函数拟合理想接近于原始坐标点，而一阶函数拟合与实际原始数据差别较大。本实施例采用二阶拟合的数据结果，得出安全刹车距离s的计算公式：
[0085]
s＝0.0049v2+0.165v+0.011
[0086]
s3、根据车速信号、前轮转向角信号、汽车安全刹车距离推导云台转向角度的标准计算公式；
[0087]
云台转向角度主要与汽车转弯半径和车速相关。车速可以从车轮上的传感器直接获取，方向盘转向角度可以从方向盘转向轴上的角度传感器获得，根据汽车转向机构计算得出前轮内外侧转向角的数值，最后再根据阿克曼几何原理计算出转弯半径。
[0088]
图4为阿克曼转向几何原理示意图，o点为汽车转向中心点，oa和ob分别为外侧前轮和内侧前轮的转弯半径。从示意图中可清晰分辨出内侧前轮的转向角度(θ内)明显大于外侧前轮的转向角度(θ外)，因此它的覆盖区域要求更高，必须首先要满足。本发明以内侧前轮的转弯半径为参数进行数学演算和仿真，从阿克曼转向几何原理示意图可推导出内侧前轮转弯半径的数学公式为：
[0089]
r＝ob＝bc/sin θ＝l/sin θ
[0090]
其中，r为内侧前轮转弯半径，l为汽车轴距，θ为车辆内侧前轮转角。
[0091]
汽车在夜间、雨雪、团雾及光线条件不好的环境下行驶在路面上，转弯时，希望车载红外摄像头能够提前探测弯道前方的一个合适的作用距离，来保证遇到障碍物能够有足够的时间采取制动措施而不发生碰撞，甚至是安全交通事故，本发明将安全刹车距离作为这个合适的作用距离距离，并应用到本发明云台转向角的计算中。
[0092]
以内侧车轮线为参考标准，根据内侧车轮转弯半径和安全刹车距离确定转弯时车载红外摄像头所需要探测的最小区域；根据车载红外摄像头所需要探测的最小区域确定云台转向角的计算公式。
[0093]
具体的，先根据当前车速确定安全刹车距离的大小；以内侧车轮线为参考标准，以内侧前轮作为安全刹车距离的起点，根据内侧车轮转弯半径及安全刹车距离的大小确定内侧车轮前进方向上行驶的安全刹车距离的终点；将内侧车轮线与安全刹车距离的起点和终点之间连线构成的夹角区域作为车载红外摄像头所需要探测的最小区域。
[0094]
请参阅图5，云台转向角计算示意图，图中g点是内侧车轮前进方向行驶的安全刹车距离的终点，因此，示意图中阴影部分的覆盖区域可以近似看作车载红外摄像头所需要探测的最小区域，而bg的长度可近似看作汽车的安全刹车距离s。根据车载红外摄像头所需
要探测的最小区域计算内侧车轮线与安全刹车距离的起点和终点之间连线构成的夹角，作为云台转向角理论值，由图5的示意图几何关系，可以推导云台转向角的理论计算公式为：
[0095][0096][0097][0098]
其中，φ为云台转向角，v为汽车车速(km/h)，r为内侧前轮转弯半径。
[0099]
根据上述云台转向角的理论计算公式进行不同车速和转弯半径对应的云台转向角度仿真，本实施例中取中型乘用车的轴距l＝2800mm，用matlab进行仿真，得出图6所示的云台转向角的理论计算公式下不同车速和转弯半径对应的云台转向角仿真关系。通过仿真数据可以知，速度一定的条件下，转弯半径越小，云台转向角越大，在转弯半径小于40m时，表现越明显；在转弯半径一定的条件下，车速越大，转弯半径越大。
[0100]
从阿克曼转向几何原理可知，前轮内外侧在转向时转向角度是不一致的，始终是内侧车轮转角大于外侧车轮，而带转向随动功能的车载红外辅助驾驶系统摄像头不会安装在内侧车轮的位置，因此若以内侧车轮为基准计算出的转向角度当作红外摄像头云台装置的转向角，以内侧车轮线be为参考标准，转动∠ebg，达到完全覆盖探测到g点位置，必然满足安全驾驶需求。
[0101]
从图6的仿真结果可知，当转弯半径小于等于10m时，云台转角在不同车速下转向角均超过20
°
，即此时云台转向角的最小值为20
°
，甚至有些都超过45
°
以上，这就存在一个问题，云台转角过大，负荷过重，对结构来说增加设计难度，也不符合实际工程需求。市场主流的车载红外摄像头，其水平视场角一般是25
°
～30
°
之间。
[0102]
鉴于以上两方面的分析，为了充分满足实际工程需要，需要将云台转向角减去20
°
，将云台转向角的最大值限定在30
°
，因此根据云台转向角的最小值和限定的最大值修正云台转向角的理论计算公式，得到云台转向角的标准计算公式为：
[0103][0104]
云台转向角的标准计算公式下的仿真关系图如图7所示，图7为云台转向角的标准计算公式下不同车速和转弯半径对应的云台转向角仿真曲线。
[0105]
用前轮转向角替代转弯半径，得到云台转向角新的计算公式：
[0106][0107]
图8为不同车速和前轮转向角对应的云台转向角仿真曲线，云台转向角小于0
°
的部分代表云台此时不需要进行左右转动，自身的视场角度可以覆盖到安全刹车位置。因为云台有效转动设定为0
°
～30
°
，优化仿真曲线后，新的仿真曲线如图9所示，图9不同车速和前轮转向角对应的云台转向角对应关系图。
[0108]
s4、通过所述云台转向角度的标准计算公式进行云台转向角度控制并实现方向盘转向随动功能。
[0109]
为了减小车载系统的负担，需要选取一个合适的转向随动车载红外辅助驾驶系统启动条件，并不是实时开启。本发明根据云台转向角的标准计算公式确定不同车速下云台转向角启动时对应的前轮转角，根据不同车速对应的前轮转角及转弯车速的限制要求确定转向随动功能开启的条件，根据转向随动功能开启的条件生成转向随动控制策略。
[0110]
具体的，根据图9的仿真结果，每个车速有一个对应的云台转向随动装置起作用的前轮转角值，并随着车速的增大，转向随动装置的前轮转角迅速减小，如表3所示。
[0111]
表3转向随动云台系统开始起作用时对应的车速和前轮转向角
[0112]
车速(km/h)1020304050前轮转角(
°
)13.59.87.15.24.0
[0113]
现行的道路交通法案规定，车辆在转弯时一般的车速不应高于40km/h，本实施例综合考虑，选取前轮转向角大于等于8
°
或者车速大于等于20km/h时，转向随动功能开启。以此得到转向随动功能的车载红外辅助驾驶系统控制流程，如图10所示。
[0114]
本发明重点研究了转向随动云台是如何跟随汽车的转向而左右摆动，因此将方向盘转向角度、前轮转向角，汽车转弯半径和车速几个物理量通过汽车转向几何原理，汽车转弯半径和车速几个物理量通过汽车转向几何原理、数据仿真分析相互结合、综合研究、准确推导出转向随动云台转角的计算方法和控制策略流程准确推导出转向随动云台转角的计算方法和控制策略流程。本发明通过定量评价车速和方向盘转角与云台转向角度之间的数学关系，可有效减小视野盲区，通过合理设置转向随动功能开启条件生成控制策略流程，实现转向随动功能自动控制。
[0115]
图11为汽车使用转向随动功能的车载红外辅助驾驶系统前后对照图，左图为使用传统车载红外辅助驾驶系统的结果示意图，右图为使用带有转向随动功能的车载红外辅助驾驶系统的结果示意图。由对照图可知，使用转向随动功能的车载红外辅助驾驶系统在转弯时，可以很容易的看清转弯盲区的人或者可以提前探测识别到转弯时车辆前方的景物目标，尤其在夜间光线能见度较差的、雨、雪、沙尘及雾霾等恶劣天气条件下，增加了行车的安全性，降低车辆的转弯视野盲区，避免因转弯无法看清前方路况而发生前方碰撞事故。
[0116]
与所述方法实施例相对应，本发明还提出一种带转向随动功能的车载红外辅助驾驶系统，其特征在于，所述系统包括加装载汽车前端的云台转向随动装置，所述转向云台转向随动装置中的云台控制器执行以下模块：
[0117]
车辆信号获取模块：获取车速信号和前轮转向角信号；
[0118]
刹车距离计算模块：通过车速信号实时计算汽车安全刹车距离；
[0119]
转向角度计算模块：根据车速信号、前轮转向角信号、汽车安全刹车距离推导云台转向角的标准计算公式；
[0120]
转向随动控制模块：通过所述云台转向角的标准计算公式进行云台转向角度控制并实现方向盘转向随动功能。
[0121]
以上方法实施例和系统实施例是对应的，系统实施例简述之处，请参阅方法实施例即可。
[0122]
本发明还公开一种电子设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线；其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以实现本发明前
述的方法。
[0123]
本发明还公开一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机实现本发明实施例所述方法的全部或部分步骤。所述存储介质包括：u盘、移动硬盘、只议存储器rom、随机存取存储器ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0124]
以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0125]
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。