巷道紧急制动场景基于感知融合控制决策方法

本发明涉及井工矿场景下智能驾驶，具体涉及一种巷道紧急制动场景基于感知融合控制决策方法。

背景技术：

1、目前煤炭矿山作业面中井工矿场景安全行驶是井下作业车用户的重要需求。在井工矿场景下行驶过程中，追尾是造成车辆事故的主要因素。尤其井下巷道内受巷道内环境及可见度低等情况场景下，绝大部分的车辆事故是由追尾造成，而且往往是多车连环碰撞，伤亡和损失严重。造成的原因，往往是跟车太近，或驾驶员不能掌握更多观测信息。

2、尽管现有技术试图解决这一问题，如井下作业车辆加装了辅助驾驶系统前车碰撞报警(fcw)和紧急制动辅助(aeb)，但受物理因素限制，系统反应不及时，这些技术往往还是无法避免追尾事故的发生。譬如，一个典型的场景是，井工矿场景下本车sv跟随紧邻前车tv2行驶，tv2跟随其前方的车辆tv1行驶，以此类推。如果最前方车辆tv1因突发情况发生紧急制动，紧邻前车tv2随后也可能发生紧急制动，本车sv要等到紧邻前车tv2出现紧急制动一定时间后，驾驶员或驾驶辅助系统才能觉察并开始作出判断和反应。如果，sv-tv2-tv1之间的车距比较近，井工矿场景下本车sv即使配备带有aeb功能的辅助驾驶系统，也可能无法避免与tv2的追尾碰撞。井下巷道内连环追尾事故，大多是出于这样的场景。

3、在井工矿场的井下巷道中，驾驶辅助系统被视为解决井下作业车辆安全问题的典型系统，同时也是实现自动驾驶的技术基础。然而，尽管驾驶辅助系统已经在井工矿场景下应用多年，但其技术仍未成熟，其功能和性能严重依赖于感知能力。特别是在某些特殊危险场景下，驾驶辅助无法有效实现避撞功能。通过将v2x技术与车辆系统融合，可以将巷道路侧感知信息与作业车辆系统进行整合，从而突破系统在某些高风险场景中面临的感知和决策算法的技术瓶颈，开发出功能更加全面且性能更强大的驾驶辅助系统。

4、目前，现有的高级辅助驾驶系统技术主要依赖于车载感知设备，然而在特定的危险场景下，由于环境感知范围和能力的局限，这些系统无法发挥作用。在井下巷道交叉路口汇入车辆视野被遮挡、前车被遮挡或指示灯被遮挡的情况下，传统基于车载感知的井工矿场景下驾驶辅助系统面临局限性。这些场景中，由于物理条件的制约，车载感知设备无法在突发情况下有效地实现避撞功能。因此，为了解决这些问题，本领域需要一种更为可靠和高效的解决方案。该方案应该能够克服传统驾驶辅助系统在井下巷道中的局限性，并提供及时有效的安全保护。

5、井工矿场的井下巷道内环境对车辆行驶安全提出了严峻挑战。传统的驾驶辅助系统在特定场景下，如井下巷道交叉口、视野被遮挡和指示灯不可见等情况下，面临着环境感知能力不足的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于井工矿场景下通过车载传感和v2x技术(v2v或v2i)的融合感知，获得本车对环境的透视感知和提前感知能力，预测跟随的紧邻前车tv2的行为，从而使本车提前作出判断和反应，最大限度到达避免与前车碰撞的目的。本发明提供了该井工矿场景下的紧邻前车tv2行为的预测、判断和控制决策技术。

2、鉴于上述问题，根据本发明的实施方式提供了一种巷道紧急制动场景基于感知融合控制决策方法，通过应用井工矿场景下v2x技术，实现了车载感知与巷道路侧感知技术的融合，旨在解决井工矿场井下巷道中前车视线遮挡的问题。通过v2x技术，我们可以获取更可靠、更精确的环境感知信息，从而克服传统井工矿场景下车载感知系统无法解决的难题。具体而言，通过根据本发明的实施方式提供的技术方案，既可以实现井工矿场景下传统驾驶辅助系统无法达到的功能，也可以提高井工矿场景下传统驾驶辅助系统的性能和可靠性。在井下巷道的特殊场景中，前车视线遮挡情况对行车安全至关重要，而本技术通过融合车载感知和巷道路侧感知，提供了有效的解决方案。通过根据本发明的实施方式提供的技术方案，车辆可以准确地感知到前方障碍物，从而及时采取避撞措施，确保行车安全。通过应用根据本发明的实施方式提供的技术方案，将为井工矿场中的车辆行驶提供更加可靠和高效的辅助系统，为行业的发展和工作人员的安全保驾护航。

3、如图1所示，道路上有至少三辆车在同一巷道内行驶，本车为sv。本车sv跟随其紧邻前车tv2行驶，而该紧邻前车tv2跟随前方其他车辆tv1。三辆车的行驶距离较近。

4、井工矿场景下本车sv上配备带紧急制动功能驾驶辅助系统，但tv1车辆的视线被tv2遮挡。如果tv1因突发情况发生紧急制动，tv2会随后跟随紧急制动，sv可能会因为对tv2的紧急制动反应不及发生追尾。如果sv能提前感知到tv1的制动状态等行车信息，就可以提前做出判断，提前采取必要的控制措施，如提前报警、提前减速，提前紧急制动，避免与tv2发生碰撞。

5、井工矿场景下本车sv配置感知设备，如视觉摄像头和毫米波雷达，识别前方目标(车辆)和位置，以及前方目标的距离，行驶速度(和加速度)。

6、井工矿场景下本车sv配置obu设备(v2x车载信息通讯设备)，用于与紧邻前车tv2实现v2v实时通讯和信息交互，或与巷道路侧rsu设备实现v2i的实时通讯和信息交互。

7、井工矿场景下前方被遮挡车辆tv1配备obu设备，实现与本车sv的v2v实时通讯和信息交互，可以将其行驶速度，制动状态和加速度等信息实时传送到车辆sv。或有巷道路侧感知设备和实现v2i通讯的rsu设备。巷道路侧感知可以实时监测和识别路上的车辆，以及其位置和状态信息(如行驶速度和加速度等)。井工矿场景下车辆sv实现与巷道路侧端的rsu实现v2i的实时通讯和信息交互，实时将tv1的信息发送到车辆sv。

8、根据本发明的实施方式提供了一种巷道紧急制动场景基于感知融合控制决策方法，包括以下步骤：

9、步骤s0，在井工矿场景下，通过本车sv的车载传感器，以及车载信息通讯设备obu进行车辆对外界的信息交换v2x，获得井工矿场景下本车sv，紧邻本车sv前方的紧邻前车tv2，和在该紧邻前车tv2前面的前方被遮挡车辆tv1各自在t＝0的初始时刻的初始速度v0,v02,v01，以及获得sv与tv2之间在t＝0的初始时刻的初始车距d002、tv2与tv1之间在t＝0的初始时刻的初始车距d012，以及根据先验数据库设定在紧急制动情况下本车sv的驾驶员最短反应时间tdd,在紧急制动情况下本车sv的制动系统反应滞后时间tbd，在紧急制动情况下紧邻前车tv2的驾驶员的最短反应时间tdd,在紧急制动情况下紧邻前车tv2的制动系统反应滞后时间tbd2；

10、步骤s1，通过车载信息通讯设备obu进行车辆对外界的信息交换v2x，获得前方被遮挡车辆tv1的减速信息，对紧邻前车tv2的反应行为进行预测；

11、步骤s2，通过车载信息通讯设备obu进行车辆对外界的信息交换v2x，获得紧邻前车tv2的减速信息，对本车sv与紧邻前车tv2之间的相对车距进行预测；

12、步骤s3：基于以上步骤的结果，收到前方被遮挡车辆减速信号的情况下，确定控制决策，输出控制信号。

13、在可选的实施方式中，所述步骤s1具体包括以下步骤：

14、步骤s1.1，通过车载信息通讯设备obu进行车辆对外界的信息交换v2x，获得tv1的减速信息为在时刻t的加速度a1，基于此获得前方被遮挡车辆tv1的运动状态，

15、tv1在时刻t的瞬时速度：

16、v1＝v01+a1×t   (1)

17、tv1从初始时刻到时刻t的行驶距离：

18、

19、其中，tv1从初始速度v01减速至静止时，所需的时间且

20、从式(2)中得到，tv1从初始时刻的初始速度v01减至静止所行驶的距离为

21、

22、步骤s1.2，获得紧邻前车tv2的运动状态，

23、设定tv2在时刻t的加速度为a2，由此可得tv2在时刻t的瞬时速度：

24、v2＝v02+a2×(t-tdd2-tbd2)   (3)

25、tv2从初始时刻到时刻t的行驶距离：

26、

27、其中，tv2从初始速度v02减速至静止时，所需的时间且

28、根据式(4)得到，tv2从初始时刻的初始速度v02到减速至静止时，行驶的距离为

29、

30、步骤s1.3，获得tv2与tv1之间在某一时刻t的瞬时相对车距，并预测车辆tv2应该采取的最小预期加速度，

31、tv2与tv1之间在某一时刻t的瞬时相对车距：

32、d12＝d012+d1-d2   (5)

33、为避免tv2与tv1碰撞的条件是，当tv2制动停止时，在该时刻tv2与tv1之间的瞬时相对车距，d12≥0，即，d012+d1stop-d2stop≥0，

34、基于此，通过以上获得的d012和d1stop，得到满足d2stop＝d012+d1stop时的最大d2stop，代入式(4)得到满足该避免tv2与tv1碰撞的条件的tv2应该采取的最小预期加速度a2exp。

35、在可选的实施方式中，所述步骤s2具体包括以下步骤：

36、步骤s2.1，通过车载信息通讯设备obu进行车辆对外界的信息交换v2x，获得紧邻前车tv2的减速信息为，tv2从初始时刻起以加速度a2detect行驶，基于此获得从初始时刻到时刻t，tv2的运动状态,其中tv2的驾驶员反应时间tdd2和制动系统反应滞后时间tbd2之和为tv2的反应总时间(tdd2+tbd2)，

37、当t<(tdd2+tbd2)时，tv2的速度：

38、v2＝v02+a2detect×t   (6)

39、tv2从初始时刻到该时刻t所行驶的距离：

40、

41、当t＝(tdd2+tbd2)时，tv2的速度:

42、v02r＝v02+a2detect×(tdd2+tbd2)   (8)

43、当t>(tdd2+tdd2)时，tv2的行驶时间到达反应总时间之后以从步骤s1获得的最小预期加速度a2exp行驶，得到tv2行驶时间超过tv2的反应总时间后的时刻t的瞬时速度:

44、v2＝v02r+a2exp×(t-tdd2-tbd2)   (9)

45、tv2从初始时刻到时刻t的行驶距离：d2＝d2j+d2f其中，

46、

47、其中，d2表示tv2从初始时刻到时刻t所行驶的距离，d2j表示tv2在从初始时刻到tv2的反应总时间时的行驶距离，d2f表示tv2从其反应总时间开始到时刻t时的行驶距离，

48、其中，在步骤s1获得的最小预期加速度的绝对值|a2exp|小于检测到的加速度绝对值|a2dttect|的情况下，以式(11)中的加速度使用检测到的加速度a2detect，在最小预期加速度的绝对值|a2exp|大于检测到的加速度绝对值|a2detect|的情况下，加速度使用最小预期加速度a2exp，即在计算中设定a2exp＝min(a2detect，a2exp),距离d2f以v2＝0时为终点，即，tv2停止为止，也即t＝t2stop，

49、步骤s2.2,获得本车sv从初始时刻开始到时刻t，sv的运动状态如下，sv在时刻t的瞬时速度：

50、v＝v0+a×(t-tdd-tbd)   (12)

51、其中，a表示sv在t时刻的加速度；

52、sv从初始时刻到时刻t的行驶距离：

53、

54、步骤s2.3,基于以上步骤获得的tv2的行驶距离和sv的行驶距离，得到sv与tv2之间的相对车距：

55、d02＝d002+d2-d   (15)。

56、在可选的实施方式中，所述步骤s3具体包括以下步骤：

57、步骤s3.1，紧急制动控制，在收到紧邻前车tv2或前方被遮挡车辆tv1发出减速信号后，判断sv是否需要启动aeb制动，

58、sv从初始速度到速度减至停止所需的时间:

59、

60、sv从初始时刻到时刻t＝tstop时所行驶的距离为

61、

62、sv减速至停止时刻与tv2之间的相对距离为，d02＝d002+d2-d，

63、触发aeb的判断条件：sv与tv2不发生碰撞的条件是，当sv减速到停止时，d02>0，则d<d002+d2，

64、当d02＝0,为sv与tv2碰撞发生点，此时d＝d002+d2，代入式(17)中，得到sv的避碰最小加速度绝对值|amin|，且设定aaeb为紧急制动加速度阈值，

65、如果|amin|>aaeb,触发sv紧急制动功能，启动aeb制动，发出紧急制动信号作为控制信号，

66、如果|amin|≤aaeb，执行步骤s3.2；

67、步骤s3.2，判断sv是否进行温和减速制动，

68、设定sv的温和减速阈值amild，得到sv与tv2之间温和减速制动触发距离：

69、d002-mild＝dstop-d2stop+dpre2   (20)

70、其中，dstop为sv从初始时刻以预设的温和减速阈值amild减速至停止时行驶的距离，dpre2为预设的距离常值，

71、结合sv与tv2之间在初始时刻的初始车距d002进行温和减速制动判断：

72、当d002>d002-mild的情况，发出温和制动信号作为控制信号，启动温和减速制动，sv以预设的温和减速阈值amild进行减速，

73、当d002≤d002-mild的情况，执行步骤s3.3；

74、步骤s3.3,确定sv与tv2之间在初始时刻的预警距离，并判断是否触发预警，从而对驾驶员报警，

75、本车sv与紧邻前车tv2之间的预警距离d002-alert的计算方式如下，

76、sv与tv2之间在初始时刻的预警距离设定为：

77、d002-alert＝dstop-d2stop+dpre1   (23)

78、其中，dpre1为预设的提前预警距离常值，

79、确定预警触发条件，当判断符合以下预警触发条件之一时，sv的系统启动预警，发出预警信号作为控制信号，对驾驶员报警，否则发出温和制动信号作为控制信号，按照预设的温和减速阈值amild减速：

80、预警触发条件1：d002小于d002-alert，

81、预警触发条件2：tv1与tv2之间的初始相对车距d012小于预先设定的tv1与tv2之间的预警距离d012-alert。

82、根据本发明的实施方式提供的巷道紧急制动场景基于感知融合控制决策方法，通过井工矿场景下单车感知作业车辆与巷道路侧感知技术的融合，该方案至少包括以下优点。能够通过互联车辆和基础设施之间的通信，获取精确可靠的环境感知信息。相比传统驾驶辅助系统，这种技术在井下巷道环境中能够更好地应对各种复杂、遮挡等情况，并在紧急情况下提供更准确的避撞功能。

83、通过应用根据本发明的实施方式提供的巷道紧急制动场景基于感知融合控制决策方法，可以大大提高井下巷道车辆行驶安全性，有效减少事故风险。此外，还能够提升整体巷道运输效率，并为工作人员提供更安全、可靠的工作环境。这一技术的应用将为井工矿场的车辆行驶带来革命性的变化，推动行业的发展和持续进步。

84、根据本发明的实施方式提供的巷道紧急制动场景基于感知融合控制决策方法将井工矿场景下v2x技术与驾驶辅助系统结合起来，充分发挥两者的优势，并开发出更为可靠的驾驶辅助系统功能决策和控制算法技术。通过对v2x与车载感知的深度融合，可以解决传统井工矿场景下驾驶辅助系统无法解决的关键危险场景问题。提供更强大、更可靠的环境感知能力，从而提升井下巷道车辆的安全性。通过在技术上不断突破，并实现商业化应用的落地，可以为井工矿场景下的车辆行驶安全带来革命性的变革。这不仅将改善工作人员的工作环境，还能提高整体巷道运输效率。