CN106114501A - 一种具有多模式的基于线控转向的换道避撞控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有多模式的基于线控转向的换道避撞控制方法，旨在提高全气候和地形工况下汽车换道时的安全性。针对驾驶员视野的局限性以及大雾、雨雪等恶劣天气以及不同路面附着条件的影响，驾驶员往往不能很好的掌握目标车道内后方车辆的行驶情况而易导致碰撞事故的问题，本发明根据宿主车辆与目标车道后方车辆的相对运动状态以及换道危险程度的不同设置了预警、预警+半自动控制、预警+全自动控制三种换道避撞模式。整个系统包括信息采集层、决策层以及执行层。其中，信息采集层包括传感器模块和人工选择模块；决策层包括驾驶员转向意图识别模块和辅助控制模块；执行层包括线控转向系统以及一些人机交互接口。

Description

一种具有多模式的基于线控转向的换道避撞控制方法

说明书：

技术领域：

本发明属于汽车安全领域，涉及车辆换道主动防碰撞技术，具体涉及一种具有多模式的基于线控转向的换道避撞控制方法，用于提高汽车的行驶安全性。

技术背景：

随着电子和传感器技术的快速发展，电控系统在汽车转向系统中的运用越来越广泛深入，从电动液压助力转向系统(Electronic hydrostatic power steering,EHPS)发展到电动助力转向系统(Electronic power steering system,EPS)，再到现今的线控转向(Steer-by-wire,SBW)系统，给汽车转向系统带来的不仅是结构上的变化，更多是品质性能上的大幅跃升。与传统的EHPS相比，虽然EPS具有提高了汽车操纵稳定性，效率高、能耗少、装配性好等优点，但始终没有突破传统的机械结构桎梏，依然存在如下问题：1)由于是机械连接，当使用EPS作为换道避撞系统的执行机构时，易与驾驶员发生冲突，人机协调性不足；2)由于EPS参数匹配没有充分兼顾不同驾驶员的适应性，而且在紧急情况下定传动比转向响应慢；3)EPS只考虑一般工况，没有考虑全气候和全路面条件,因此以EPS作为换道避撞执行机构缺乏一定的智能化，这有违当下汽车发展的主流。

然而，SBW的出现却给汽车转向系统带来了一场革命，完全颠覆了传统的机械转向设计理念，取消了转向盘和转向轮的机械连接，取而代之的是电子线路控制，从而彻底摆脱了传统转向系统所固有的弊端，所以若以SBW作为换道避撞系统的执行机构，则完全不存在人机协调问题,而且SBW具有可变传动比，如遇紧急情况可快速响应。此外SBW还具有结构简单、便于维护和实现汽车的轻量化、节能等优点，同时还有利于和其他系统集成并进行统一协调与控制，提高汽车安全性和舒适性。虽然SBW取消了机械连接，但路感作为驾驶员驾驶过程中必不可少的部分，可帮助驾驶员更好的掌握当前的路面情况，为此，SBW系统专门用一个电机给驾驶员提供路感。并且伴随国家层面上对线控技术的重视以及《中国制造2025》的出台，线控转向显然已成为当今汽车转向系统的研究热点和未来汽车转向系统的发展的必然趋势，并且随着各大高校、科研院所以及相关企业大量深入的研究，线控转向技术势必会得到较为快速的发展和推广使用，市场应用前景非常可观。

换道作为车辆驾驶过程中一种常见的行为，但由于驾驶员视野的局限性以及大雾、雨雪等恶劣天气以及路面附着条件等因素的影响，驾驶员往往不能很好的了解周围道路交通环境，在换道过程中容易发生危险，给人们的生命财产安全带来潜在的威胁。与此同时，考虑到先进驾驶员辅助系统(Advanced Driver Assistance System,ADAS)虽然在很大程度上能提高行车的安全性，但在实际使用过程中也暴露出一些共性问题，其中最具挑战性的当属人机协调控制问题，并且该问题在很大程度上影响驾驶员对辅助系统的接受程度。因此，在理论分析的基础上，以线控转向系统为新的换道避撞实现平台和途径，提出一种具有多模式的基于线控转向的换道避撞控制方法，旨在降低车辆换道时存在的风险，预防交通事故的发生，切实提高换道车辆的安全性。

发明内容：

本发明目的在于提出一种具有多模式的基于线控转向的换道避撞控制方法，用于降低车辆换道风险，预防换道交通事故的发生，切实提高换道车辆的安全性。为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种具有多模式的基于线控转向的换道避撞控制方法，可根据宿主车辆与目标车道车辆的相对运动状态，综合考虑路面附着条件和天气情况，根据换道危险程度的不同而采用不同的控制模式；整个控制系统包括信息采集层、决策层以及执行层；其中信息采集层包括传感器模块和人工选择模块；决策层包括驾驶员转向意图识别模块和辅助控制模块；执行层采用线控转向系统以及触觉、听觉、视觉人机预警交互接口。

技术方案中所述的换道避撞控制方法，其传感器模块包括测速雷达、测距雷达、宿主车辆车速传感器、方向盘转角传感器，分别用于测量宿主车辆与目标车道后方车辆的距离D、目标车道后方车辆的车速V_f、宿主车辆车速V_h以及方向盘转角θ；人工选择模块可由驾驶员根据当前路面附着和天气情况选择不同的时间阈值。

技术方案中所述的换道避撞控制方法，综合考虑天气和路面附着情况，针对冰雪路面、潮湿路面、干路面设置不同的时间阈值T_i(i＝1、2、3)，由于三种路面的附着系数不同，即冰雪路面附着系数<潮湿路面附着系数<干路面附着系数，同时考虑到雨雪天气和晴天驾驶员的兴奋度不同，综合考虑后设定T₁>T₂>T₃。在车辆启动后，系统主动提示驾驶员根据当前的天气环境和路面情况进行T_i选择，若驾驶员没有选择，则恢复至默认值T₃，也就是干路面时间阈值。

技术方案中所述的具有多模式的基于线控转向的换道避撞控制方法，具体包括预警、预警+半自动控制、预警+全自动控制三种换道避撞模式。在单纯预警和预警+半自动控制模式下，驾驶员拥有对车辆的控制权，而在预警+全自动控制模式下，换道辅助系统获得对车辆的优先控制权，短暂接管车辆。

技术方案中所述的换道避撞控制方法，其决策层通过驾驶员转向意图识别模块确定驾驶员是否转向,即当检测到θ>θ₀时，认为驾驶员开始转向，其中θ₀为一个转角阈值，从而可避免因小航偏角的车道偏离对换道避撞系统的影响。

技术方案中所述的换道避撞控制方法，其信息采集层采集的信号，经决策层计算出一个时间值并将该值与设定的时间阈值T_i相比较，比较的结果结合驾驶员转向意图辨识结果作为不同控制模式的启动条件。其中，T_i设置过大会影响正常换道，增加人机冲突；T_i过小则会导致换道危险的增加，所以时间阈值T_i在保证安全的前提下，在一定范围内可由驾驶员根据自身驾驶习惯进行设定。

技术方案中单纯预警模式：当1.5T_i<t≤2T_i且驾驶员换道时启动，系统只控制蜂鸣器进行预警以提示驾驶员目标车道内后方有车，预警频率为0.8Khz，持续时间为1s；语音提示：换道请注意安全。此时仪表指示灯为绿色用以提示目标车道后方有车，但辆车的相对距离还是足够换道的，所以此时换道安全。

技术方案中预警+半自动控制模式：当T_i<t≤1.5T_i且在驾驶员换道时，启动该模式。在预警的同时，主动控制线控转向系统中的路感模拟电机提供附加阻力矩以增加转向换道时的沉重感，在一定程度上可提示驾驶员当前换道存在风险。其中，路感模拟电机提供的附加阻力矩不宜过大，应保证驾驶员能覆盖该附加阻力矩；同时也不能过小，否则无法有效通过触觉提示驾驶员当前换道环境；若驾驶员及时取消换道操作，路感模拟电机提供的附加阻力矩快速减小为0。该模式下的蜂鸣器预警频率为1Khz，持续时间为2s；语音提示：存在风险，建议取消换道。此时仪表警示灯为黄色以警示驾驶员取消换道操作，但车辆最终换道与否由驾驶员决定。

技术方案中预警+自动控制模式：当t≤T_i且检测到驾驶员有换道意图时，启动该模式；转向车轮回正并锁死方向盘以屏蔽驾驶员转向输入；同时预警频率为1.5khz，持续时间为3s；语音提示：危险，禁止换道。仪表警示灯为红色表明此时已经不存在换道允许条件，所以严禁换道。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.根据宿主车辆与目标车道后方车辆的相对运动状态来划分换道危险程度，并根据危险程度的不同设置了预警、预警+半自动控制、预警+全自动控制三种换道避撞模式，多模式的设计提高了控制方法的针对性以及实用性。

2.将天气和路面附着情况纳入避撞系统的设计，在综合考虑天气和路面附着条件情况下，着重针对冰雪路面、潮湿路面、干路面设置不同的时间阈值T_i(i＝1、2、3)，其中T₁>T₂>T₃，在车辆启动后，系统主动提示驾驶员根据当前的天气环境和路面情况进行T_i选择，若驾驶员没有选择，则恢复至默认值T₃，也就是干路面时间阈值。这很大程度上提高了车辆避撞系统智能化程度，同时也使系统更加完善、性能更加可靠，更符合人性化的设计初衷。

3.对驾驶员转向操作进行辨识，即当检测到θ>θ₀时，认为驾驶员开始转向，其中θ₀为一个转角阈值，从而可避免因小航偏角的车道偏离对换道避撞系统的影响。

4.采用了多重预警方式，视觉(警示灯)、听觉(蜂鸣器)、触觉(附加方向盘力矩)，其中蜂鸣器预警分为提示预警和危险预警，有效提高了预警的可靠性。

5.基于不同的控制模式，蜂鸣器的预警频率与持续时间、语音提示的内容、警示灯的颜色也是有所不同的，有利于驾驶员对换道环境的识别并指导驾驶员采取安全有效的操作。

6.以线控转向系统为执行机构，由于没有了机械连接，所以相比于EHPS以及EPS等机械式结构，可以降低人机冲突，提高人机控制的协调性，提高用户的接受度。

7.整个换道避撞系统中没有用摄像头,降低了整套系统的复杂程度，节约成本，便于在中、低档轿车中推广使用。

附图说明：

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是所提出的控制系统组成示意图；

图2是车辆换道示意图；

图3是路感电机力矩施加示意图；

图4是系统控制流程图；

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的描述。

参阅图1和图2，整个控制系统包括信息采集层、决策层以及执行层；其中信息采集层包括传感器模块和人工选择模块；决策层包括驾驶员转向意图识别模块和辅助控制模块；执行层采用线控转向系统以及触觉、听觉、视觉人机预警交互接口。传感器模块包括测速雷达、测距雷达、宿主车辆车速传感器、方向盘转角传感器，分别用于测量宿主车辆与目标车道后方车辆的距离D、目标车道后方车辆的车速V_f；、宿主车辆车速V_h以及方向盘转角θ；人工选择模块可由驾驶员根据当前路面附着和天气情况选择不同的时间阈值T_i(i＝1、2、3)，分别对应冰雪路面、潮湿路面、干路面。

决策层首先要对驾驶员转向操作进行辨识，即当方向盘转角传感器检测到θ>θ₀时，可认为驾驶员开始转向，其中θ₀为一个转角阈值，从而可避免因小航偏角的车道偏离对换道避撞系统的影响。

换道时可认为宿主车辆的纵向速度V_h不变并且忽略宿主车辆换道对目标车道车辆V_f的影响，故可认为V_f不变，考虑到换道时车辆的横向速度相比于纵向速度很小，可忽略V_L；所以可由决策模块计算得到然后通过t与时间阈值T_i比较启动不同的控制模式。多模式具体包括预警、预警+半自动控制、预警+全自动控制三种换道避撞模式。在单纯预警和预警+半自动控制模式下，驾驶员拥有对车辆的控制权，而在预警+全自动控制模式下，辅助系统获得对车辆的优先控制权，短暂地接管车辆。

参阅图3和图4，在车辆启动后，系统提醒驾驶员进行T_i选择，如未选择，系统默认为干路面时间阈值T₃。当1.5T_i<t≤2T_i且驾驶员换道时，单纯预警模式启动。系统只控制蜂鸣器进行预警以提示驾驶员目标车道内后方有车，预警频率为0.8Khz，持续时间为1s，语音提示：换道请注意安全。仪表警示灯为绿色表示目标车道后方虽然有来车，但距离还是足够换道的，所以此时换道安全。

当T_i<t≤1.5T_i且在驾驶员换道时，预警+半自动控制模式启动。正常行驶时，路感电机只提供回正力矩给驾驶员以便驾驶员更好的掌握当前行驶的道路情况；而在该模式下，路感电机不仅要提供必要的回正力矩，还要提供附加阻力矩增加换道转向的沉重感以提示驾驶员当前换道存在风险。其中，路感电机提供的附加阻力矩不宜过大，应保证驾驶员能覆盖该附加阻力矩；同时也不能过小，否则无法有效通过触觉提示驾驶员当前换道环境。该模式下的蜂鸣器预警频率为1Khz，持续时间为2s；语音提示：存在风险，建议取消换道。仪表警示灯为黄色表示换道存在风险，建议驾驶员取消换道操作，但车辆最终换道与否由驾驶员决定。

当t≤T_i且检测到驾驶员有换道意图时，预警+自动控制模式启动。立即控制车轮回正并锁死方向盘以屏蔽驾驶员转向输入；同时预警频率为1.5khz，持续时间为3s；语音提示：危险，禁止换道。仪表警示灯为红色表明此时已经不存在换道允许条件，所以严禁换道。

Claims (9)

1.一种具有多模式的基于线控转向的换道避撞控制方法，其特征在于根据宿主车辆与目标车道车辆的相对运动状态，综合考虑路面附着和天气情况，根据不同的换道危险程度采用不同的控制模式；整个控制系统包括信息采集层、决策层以及执行层；其中信息采集层包括传感器模块和人工选择模块；决策层包括驾驶员转向意图识别模块和辅助控制模块；执行层包括线控转向系统以及蜂鸣器、语音提示和力感反馈等多重人机预警交互接口。

2.如权利要求1所述的一种具有多模式的基于线控转向的换道避撞控制方法，其特征在于整个系统是基于线控转向实现，由于取消了转向盘到转向轮的机械连接结构，所以不存在控制过程中转向执行机构干预驾驶员转向的问题。

3.如权利要求1所述的一种具有多模式的基于线控转向的换道避撞控制方法，其特征在于传感器模块包括测速雷达、测距雷达、宿主车辆车速传感器、方向盘转角传感器，分别用于测量宿主车辆与目标车道后方车辆的距离D、目标车道后方车辆的车速V_f、宿主车辆车速V_h以及方向盘转角θ；人工选择模块可由驾驶员根据当前路面附着和天气情况选择不同的时间阈值。

4.如权利要求1所述的一种具有多模式的基于线控转向的换道避撞控制方法，其特征在于综合考虑天气和路面附着情况，针对冰雪路面、潮湿路面、干路面设置不同的时间阈值T_i(i＝1、2、3)，其中T₁>T₂>T₃；在车辆启动后，系统主动提示驾驶员根据当前的天气环境和路面情况进行T_i选择设置，若驾驶员未选择，则恢复至默认的干路面时间阈值T₃。

5.如权利要求4所述，T_i设置过大会影响正常换道，增加人机冲突；T_i过小则会导致换道危险的增加，所以时间阈值T_i在保证安全的前提下，在一定阈值范围内可由驾驶员根据自身驾驶习惯进行设定。

6.如权利要求1所述的一种具有多模式的基于线控转向的换道避撞控制方法，其特征在于决策层通过驾驶员转向意图识别模块确定驾驶员是否转向,即当转角传感器检测到θ>θ₀时，认为驾驶员开始转向，其中θ₀为转角阈值，从而可避免因小航偏角的车道偏离对换道避撞系统的影响。

7.如权利要求1所述的一种具有多模式的基于线控转向的换道避撞控制方法，其特征在于决策层的辅助模块包括预警、预警+半自动控制、预警+全自动控制三种换道避撞模式可供选择；其中，在单纯预警和预警+半自动控制模式下，驾驶员拥有对车辆的优先控制权，而在预警+全自动控制模式下，换道辅助系统获得对车辆的优先控制权，短暂地接管车辆。

8.如权利要求1所述的一种具有多模式的基于线控转向的换道避撞控制方法，其特征在于当信息采集层采集到相关信息后，由决策模层根据特定程序计算出时间值并与设定的时间阈值T_i相比较：

1)当1.5T_i<t≤2T_i且驾驶员换道时启动预警模式，系统只控制蜂鸣器进行预警以提示驾驶员目标车道内后方有车，预警频率为0.8Khz，持续时间为1s，语音提示：换道请注意安全；仪表警示灯为绿色；

2)当T_i<t≤1.5T_i且在驾驶员换道时，启动预警+半自动控制模式；在预警的同时，决策层控制线控转向系统中的路感模拟电机提供附加阻力矩增加转向的沉重感，在一定程度上提示驾驶员当前换道环境；该附加阻力矩不宜过大，应保证驾驶员能覆盖该附加阻力矩；同时也不能过小，否则无法有效通过触觉提示驾驶员当前换道环境；若驾驶员及时取消换道操作，路感模拟电机提供的附加阻力矩快速减小为0；同时蜂鸣器预警频率为1Khz，持续时间为2s；语音提示：存在风险，建议取消换道；仪表警示灯为黄色；

3)当t≤T_i且检测到驾驶员有换道意图时，启动预警+自动控制模式；系统控制转向车轮立即回正并且锁死方向盘以屏蔽驾驶员转向输入；同时预警频率为1.5khz，持续时间为3s；语音提示：危险，禁止换道；仪表警示灯为红色。

9.如权利要求1所述的一种具有多模式的基于线控转向的换道避撞控制方法，其特征在于整个系统中没有摄像头的使用，降低了系统的复杂度，节约了成本，便于在中、低档乘用车上推广使用。