《智能駕駛系統(tǒng)設(shè)計與實踐》 課件 第五章 主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)設(shè)計與實踐

智能駕駛系統(tǒng)設(shè)計與實踐第五章主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)設(shè)計與實踐5.1主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)5.2主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)算法及仿真5.3智能小車主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)實踐5.1主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)汽車主動避撞系統(tǒng)一般通過獲取前方道路交通環(huán)境信息，同時結(jié)合本車動態(tài)參數(shù)與駕駛員操作行為（轉(zhuǎn)向盤、制動踏板、加速踏板等）判斷碰撞危險等級，并參考駕駛者避撞意圖，提前發(fā)出功能提示或預(yù)警信息甚至在必要時輔助系統(tǒng)會主動介入操作，控制車輛自動避免碰撞以保證車輛安全。主動避撞系統(tǒng)主要分為縱向制動避撞、橫向轉(zhuǎn)向避撞和智能避撞，本章節(jié)主要介紹橫向轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)。橫向轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)是對縱向制動避撞系統(tǒng)的一種補充，主要針對在高速行駛的狀況下進(jìn)行有效的避撞5.1.1主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)組成汽車主動避撞系統(tǒng)通常由行駛環(huán)境識別、安全狀態(tài)判斷和避撞系統(tǒng)控制三大部分組成。其主要工作流程是系統(tǒng)感知識別行駛環(huán)境后，基于制動過程分析計算安全距離，比較當(dāng)前距離和安全距離模型的計算值來判斷制動能否避免碰撞，如果制動無法避免碰撞，則進(jìn)行轉(zhuǎn)向路徑規(guī)劃，如果能夠成功規(guī)劃出換道軌跡則采取轉(zhuǎn)向避撞策略控制，若規(guī)劃不成功則繼續(xù)采取制動策略控制，以降低碰撞時的速度減輕傷害。行駛環(huán)境識別主要有三種技術(shù)方案：一種是借助現(xiàn)有的硬件產(chǎn)品技術(shù)來實現(xiàn)周邊環(huán)境的感知和障礙物的識別、測距等功能，如激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)等；第二種是引入人工智能技術(shù)，通過“攝像頭+算法”的方式對周圍的環(huán)境信息進(jìn)行圖像的識別和處理；第三種是采用雷達(dá)、攝像頭等多種傳感器的融合技術(shù)。相對于激光雷達(dá)高昂的成本，攝像頭較差的夜間適應(yīng)性，毫米波車載雷達(dá)系統(tǒng)憑借合理的價格，良好的環(huán)境適應(yīng)性（溫度、光照、天氣等）和高分辨率等一系列優(yōu)點，成為主動避撞系統(tǒng)的首選。5.1主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)5.1.1主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)組成車輛安全狀態(tài)的判斷決策是汽車主動避撞系統(tǒng)能否發(fā)揮主要功能的關(guān)鍵，主要通過基于車輛之間縱向距離的安全距離模型對車輛安全狀態(tài)進(jìn)行判斷。安全距離模型主要有基于制動過程運動學(xué)分析的安全距離模型、考慮舒適性的安全距離模型、基于車頭時距的安全距離模型以及駕駛員預(yù)瞄安全距離模型等。執(zhí)行控制部分的預(yù)警可通過相應(yīng)報警方式的執(zhí)行器實現(xiàn)，而轉(zhuǎn)向輔助和自動緊急轉(zhuǎn)向需要系統(tǒng)高效、準(zhǔn)確的控制執(zhí)行方案進(jìn)行主動轉(zhuǎn)向，同時還需要控制整車的動力輸入，保證良好的轉(zhuǎn)向效果。橫向轉(zhuǎn)向避讓主要通過控制汽車橫向運動實現(xiàn)避障。目前發(fā)展中的自動緊急轉(zhuǎn)向AES系統(tǒng)是利用雷達(dá)、視覺等傳感器監(jiān)測前方障礙物等環(huán)境信息，在制動措施不能完全避免碰撞時，單獨或組合使用轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)、車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ElectronicStabilityController，ESC）或者后輪主動轉(zhuǎn)向機構(gòu)產(chǎn)生橫擺力矩，通過控制車輛橫向運動軌跡來避免碰撞的一項主動安全技術(shù)，其中ESC僅作用在內(nèi)側(cè)車輪以增加旋轉(zhuǎn)力矩，而不作為制動器使用。該系統(tǒng)的關(guān)鍵難點在于合理地協(xié)調(diào)雷達(dá)傳感器、底盤電控系統(tǒng)以及主動轉(zhuǎn)向機構(gòu)的工作職能。5.1主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)5.1.1主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)組成自動緊急轉(zhuǎn)向可分為ESA（緊急轉(zhuǎn)向輔助）和AES（自動緊急轉(zhuǎn)向）。而ESA和AES的區(qū)別就在于是否需要駕駛員介入轉(zhuǎn)向作為功能觸發(fā)條件：ESA需要駕駛員介入觸發(fā)，AES不需要駕駛員介入觸發(fā)。AES漸進(jìn)式的技術(shù)路線如圖5-2所示。5.1主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)5.1.1主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)組成第1級為車道內(nèi)的輔助轉(zhuǎn)向避撞，僅控制車輛在車道內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)向避讓，而不控制車輛進(jìn)行變道避撞。因此其應(yīng)用場景極為有限，主要針對本車道內(nèi)有小型障礙物及行人的情況，進(jìn)行輕微的轉(zhuǎn)向避讓。且其觸發(fā)條件包括駕駛員試圖操控轉(zhuǎn)向盤進(jìn)行避讓，也就是說系統(tǒng)并沒有真正替代駕駛員控制轉(zhuǎn)向，系統(tǒng)的觸發(fā)開關(guān)仍然掌握在駕駛員手上。第2級為車道內(nèi)的自動轉(zhuǎn)向避讓，它取消了“駕駛員試圖操控轉(zhuǎn)向盤進(jìn)行避讓”這一觸發(fā)條件，只要系統(tǒng)判斷需要進(jìn)行車道內(nèi)的轉(zhuǎn)向避讓，就會直接接管轉(zhuǎn)向盤，轉(zhuǎn)向避讓前方障礙物。第3級為可以變道的輔助轉(zhuǎn)向避讓，其取消了不允許變道的限制條件，當(dāng)系統(tǒng)判斷需要變道才能避讓前方障礙物，且目標(biāo)車道內(nèi)無風(fēng)險時即可輔助駕駛進(jìn)行變道避讓，其觸發(fā)條件包括駕駛員試圖操控轉(zhuǎn)向盤進(jìn)行避讓。第4級為可以變道的自動轉(zhuǎn)向避讓，該級別的AES不僅可以直接控制車輛變道，還不需要駕駛員的轉(zhuǎn)向操控作為其觸發(fā)條件，特殊場景下接管了轉(zhuǎn)向盤控制權(quán)的主動安全功能。5.1主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)5.1.2設(shè)計要求1）在安全行駛條件下，作為輔助駕駛功能，控制車輛行駛減少駕駛員勞動強度。2）在危險行駛條件下，輔助駕駛員操作或者自動控制車輛安全避撞，提高車輛主動安全性。3）涉及到駕乘安全，主動轉(zhuǎn)向避障系統(tǒng)必須要有很高的實時性，即控制器的響應(yīng)必須與實際物理過程一致。4）整個系統(tǒng)還要滿足通用的功能要求、診斷要求、經(jīng)濟性要求和組織要求。5.1主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)5.1.3功能要求為滿足行車安全性和道路通行效率兩個方面的實際要求，主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：（1）安全狀態(tài)判斷

主動避撞系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崟r對車輛的行駛狀態(tài)信息和車輛外界環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)測，并且能對當(dāng)前道路工況條件下車輛的行駛安全狀態(tài)做出準(zhǔn)確的判斷。（2）碰撞預(yù)警功能

在駕駛員分心、疲勞等情況沒有意識到前面的車輛減速、停車或突然出現(xiàn)的車輛時，系統(tǒng)應(yīng)能及時向駕駛員提供報警信息，提醒駕駛員注意及時規(guī)避危險，采取車輛避撞措施。（3）緊急轉(zhuǎn)向輔助功能

在相對速度較高、路面附著系數(shù)低、與障礙物低重疊率等條件下，駕駛員注意到可能發(fā)生的危險，并采用轉(zhuǎn)向操作時，若主動避撞系統(tǒng)判斷當(dāng)前道路工況條件下仍然存在碰撞可能，駕駛員施加的轉(zhuǎn)向力度不足以規(guī)避危險，系統(tǒng)應(yīng)輔助駕駛員轉(zhuǎn)向，從而確保提供足夠大小的、保證車輛安全的轉(zhuǎn)向。（4）自動緊急轉(zhuǎn)向功能

若駕駛員未對危險情況做出反應(yīng)，并未及時采取任何制動措施，系統(tǒng)應(yīng)能主動接管車輛，主動施加制動力控制車輛的運動狀態(tài)，使車輛主動避開危險。5.1主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)5.2主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)算法及仿真主動轉(zhuǎn)向避障系統(tǒng)通過獲取傳感器感知的環(huán)境特征級信息（如前方障礙物運動狀態(tài)、車道線標(biāo)識等），分析本車與交通參與者或者障礙物的相對運動關(guān)系從而判斷車輛是否存在碰撞安全隱患。若存在碰撞危險，在符合駕駛員避讓意圖的前提下根據(jù)控制策略激活系統(tǒng)，在極短時間內(nèi)規(guī)劃出一條滿足安全性與高效性的轉(zhuǎn)向避障路徑，并控制車輛按照預(yù)設(shè)路徑完成轉(zhuǎn)向避讓過程。因此設(shè)計安全高效的轉(zhuǎn)向避障規(guī)劃與決策算法是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)。主動轉(zhuǎn)向避撞控制系統(tǒng)主要是通過輔助駕駛員或者直接控制車輛跟蹤虛擬的參考轉(zhuǎn)向路徑進(jìn)行側(cè)向運動，并保證一定的行車舒適性和穩(wěn)定性要求。避撞控制系統(tǒng)需在保持車輛穩(wěn)定性和安全性的前提下，根據(jù)前方交通參與者或者障礙物的狀態(tài)信息及行車環(huán)境，判斷當(dāng)前車距是否安全，規(guī)劃出換道路徑，通過設(shè)計轉(zhuǎn)向控制器控制車輛執(zhí)行緊急換道動作，以實現(xiàn)期望的避障目的。轉(zhuǎn)向換道避撞系統(tǒng)需要從車輛轉(zhuǎn)向的運動學(xué)動力學(xué)模型、換道最小安全距離模型和轉(zhuǎn)向避撞控制器三個方面進(jìn)行設(shè)計。5.2主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)算法及仿真5.2.1車輛轉(zhuǎn)向的運動學(xué)模型在高速行駛條件下，將每個車輪的速度方向認(rèn)為是車輪方向的假設(shè)不再成立。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖5-4所示。駕駛員在轉(zhuǎn)向盤上施加的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)向角，使轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)換為直線運動。轉(zhuǎn)向器產(chǎn)生的橫向直線運動由轉(zhuǎn)向桿系傳至左、右車輪的轉(zhuǎn)向節(jié)臂。車輛轉(zhuǎn)向時，為獲得左右不等的轉(zhuǎn)向角，轉(zhuǎn)向桿系構(gòu)成的幾何形狀通常設(shè)計成不等邊四邊形，被稱做“轉(zhuǎn)向梯形”。通過轉(zhuǎn)向梯形使兩側(cè)轉(zhuǎn)向輪繞主銷轉(zhuǎn)動，以實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向的目的。5.2主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)算法及仿真5.2.1車輛轉(zhuǎn)向的運動學(xué)模型

5.2主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)算法及仿真5.2.1車輛轉(zhuǎn)向的運動學(xué)模型車輛轉(zhuǎn)向行駛時，若滿足式（5-1）表示的條件，車輪才作純滾動。但實際中，車輛轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)很難在整個轉(zhuǎn)向范圍內(nèi)均滿足該條件，通常只是近似地滿足。當(dāng)內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角差別不大時，可近似認(rèn)為兩者相等，此時的轉(zhuǎn)向梯形為平行幾何關(guān)系。符合阿克曼幾何關(guān)系和平行幾何關(guān)系的內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系理論曲線如圖5-7所示。由圖可見，平行幾何關(guān)系為45°直線，由于轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)通常不能完全滿足阿克曼幾何關(guān)系，因而實際的內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線通常在兩條幾何關(guān)系線之間變化。車輪定位參數(shù)對車輛的操縱穩(wěn)定性、直線行駛能力以及輪胎磨損等方面都有顯著影響。主銷后傾角和主銷內(nèi)傾角的作用主要是使車輪能自動回正，從而保證車輛直線行駛穩(wěn)定性。而車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角和車輪前束則主要影響輪胎側(cè)向偏移量（scrub），若變化過大將會引起輪胎的過度磨損。因而，車輛行駛過程中車輪定位參數(shù)的變化也要符合車輛各方面性能的要求，以保證車輛良好的總體性能。5.2主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)算法及仿真5.2.1車輛轉(zhuǎn)向的運動學(xué)模型主動轉(zhuǎn)向避撞主要是研究汽車在緊急情況下的換道避撞問題，目的是使車輛快速而穩(wěn)定地跟蹤期望換道軌跡，因此需要去分析車輛的縱向和橫向的動力學(xué)特性，確保汽車具有很好的操縱穩(wěn)定性。由于汽車動力學(xué)模型是作為模型預(yù)測控制的預(yù)測模型，若動力學(xué)模型的復(fù)雜程度過高容易造成求解時間過長，無法滿足控制系統(tǒng)的實時性，因此需對動力學(xué)模型進(jìn)行必要的簡化。本節(jié)將對汽車動力學(xué)模型做如下假設(shè)：1）假設(shè)車輛在平坦的道路上行駛，忽略車輛垂向、側(cè)傾、俯仰運動。2）假設(shè)懸架與車身是剛性連接，忽略懸架運動的影響。3）忽略輪胎力橫縱耦合的情況，只考慮輪胎的側(cè)偏特性。4）假設(shè)汽車轉(zhuǎn)向時后輪轉(zhuǎn)角為0，前輪左右輪的前輪轉(zhuǎn)角相等。5）假設(shè)車輛縱向速度變化不大，忽略車輛前軸以及后軸載荷的轉(zhuǎn)移。6）忽略汽車受空氣動力的影響。5.2主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)算法及仿真5.2.1車輛轉(zhuǎn)向的運動學(xué)模型基于以上六點假設(shè)，汽車在平面內(nèi)只有3個方向的運動，分別為沿車輛x軸的縱向運動、y軸上的橫向運動和繞z軸的橫擺運動。因此選擇汽車單軌模型作為本節(jié)分析的汽車動力學(xué)模型，如圖5-6所示。5.2主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)算法及仿真5.2.1車輛轉(zhuǎn)向的運動學(xué)模型

5.2主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)算法及仿真5.2.1車輛轉(zhuǎn)向的運動學(xué)模型

5.2主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)算法及仿真5.2.1車輛轉(zhuǎn)向的運動學(xué)模型

5.2主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)算法及仿真5.2.2輪胎模型汽車在行駛過程中，除空氣作用力和重力之外，幾乎其他影響地面車輛運動的力和力矩皆由輪胎與地面接觸而產(chǎn)生。車輛的運動依賴于輪胎所受的力，如縱向制動力、驅(qū)動力、側(cè)向力和側(cè)傾力、回正力矩和側(cè)翻力矩等。所有這些力都是輪胎滑轉(zhuǎn)率、側(cè)偏角、外傾角、垂直載荷、道路摩擦系數(shù)和車輛運動速度的函數(shù)。因此，輪胎動力學(xué)特性對車輛的動力學(xué)特性起著至關(guān)重要的作用，特別是對車輛的操作穩(wěn)定性、制動安全性、行駛平順性有重要的影響。輪胎模型描述了輪胎六分力與車輪運動參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，即輪胎在特定工作條件下的輸入和輸出之間的關(guān)系，如圖5-7所示。5.2主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)算法及仿真5.2.2輪胎模型根據(jù)車輛動力學(xué)研究內(nèi)容不同，輪胎模型可分為：1）輪胎縱滑模型主要用于預(yù)測車輛在驅(qū)動和制動工況時的縱向力。2）輪胎側(cè)偏模型和側(cè)傾模型主要用于預(yù)測輪胎的側(cè)向力和回正力矩，評價轉(zhuǎn)向工況下低頻轉(zhuǎn)角輸入響應(yīng)。3）輪胎垂向振動模型主要用于高頻垂向振動的評價，并考慮輪胎的包容特性（包含剛性濾波和彈性濾波特性)。此外，輪胎模型還可以分為經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃臀锢砟Ｐ?。前者根?jù)輪胎試驗數(shù)據(jù)，通過插值或函數(shù)擬合方法給出預(yù)測輪胎特性的公式；而后者則是根據(jù)輪胎與路面之間的相互作用機理和力學(xué)關(guān)系建立模型，旨在模擬力矩或力矩產(chǎn)生的機理和過程。由于輪胎模型在車輛仿真的每次積分中可能被反復(fù)調(diào)用，因而在選用是要同時考慮計算效率和計算精度。這里僅對幾種常用的輪胎模型給予介紹。5.2主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)算法及仿真5.2.2輪胎模型（1）冪指數(shù)統(tǒng)一輪胎模型

該模型屬于一種半經(jīng)驗?zāi)Ｐ停晒纵x院士提出，用于預(yù)測輪胎的穩(wěn)態(tài)特性。在理論分析和試驗研究基礎(chǔ)上提出的半經(jīng)驗“指數(shù)公式”輪胎模型，可用于輪胎的穩(wěn)態(tài)側(cè)偏、縱滑及縱滑側(cè)偏聯(lián)合工況。通過獲得有效的滑移率，該模型也可進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)工況下的輪胎縱向力、側(cè)向力及回正力矩的計算。冪指數(shù)統(tǒng)一輪胎模型的特點是：1）采用了無量綱表達(dá)式，其優(yōu)點在于由純工況下的一次臺架試驗得到的試驗數(shù)據(jù)可應(yīng)用于各種不同的路面。當(dāng)路面條件改變時，只要改變路面的附著特性參數(shù)，代入無量綱表達(dá)式即可得該路面下的輪胎特性。2）無論是純工況還是聯(lián)合工況，其表達(dá)式是統(tǒng)一的。3）可表達(dá)各種垂向載荷下的輪胎特性。4）保證了可用較少的模型參數(shù)實現(xiàn)全域范圍內(nèi)的計算精度，參數(shù)擬合方便，計算量小。在聯(lián)合工況下，其優(yōu)勢更加明顯。5）能擬合原點剛度。5.2主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)算法及仿真5.2.2輪胎模型

5.2主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)算法及仿真5.2.2輪胎模型（3）SWIFT輪胎模型

SWIFT（ShortWavelengthIntermediateFrequeneyTire）輪胎模型是荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)提出的，它采用剛性圈理論，并結(jié)合“魔術(shù)公式”綜合而成。該模型適合于小波長、大滑移幅度下的高頻（最高頻率不超過60Hz）輸入情況。由于它采用了胎體建模與接地區(qū)域分離的建模方法，從而可精確地描述小波長、大滑移時的輪胎特性，因而可計算從瞬態(tài)到穩(wěn)態(tài)連續(xù)變化的輪胎動力學(xué)行為，并且模型也考慮到了在不同路面條件下行駛的情況。通過對模型的進(jìn)一步細(xì)化，還可用來描述車輪外傾以及轉(zhuǎn)彎滑移等工況的輪胎特性。SWIFT輪胎模型在考慮側(cè)向力和回正力矩時，采用了MagicFormula公式；在考慮縱向力和垂直力時，采用了剛性圈理論。5.2主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)算法及仿真5.2.2輪胎模型SWIFT輪胎模型結(jié)構(gòu)有以下幾方面的特點：1）為了合理描述輪胎動力學(xué)特性，考慮了帶束層慣量，并假設(shè)在高頻范圍內(nèi)帶束層為一個剛性圈。2）在接地區(qū)域和剛性圈之間引入了殘余剛度，在垂向、縱向、側(cè)向以及側(cè)偏方向的剛度值分別等于各個方向輪胎的靜態(tài)剛度。而輪胎模型的柔性考慮了胎體柔性、殘余柔性（實際上為胎體柔性的一部分）以及胎面柔性。3）接地印跡有效長度和寬度的影響均被考慮。4）通過有效的路面不平度、路面坡度和具有包容特性的輪胎有效滾動半徑來描述路間特性，可實現(xiàn)輪胎在任意三維不平路面（包括非水平路面）的仿真，并能保證輪胎動態(tài)滑移和振動工況下的仿真精度。5.2主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)算法及仿真5.2.3換道路徑規(guī)劃轉(zhuǎn)向避撞控制根據(jù)自車車速、前車車速以及相對距離等信息規(guī)劃出轉(zhuǎn)向換道可通過的軌跡，并控制汽車前輪轉(zhuǎn)角實現(xiàn)避撞操作。常用的路徑規(guī)劃方法包括柵格解耦法、人工勢場法、初等函數(shù)法這三種規(guī)劃方法，三種方法的原理如下：1.柵格解耦法柵格解耦法的最早應(yīng)用是在機器人領(lǐng)域，它將可行空間分為許多路徑單元的組合，即柵格。由這些柵格構(gòu)成了多條運動軌跡，然后從這些軌跡中選出一條從起始柵格到目標(biāo)柵格最優(yōu)的無碰撞路徑作為最終的規(guī)劃路徑，此方法計算時間長，收斂速度慢。2.基于人工勢場法的路徑規(guī)劃該方法將汽車看作在勢場中運動的物體。與電勢場相似，勢場分為斥力場和引力場。汽車行駛環(huán)境中的障礙物產(chǎn)生斥力，目標(biāo)路徑上的點對汽車形成引力。人工市場在引力和斥力大小相等時引力與斥力相互抵消，將會產(chǎn)生零勢場，零勢場會造成局部振蕩影響汽車的正常駕駛。5.2主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)算法及仿真5.2.3換道路徑規(guī)劃3.基于初等函數(shù)法的路徑規(guī)劃是利用數(shù)學(xué)函數(shù)來表達(dá)所規(guī)劃的路徑。為了描述汽車換道時候的軌跡，一些研究者采用初等函數(shù)或者部分初等函數(shù)組合的線段來描述換道時汽車的路徑。其優(yōu)點在于函數(shù)表達(dá)簡潔，僅用一個函數(shù)式即可表達(dá)所規(guī)劃的路徑，且便于添加汽車動力學(xué)約束條件。除此以外還有一些基于模糊算法、遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的路徑規(guī)劃算法，但是這些算法無法滿足規(guī)劃的實時性和規(guī)劃路徑的曲率連續(xù)性。在軌跡規(guī)劃時首先要考慮規(guī)劃的復(fù)雜程度以及實時性能，二是在高速行駛時，由于汽車速度較高，規(guī)劃出的路徑需要滿足安全性和穩(wěn)定性要求，在這種情況下，規(guī)劃的軌跡不僅需要滿足避撞幾何約束，規(guī)劃的軌跡應(yīng)該能夠滿足汽車動力學(xué)約束、軌跡連續(xù)性等條件。上述基于柵格解耦的路勁規(guī)劃方法、人工勢場法、模糊算法以及遺傳算法在運算速度、曲率的連續(xù)性方面存在不足。所以本文考慮采用方便快捷、曲率連續(xù)的初等函數(shù)的方法來規(guī)劃汽車的換道軌跡。常見的初等函數(shù)規(guī)劃方法有正弦加速度規(guī)劃、圓弧規(guī)劃、基于多項式的軌跡規(guī)劃方法等。以下為幾種常見的初等函數(shù)路徑規(guī)劃方法：5.2主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)算法及仿真5.2.3換道路徑規(guī)劃4.圓弧路徑規(guī)劃圓弧的路徑兩端由形狀大小相同方向相反的圓弧組成，中間由一條直線連接。其示意圖如5-8所示。5.等速偏移路徑規(guī)劃基于等速偏移的路徑規(guī)劃是指在轉(zhuǎn)向換道過程中汽車的橫向速度保持不變，其規(guī)劃路徑如圖5-9所示。5.2主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)算法及仿真5.2.3換道路徑規(guī)劃6.正弦加速度路徑規(guī)劃基于正弦加速度的路徑規(guī)劃是指汽車在換道時的側(cè)向加速度呈正弦曲線分布，側(cè)向加速度先增加后減小，其加速度變化曲線如圖5-10所示。5.2主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)算法及仿真5.2.3換道路徑規(guī)劃7.正反梯形加速度路徑規(guī)劃正反梯形加速度的路徑規(guī)劃是由兩個形狀和大小相同，呈中心對稱的梯形組成，其加速度曲線如圖5-11所示。5.2主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)算法及仿真5.2.3換道路徑規(guī)劃8.基于多項式的路徑規(guī)劃基于多項式的路徑規(guī)劃是指采用一元多次的多項式來描述所規(guī)劃的路徑，多項式中的參數(shù)根據(jù)汽車的初始狀態(tài)與終了狀態(tài)來計算。若以換道時間為4s為例，多項式的階次對換道軌跡的影響如圖5-12所示。5.2主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)算法及仿真5.2.4安全距離模型

5.2主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)算法及仿真5.2.4安全距離模型

5.2主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)算法及仿真5.2.4安全距離模型

5.2主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)算法及仿真5.2.5軌跡跟蹤控制

5.2主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)算法及仿真5.2.5軌跡跟蹤控制

5.2主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)算法及仿真5.2.5軌跡跟蹤控制1.模型預(yù)測

2.優(yōu)化求解

5.3智能小車主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)實踐5.3.1開發(fā)方法智能小車總體架構(gòu)包括感知層、決策層和執(zhí)行層三部分，其基本構(gòu)架如圖5-14所示。感知層主要由超聲波測距模塊構(gòu)成，作用是獲取超聲波測速傳感器的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)優(yōu)化后傳輸給決策層；決策層由數(shù)據(jù)處理、決策選擇等模塊組成，作用是根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)判斷是否有障礙物、計算智能小車與障礙物的距離、是否選擇規(guī)避策略等；執(zhí)行層則由底層電機、舵機控制器組成，作用是根據(jù)決策層的策略選擇，執(zhí)行相應(yīng)的策略行為。5.3智能小車主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)實踐5.3.1開發(fā)方法智能小車的設(shè)計方案主要分為以下步驟：1）檢測小車前方是否存在障礙物，若不存在則繼續(xù)行駛，若存在則需要測量障礙物與小車的實時距離。2）根據(jù)上述的實時距離判斷小車與障礙物的距離是否進(jìn)入預(yù)警范圍，如果進(jìn)入預(yù)警范圍則通過決策層做出相對應(yīng)決策，決策分為下列兩類:小車與障礙物的距離未進(jìn)入預(yù)警范圍則繼續(xù)當(dāng)前行駛，且繼續(xù)計算兩者距離；小車與障礙物的距離進(jìn)入預(yù)警范圍則輸入相應(yīng)的制動與轉(zhuǎn)向參數(shù)，通過執(zhí)行層對小車實現(xiàn)控制。3）執(zhí)行層通過接收決策層的參數(shù)輸入，對小車的電機與舵機進(jìn)行控制，具體的設(shè)計方案如圖5-15所示。5.3智能小車主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)實踐5.3.2建模與分析主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)的規(guī)避策略可以分為以下兩種：主動避撞變道策略和主動避撞返回原車道策略。第一種策略在避開障礙物之后不再返回原車道行駛，適用于同向多車道或障礙物為同向行駛的小車等，第二種策略避開障礙物之后行駛至障礙物左/右前方時返回原車道行駛，適用于同向單車道或障礙物為不可移動物體。本節(jié)將對上述兩種策略通過Simulink建立模型并分析策略的適用環(huán)境。5.3智能小車主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)實踐5.3.2建模與分析1.主動避撞變道策略建模與分析主動避撞變道策略模型建立如圖5-16所示5.3智能小車主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)實踐5.3.2建模與分析1.主動避撞變道策略建模與分析第I部分模型是感知層，主要功能是觸發(fā)超聲波工作并且通過GPIO管腳接收超聲波的反饋信息。第II部分模型是決策層，第一個功能是將超聲波的反饋信息由模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，以便計算小車與障礙物的距離，判斷是否存在障礙物、距離是否進(jìn)入預(yù)警范圍；第二個功能是通過計算的距離進(jìn)行決策的選擇：若進(jìn)入預(yù)警范圍，對小車輸入預(yù)先設(shè)置好的減速、轉(zhuǎn)向參數(shù)，否則維持原方向、速度繼續(xù)行駛。第I部分模型是執(zhí)行層，主要功能是接收決策層的參數(shù)，通過舵機驅(qū)動與電機驅(qū)動模塊將命令傳輸至小車，完成對小車的速度與方向控制。以下將對各部分模型的參數(shù)設(shè)定、功能進(jìn)行分析。5.3智能小車主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)實踐5.3.2建模與分析1.主動避撞變道策略建模與分析感知層由超聲波測距模塊觸發(fā)、超聲波數(shù)據(jù)接收兩部分構(gòu)成，如圖5-17所示超聲波觸發(fā)部分的觸發(fā)信號模塊實質(zhì)是脈沖產(chǎn)生模塊，從本書前面介紹的超聲波測距原理可知，該模塊產(chǎn)生的脈沖高電平持續(xù)時間至少為10us。將脈沖通過Simulink中的GPIOWrite模塊傳輸?shù)綐漭傻墓苣_，從而觸發(fā)超聲波工作。超聲波數(shù)據(jù)接收部分的數(shù)據(jù)接收模塊實質(zhì)是GPIORead模塊，這個模塊可以實現(xiàn)對樹莓派管腳高低電頻狀態(tài)的讀取，讀取的信號是模擬信號。5.3智能小車主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)實踐5.3.2建模與分析1.主動避撞變道策略建模與分析決策層由數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、策略選擇模塊組成，如圖5-18所示。數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換模塊由數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換組成。前者將感知層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)化為決策層所需要的數(shù)據(jù)類型，后者將超聲波反饋的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊計算距離。策略選擇模塊包含預(yù)設(shè)的原始電機、舵機數(shù)據(jù)以及變道策略需要的電機減速數(shù)據(jù)和舵機轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)，除此之外還有策略判別模塊。預(yù)設(shè)的原始電機、舵機數(shù)據(jù)模擬小車未檢測到障礙物的正常行駛過程，變道策略的數(shù)據(jù)模擬小車檢測到障礙物采取的減速、變道過程。策略判別模塊實質(zhì)為Switch模塊，該模塊通過判斷輸入端口的距離值是否大于預(yù)設(shè)危險預(yù)警距離值，若判斷為真則輸入預(yù)設(shè)的原始電機、舵機數(shù)據(jù)，否則輸入變道策略需要的電機減速數(shù)據(jù)和舵機轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)，以此模擬策略選擇過程。5.3智能小車主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)實踐5.3.2建模與分析1.主動避撞變道策略建模與分析執(zhí)行層由舵機驅(qū)動與電機驅(qū)動兩部分組成，如圖5-19所示，舵機驅(qū)動模塊接收決策層傳輸?shù)亩鏅C數(shù)據(jù)，通過對樹莓派管腳的控制實現(xiàn)小車能租轉(zhuǎn)向功能。電機驅(qū)動模塊接收決策層傳輸?shù)碾姍C數(shù)據(jù)，也通過樹莓派管腳的控制實現(xiàn)小車電機驅(qū)動調(diào)速功能。5.3智能小車主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)實踐5.3.2建模與分析2.主動避撞返回原車道策略建模與分析主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)車道返回策略原理與自動預(yù)防撞系統(tǒng)變道策略相似，不同之處在于加入了小車側(cè)方距離感知模塊，因此感知層與決策層會相應(yīng)的變化，完整的策略模型如圖5-20所示。5.3智能小車主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)實踐5.3.2建模與分析2.主動避撞返回原車道策略建模與分析由圖5-21可知感知層新增側(cè)方超聲波的數(shù)據(jù)接收模塊，決策層策略判別模塊更為復(fù)雜。因為模型原理、感知層超聲波數(shù)據(jù)接收模塊、決策層數(shù)據(jù)處理、預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)以及執(zhí)行層與主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)變道策略相同，接下來將重點分析決策層策略判別模塊。決策層策略判別模塊組成如圖5-21所示，由圖可知模塊新增模塊實質(zhì)上為Switch模塊，該新增模塊功能為判別側(cè)方超聲波距離。該策略判別模塊共實現(xiàn)以下三種策略判別：1）當(dāng)前方超聲波未檢測到障礙物或者輸入的距離未達(dá)到危險預(yù)警距離，同時側(cè)方超聲波距離也不滿足條件。此時策略輸出為保持原始行駛狀態(tài)舵機、電機數(shù)據(jù)。2）當(dāng)前方超聲波輸入的距離進(jìn)入危險預(yù)警距離，側(cè)方超聲波距離不滿足條件，此時策略輸出變道策略時舵機、電機數(shù)據(jù)。3）當(dāng)前方超聲波變道后未檢測到障礙物，側(cè)方超聲波距離滿足條件，此時策略輸出返回原車道的舵機、電機數(shù)據(jù)。5.3智能小車主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)實踐5.3.2建模與分析2.主動避撞返回原車道策略建模與分析5.3智能小車主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)實踐5.3.3功能測試實踐本節(jié)重點介紹主動轉(zhuǎn)向避撞算法與控制策略如何通過智能小車實現(xiàn)預(yù)防撞功能。通過本章的小車搭建與測試可對搭建的控制策略與算法進(jìn)行驗證，亦可對智能汽車控制算法與策略進(jìn)行開發(fā)。實際測試的Simulink模型如圖5-22所示。5.3智能小車主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)實踐5.3.3功能測試實踐其中LKS的部分需要調(diào)整攝像頭的幀數(shù)設(shè)置，因為加入避撞系統(tǒng)的模型后內(nèi)存占用過大，具體如圖5-23所示，將20幀改為10幀。5.3智能小車主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)實踐5.3.3功能測試實踐1.變道策略測試通過超聲波感知外部障礙物與車輛的距離以判斷是否啟動舵機達(dá)到避障的效果。超聲波具體的原理如圖5-24所示。5.3智能小車主動轉(zhuǎn)向避撞系統(tǒng)實踐5.3.3功能測試實踐1.變道策略測試變道策略功能測試主要包括探測障礙物、危險預(yù)警減速、轉(zhuǎn)向三個方面，根據(jù)功能原理成功