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原文传递一种具有自主换道功能并提高侧向安全性的智能驾驶系统

专利名称：	一种具有自主换道功能并提高侧向安全性的智能驾驶系统
摘要：	本发明为一种新型智能驾驶系统。具体涉及到智能车辆在转向和换道行驶过程中的横向主动安全。主要体现在车辆转向过程中车辆自身的稳定性以及在多车道条件下实现安全换道。该系统由决策规划模块、转向控制模块与速度控制模块组成。为实现车辆换道安全，决策规划模块通过计算相应的速度与轨迹，并驱动下层的转向与速度控制器实现车辆在换道条件下的安全换道行为，防止与交通环境中的各个车辆发生任意形式的碰撞。此外为提高车辆转向过程中自身车辆的安全性，通过对转向控制器的设计中引入对车辆侧向加速度、横向转移率、横摆角速度和质心侧偏角的约束条件来提高车辆在转向过程中的稳定性，减小可能发生侧偏、侧滑以及侧翻等安全风险。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	吉林;22
申请人：	吉林大学
发明人：	隋振;梁硕;田彦涛
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-28T00:00:00+0800
发布日期：	2019-10-22T00:00:00+0800
申请号：	CN201910449941.6
公开号：	CN110356404A
代理机构：	长春吉大专利代理有限责任公司
代理人：	朱世林;牟风平
分类号：	B60W30/18(2012.01);B;B60;B60W;B60W30
申请人地址：	130012 吉林省长春市前进大街2699号
主权项：	1.一种具有自主换道功能并提高侧向安全性的智能驾驶系统，其特征在于，该系统包括：速度控制模块、转向控制模块、决策规划模块三个部分，决策规划模块由传感器数据分析与提取子模块、换道条件分析子模块、车速调整控制子模块和期望轨迹发生器组成；决策规划模块通过采集和分析交通环境中车流信息，判断当前交通状况下是否具备换道行驶的条件并计算当前时刻车辆的期望行驶轨迹与速度，并将其传递给其下层的速度控制模块与转向控制模块，速度控制模块与转向控制模块分别驱动汽车的油门开度踏板、制动压力踏板和方向盘，实现车辆的加速、减速与转向；当装备该智能驾驶系统的实验车在当前车道中遭遇前方慢速行驶的车辆或者突然制动时，所述的智能驾驶系统将采取如下工作流程： S1：装备智能驾驶系统的实验车保持正常定速行驶，各个车载传感器实时检测车辆状态和交通状况；当行驶过程中与前车的距离已经达到两车间的安全间距内后，该智能驾驶系统采取换道行驶模式； S2：车辆进入换道模式后，首先换道条件分析子模块输出车速调整指令给车速调整控制模块，车速调整控制模块对智能车车速进行调整，调整智能车与前方慢速行驶的车辆之间的距离和相对速度；同时传感数据分析与提取模块采集各个车道的侧向位移、与各个车道中的交通车辆的速度、加速度以及与本实验车的纵向间距，并优先选择平均车速较快的一侧车道作为拟采取换道措施的目标车道，并将目标车道前车的车速vLd、加速度aLd和间距ΔDLd，目标车道后车的车速vFd、加速度αFd和间距ΔDFd，原车道前车的车速vLo、加速度αLo和间距ΔDLo提供给换道条件分析模块； S3：换道条件分析模块根据目标车道的环境车辆的位移、速度与加速度信息，计算实验车M驶入目标车道应采取的加速度范围；其换道条件和大小为：如果vM≥vLd≥vFd且ΔDLd≥dls时，加速度上下限为：如果vLd≥vM≥vFd且ΔDLd≥dls时，加速度上下限为：如果vLd≥vM≥vFd且ΔDLd＜dls时，加速度上下限为：如果vLd≥vFd≤vM且ΔDLd＜dls且ΔDFd＞dfs时，加速度上下限为：如果vLd≥vFd≥vM且ΔDLd＞dls且ΔDFd＞dfs时，加速度上下限为：其中，τr为系统反应时间，dls和dfs为智能车前向与后向的安全距离；定义asmax和αsmin为车辆系统和驾驶员可承受的最大加速度和最小加速度，则若加速度范围满足如下条件：则说明加速度范围存在且合理，当前时刻智能车采取的加速度应在umin至umax范围内执行换道操作；且除以上五种情况外的其他道路情况，系统均不采取换道措施； S4：当目标车道换道可行后，速度调整控制子模块则根据S3中计算出的加速度范围、以及自车速度与加速度、目标车道前车的速度和间距等信息，计算驶入目标车道应采取的期望加速度，用来调整本车与目标车道前车的间距和本车车速，期望加速度将提供给速度控制模块来实现对车速的操控；期望轨迹发生器则根据原车道中心线的路面坐标与目标车道中心线的路面坐标更新换道行驶的轨迹，并将其轨迹信息提供给转向控制模块；转向控制模块采用线性时变模型预测控制算法，在保证准确跟踪期望轨迹的同时，通过考虑车辆执行侧偏角、横摆角速度、侧向加速度以及横向转移率等约束条件，提高车辆侧向稳定性，减小车辆发生侧偏、侧翻和甩尾等风险，最终该智能驾驶系统实现了换道行驶的驾驶任务； S5.车辆驶入目标车道后，继续调整轨迹、车速以及与前车的间距，直至三者稳定后换道任务正式结束。 2.根据权利要求1中所述一种具有自主换道功能并提高侧向安全性的智能驾驶系统，其特征在于，所述的期望加速度用以下方法确定：智能车将以自车与前车的运动关系为被控对象，调整前后两车的间距和相对速度，两车间的运动关系满足：其中，ΔDL为前后两车间距，vL为前车车速，aL为前车加速度，vr为前后车相对速度，αM为本车加速度，aMd为本车期望加速度，τ为惯性系数。根据模型预测控制理论，定义状态量X＝[ΔDLvrvMaM]T，控制量u＝aMd，扰动量d＝aL，系统输出y＝[ΔD vr]T,上述线性方程经预测时域p和控制时域m内滚动优化后可得出预测方程为： Yp(k+1)＝SxΔX(k)+SCX(k)+SdΔaL(k)+SuΔU(k) 式中，Yp(k+1)为系统的输出序列，ΔX(k)与ΔaL(k)为状态X和扰动aL的控制增量，ΔU(k)为控制量aMd的控制序列，Sx，Sc，Sd和Su为预测方程的系数矩阵；定义参考输入量为R(k+1)，结合权利要求2所述的加速度区间的约束条件可定义系统的性能指标为： minJ＝[Yp(k+1)-R(k+1)]TQ[Yp(k+1)-R(k+1)]+ΔU(k)TSΔU(k) 其中，Q,S为对应项的权重矩阵，通过二次规划算法对性能指标求解，可计算出期望加速度最优解 3.根据权利要求1中所述根据权利要求1中所述一种具有自主换道功能并提高侧向安全性的智能驾驶系统，其特征在于，所述的期望轨迹由四次贝塞尔曲线结合粒子群算法实施；通过在道路中选取贝塞尔关键点P1(x1，y1)～P5(x5，y5)，并设置优化指标：式中，ρ(x)与为贝塞尔曲线的曲率及其导数，B(x)与S(x)分别为贝塞尔曲线函数和结构线函数，γ为过P3点的切线与x轴的夹角；而ωi为各个性能指标的权系数；为使性能指标尽快达到最优结果，采用粒子群算法求解各个贝塞尔关键点的最优坐标最后根据贝塞尔曲线公式，得出车辆换道过程的参考轨迹： 4.根据权利要求1中所述根据权利要求1中所述一种具有自主换道功能并提高侧向安全性的智能驾驶系统，其特征在于，所述的转向控制模块通过考虑车辆质心侧偏角、横摆角速度、侧向加速度以及横向转移率等约束条件，提高车辆侧向稳定性，减小车辆发生侧偏、侧翻和甩尾等风险，通常用简化的车辆三自由度动力学模型状态方程表示为：式中，ξ为车辆动力学系统的主要状态，包括侧向速度vy、纵向速度vx、横摆角ψ、横摆角速度r、侧向位移Y、纵向位移X；定义车辆前轮转角δ为控制量u；车辆的侧向位移Y与巡航角ψ为系统的被控变量η，h为输出矩阵，将系统线性化、离散化、增量化后并经过预测时域Np，控制时域Nc内不断迭代后，得出系统的预测方程为：式中，Yp(k+1)为系统的输出序列，ΔU(k)为控制量δ的控制序列，Φ(k)为线性化误差，Ψ、θ和Г为对应的参数矩阵；定义系统的参考输入值为Yref，并令车辆的侧向输出η、控制量U、控制增量ΔU、质心侧偏角β、横摆角速度r、侧向加速度ay以及横向转移率LTR满足约束条件：式中，εi和zimin、zimax分别为弹性约束因子和弹性约束上下限，i＝ΔU，U，β，r，ay，LTR，定义控制算法的性能指标为： J＝[Yp(k+1)-Yref]TQ[Yp(k+1)-Yref]+ΔU(k)TRΔU(k)+εTρε 式中，Q、R和ρ为对应的权重系数，通过求解性能指标与约束条件的二次规划最优解，可得出期望的前轮转角δ*，而对应的方向盘转角通常与前轮转角为线性关系G，故转向控制模块最终的方向盘转角为
所属类别：	发明专利