車(chē)輛彎道安全輔助駕駛控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

德州學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院 李 政

1.引言

高速公路是汽車(chē)的重要承載體，隨著公路通車(chē)?yán)锍毯推?chē)保有量的持續(xù)增長(zhǎng)，交通安全問(wèn)題也面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。近年來(lái)，交通事故的頻繁、人員傷亡的慘重和經(jīng)濟(jì)損失的巨大逐漸成為了被關(guān)注的焦點(diǎn)。而彎道是高速公路載體中的特殊構(gòu)造物，相比其他直線路段，彎道處的線形設(shè)計(jì)更復(fù)雜多變。彎道是交通事故的多發(fā)路段，在公路彎道路段，交通事故的發(fā)生大多是由駕駛行為偏離導(dǎo)致，是行車(chē)速度及軌跡偏離的外在表現(xiàn)。

2.車(chē)輛彎道安全輔助駕駛控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

本文研究了一種基于道路區(qū)域分割的彎道檢測(cè)新算法，包含道路區(qū)域分割與彎道邊界檢測(cè)，其實(shí)現(xiàn)流程圖如圖1所示。在分割出道路區(qū)域和天空區(qū)域，劃定彎道檢測(cè)的感興趣區(qū)域后，提取分道線候選特征點(diǎn)，并對(duì)候選點(diǎn)進(jìn)行校正，最終擬合并重建出彎道分道線，同時(shí)準(zhǔn)確判斷當(dāng)前車(chē)道的彎曲方向

圖1 彎道檢測(cè)算法流程圖

3.車(chē)輛防側(cè)滑側(cè)翻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車(chē)輛在彎道上變轉(zhuǎn)角或定轉(zhuǎn)角行駛，當(dāng)車(chē)速大于一定數(shù)值時(shí)，所產(chǎn)生的橫向力就會(huì)超過(guò)輪胎與地面附著力的允許界限，使得地面附著力不足以克服離心力的影響，導(dǎo)致汽車(chē)后軸發(fā)生側(cè)滑而偏離原行駛軌跡；同時(shí)，由于離心力的作用引起橫向和縱向質(zhì)量的轉(zhuǎn)移，各車(chē)輪上的法向載荷有很大變化，輪胎發(fā)生側(cè)偏，同時(shí)車(chē)身產(chǎn)生側(cè)傾，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致側(cè)翻，為避免發(fā)生側(cè)面碰撞和翻車(chē)等危險(xiǎn)工況，保證車(chē)輛在高速公路彎道路段的行駛安全性，從安全輔助駕駛角度設(shè)計(jì)了一種車(chē)輛防側(cè)滑側(cè)翻控制系統(tǒng)，大致分為彎道曲率識(shí)別模塊、安全車(chē)速計(jì)算模塊、安全狀態(tài)判斷模塊以及系統(tǒng)自動(dòng)控制模塊，各模塊依次信號(hào)連接，系統(tǒng)組成示意圖如圖2所示。

圖2 彎道防側(cè)滑側(cè)翻控制系統(tǒng)的組成示意圖

實(shí)時(shí)檢測(cè)前方彎道的曲率半徑，然后計(jì)算車(chē)輛不發(fā)生側(cè)滑側(cè)翻的臨界安全車(chē)速，對(duì)車(chē)輛當(dāng)前的安全狀態(tài)做出綜合分析和判斷，最后設(shè)計(jì)位姿控制器和力矩控制器，在有安全隱患的狀況下實(shí)現(xiàn)安全車(chē)速控制以及彎道車(chē)道保持。

3.1 彎道曲率識(shí)別

彎道曲率識(shí)別模塊用于實(shí)時(shí)檢測(cè)前方彎道的曲率半徑。先是利用車(chē)載GPS/GIS系統(tǒng)輸出的道路坐標(biāo)估計(jì)道路曲率，GPS系統(tǒng)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)定位當(dāng)前道路的地理位置信息，經(jīng)GIS系統(tǒng)識(shí)別、轉(zhuǎn)換、處理后，輸出可視化的道路三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而預(yù)估當(dāng)前道路的曲率信息。同時(shí)利用車(chē)載CCD獲取道路圖像，通過(guò)圖像預(yù)處理、擬合道路模型并重建彎道車(chē)道線來(lái)計(jì)算彎道半徑，獲取前方彎道的曲率信息。根據(jù)系統(tǒng)預(yù)估的曲率信息、校核計(jì)算所得的彎道半徑。

式中(X,Y,Z)為世界坐標(biāo)；(x,y）為圖像坐標(biāo)；H為車(chē)載CCD光心離地面的高度；f為CCD的焦距。圓弧按下式計(jì)算：

計(jì)算得到四組對(duì)應(yīng)的曲率半徑值R1，R2，R3和Ra，分別與利用車(chē)載GPS/GIS系統(tǒng)輸出的道路坐標(biāo)所估計(jì)的道路曲率相比較，在誤差允許范圍內(nèi)認(rèn)為是可靠曲率信息，求可靠曲率半徑的平均值并取整，即可獲取前方彎道的曲率半徑。

3.2 安全車(chē)速計(jì)算

當(dāng)車(chē)輛彎道行駛時(shí)產(chǎn)生的離心力小于或者等于路面附著力時(shí)，汽車(chē)不發(fā)生側(cè)滑；同時(shí)考慮路面超高能夠抵消部分離心力，計(jì)算公式為：

式中：F為車(chē)輛彎道行駛時(shí)產(chǎn)生的離心力；為地面附著力；v為不發(fā)生側(cè)滑的安全車(chē)速；m為路面超高所抵消的部分離心力；Fr為汽車(chē)質(zhì)量；R為彎道曲率半徑；i為路面超高的橫坡度：P為橫向附著系數(shù)；g為重力加速度。

3.3 安全狀態(tài)判斷

安全狀態(tài)判斷模塊根據(jù)車(chē)輛當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)判斷車(chē)輛安全狀態(tài)，即比較當(dāng)前車(chē)速與臨界安全車(chē)速的大小關(guān)系。若當(dāng)前車(chē)速大于臨界安全車(chē)速，系統(tǒng)報(bào)警，報(bào)警信號(hào)輸入車(chē)載微處理器，操縱系統(tǒng)自動(dòng)控制模塊的控制器作用，車(chē)輛制動(dòng)減速。在整個(gè)制動(dòng)減速過(guò)程中，若車(chē)速處于高速區(qū)段，理想減速度將不斷增加；當(dāng)車(chē)速降至低速區(qū)段，此時(shí)為避免制動(dòng)減速度過(guò)大，理想減速度將恒定不變直至減速至安全車(chē)速。

3.4 系統(tǒng)自動(dòng)控制

系統(tǒng)自動(dòng)控制模塊的作用是實(shí)時(shí)調(diào)控車(chē)輛行駛狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)直道自動(dòng)減速與彎道車(chē)道保持，包括位姿控制器及力矩控制器，位姿控制器和力矩控制器是相互影響的。位姿控制器為力矩控制器提供參考的線速度和前輪轉(zhuǎn)向角，即位姿控制器輸出的虛擬速度矢量是力矩控制器的期望值。因此，虛擬速度矢量直接建立了車(chē)輛運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)之間的關(guān)系。另外，力矩控制器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩是車(chē)輛的實(shí)際輸入。

4.結(jié)論

研究了兩種基于視覺(jué)的高速公路彎道車(chē)道線檢測(cè)方法，一種是基于道路區(qū)域分割的彎道檢測(cè)算法，一種是基于特征點(diǎn)提取的彎道識(shí)別算法。這兩種方法的平均算法時(shí)間和識(shí)別準(zhǔn)確率較傳統(tǒng)基于道路模型的方法都有明顯提高。綜合考慮道路工況和系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，本文選用了第一種方法，在準(zhǔn)確識(shí)別彎道邊界、判斷道路彎曲方向的同時(shí)實(shí)時(shí)獲取了當(dāng)前彎道的曲率半徑信息。

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