一种自动驾驶汽车跟车工况控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种自动驾驶汽车跟车工况控制方法及系统。方法包括步骤：获取车道前方路况视频，截取目标图像，得到实时车距、偏航角、横向距离和弯道曲率；实时检测车速，转向角和加速度信号，作为闭环控制系统的反馈信号；根据实时车距和加速度，建立安全车距模型，同时在安全车距模型的基础上，制定自动变速和制动耦合上层控制策略；根据偏航角和横向距离信号，制定车辆姿态控制策略，自动调整修正车辆姿态；据弯道曲率，建立弯道行驶安全性评价模型，制定弯道自主转向上层控制策略。本发明专利技术能够实现智能电动汽车在跟车自主行驶下的智能化和实时性的纵向和横向的耦合运动控制。

A method and system for vehicle driving control under automatic driving

The invention discloses a method and a system for automatically driving vehicle following vehicle working condition control. The method includes the following steps: acquiring video of road condition in front of lane, intercepting target image, obtaining real-time vehicle distance, yaw angle, lateral distance and curvature of curve; real-time detecting vehicle speed, steering angle and acceleration signal as feedback signal of closed-loop control system; establishing safe vehicle distance model according to real-time vehicle distance and acceleration, and making automatic change based on safe vehicle distance model. Vehicle attitude control strategy is formulated according to yaw angle and lateral distance signals, and vehicle attitude is automatically adjusted and corrected. According to curve curvature, safety evaluation model of curved road is established, and autonomous steering upper control strategy of curved road is formulated. The invention can realize the intellectualization and real-time longitudinal and lateral coupling motion control of the intelligent electric vehicle under autonomous driving with the vehicle.

【技术实现步骤摘要】
一种自动驾驶汽车跟车工况控制方法及系统
本专利技术涉及自动驾驶汽车领域，具体为一种自动驾驶汽车跟车工况控制方法及系统。
技术介绍
在城市化的快速推进过程中，全球汽车保有量不断增长，汽车在人们的生活工作得到了越来越广泛的应用。汽车在给人们的出行带来极大的便利，随之而来的比如交通安全、环境污染和交通拥堵等问题也成为日益成为城市治理的难题。为了有效应对上述挑战，发达国家，如日本，美国，欧洲等己经投入了大量人力物力研究并应用智能交通系统。智能交通系统的核心理念是用系统的观念来将道路环境和智能车辆看作一个不可分割的有机整体来进行分析研究。因此，智能车辆系统是智能交通系统的一个重要组成部分，它的原理是利用车载传感器来感知和获取外部的道路环境信息、内部的车辆自身状态信息等，车辆的转向，速度和换道实现实时的自动控制，最终实现车辆的自动驾驶。自动驾驶由传感器、计算机和控制系统取代人完成驾驶行为，杜绝了驾驶员的主观因素，在控制策略足够完善的前提下，从理论上将事故率降为零。从驾驶的劳动强度上，自动驾驶将人完全从驾驶中解放出来，增加了人的自由时间，降低人的劳动强度。与此同时，自动驾驶技术的进步，既能促进现有的车辆的控制方式的发展和革新，又能有效促进辅助驾驶的发展，可以加速相关学科的研究，如车辆控制、计算机、多传感器系统等，智能化水平正逐渐成为衡量汽车工业水平和研发实力的一个重要指标。因此，需要设计一种自动驾驶汽车跟车工况控制设计及实现方法来解决此类问题。本文中，横摆运动是指绕垂直的Z轴的转动，横向运动是在平面内的平移运动。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种自动驾驶汽车跟车工况控制方法，以解决上述中提出的问题。本控制方法在跟车自主行驶工况下，能实现横向和纵向运动的智能化控制。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：提供一种自动驾驶汽车跟车工况控制方法，包括步骤：获取车道前方路况视频，截取目标图像，得到实时车距、偏航角、横向距离和弯道曲率；实时检测车速，转向角和加速度信号，作为闭环控制的反馈信号；根据实时车距和加速度，建立安全车距模型，同时在安全车距模型的基础上，制定自动变速和制动耦合上层控制策略；根据偏航角和横向距离信号，制定车辆姿态控制策略，自动调整修正车辆姿态；据弯道曲率，建立弯道行驶安全性评价模型，制定弯道自主转向上层控制策略。本方案中，通过采集各种数据作为输入参数，制定自动变速和制动耦合上层控制策略、车辆姿态控制策略以及弯道自主转向上层控制策略，实现了智能电动汽车在跟车自主行驶下的智能化。进一步地，对视频流进行每秒预定帧数的帧提取，每次帧提取得到单幅图像，此图像即为目标图像，将目标图像输入上位机中，上位机通过所述单目视觉和车牌识别的车距测量算法得到实时车距，通过单目视觉算法分别得到偏航角，横向距离和弯道曲率。进一步地，采用所述自主变速和制动耦合上层控制策略和自整定模糊PID纵向运动下层控制算法实时控制驱动轮毂电机的调速电压和制动推杆电机的推杆行程，来控制智能电动汽车的车速，加速度和制动轮缸压力，即实现了智能电动汽车在跟车自主行驶下的智能化和实时性的纵向运动控制。进一步地，采用所述弯道自主转向上层控制策略和横向运动控制算法通过实施控制转向步进电机的电机转角，来控制汽车的方向盘转向角，即实现了智能电动汽车在跟车自主行驶下的智能化和实时性的横向运动控制。进一步地，所述横向运动控制算法包括以下步骤：S1.确定车辆横向运动模型；S2.确定车辆横摆运动模型；S3.利用LMI方法综合考虑弯道几何特征和横向偏差变化的评价函数设计，建立评价函数。进一步地，所述步骤S1中，车辆横向运动模型如下：其中，IZ表示垂直方向的转动惯量，m是车的整备质量，Cf是前轮胎侧偏刚度，Cr是后轮胎侧偏刚度，a是质心到前轮距离，b是质心到后轮距离，δ是前轮转向角，Fxf是车辆前轮纵向力，ψ是横摆角速度,x、y分别代表平面上x、y方向的位移。进一步地，所述步骤S2中，车辆横摆运动模型如下：其中，d3＝-a2Cf-b2CrIZ表示垂直方向的转动惯量，m是车的整备质量，Cf是前轮胎侧偏刚度，Cr是后轮胎侧偏刚度，a是质心到前轮距离，b是质心到后轮距离，δ是前轮转向角，Fxf是车辆前轮纵向力，ψ是横摆角速度，x、y分别代表平面上x、y方向的位移。进一步地，所述步骤S3中，评价函数为：式中，第一项是激励项目由道路特性造成车辆速度变化产生。第二项为补偿项目，该项目用于平衡弯道曲率带来的离心力和横摆力矩作用。第三项项目用于补偿目标车速vd与实时车速之间的差值。λ1、λ2、λ3分别为每项的权重因子，通过在线仿真进行调节，提高控制精度；其中Φ是横摆角，C为目标位移弯道曲率，C0是当前弯道曲率，C1是弯道变化率，d是目标位移，vd为当前给定车速，x1表示车辆在带坡道的路面上转完时的横向位移，x2等于车辆在带坡道的路面上转完时的纵向位移，x3等于车辆在带坡道的路面上转完时的横摆角，x为平面上沿x方向的位移，u2为控制量。本专利技术的另一目的在于提供一种自动驾驶汽车跟车工况控制系统，包括摄像头、上位机、整车控制器、整车加速度传感器、方向盘转角传感器、霍尔车速传感器；所述整车控制器连接有驾驶员接管接口，用于接收驾驶员行动信号；所述摄像头实时拍摄车道前方路况得到视频流，上位机接收视频流中的目标图像，得到实时车距、偏航角、横向距离和弯道曲率；所述霍尔车速传感器，方向盘转角传感器和整车加速度传感器分别实时检测车速，转向角和加速度信号并输入到整车控制器中，作为闭环控制的反馈信号；所述整车控制器根据接收的各信号，控制汽车轮毂电机、转向步进电机、制动推杆电机动作。进一步地，所述方向盘转角传感器包括磁钢、从动轮、旋转角度位置传感芯片、主动齿轮、电路板、CPU控制单元、转向管柱以及光电开关；所述转向管柱与汽车方向盘连接，转向管柱的另一端连接主动齿轮，主动齿轮与从动轮相互啮合，磁钢设置在从动齿轮上方；所述光电开关用于感应磁钢周围磁场变化，由旋转角度位置传感芯片感应并将处理后的信号发送给CPU控制单元；所述CPU控制单元与整车控制器连接。工作原理：整车控制器接收所述上位机传来的车距，偏航角，横向距离和弯道曲率等输入信号，以及方向盘转角传感器的转向角信号，霍尔车速传感器的车速信号和整车加速度传感器的加速度信号等反馈信号，自动调用自主变速，制动和转向的上层控制策略和下层控制算法，车辆姿态控制策略，实时控制驱动轮毂电机的调速电压，转向步进电机的电机转角和制动推杆电机的推杆行程，从而实时和智能化地控制了智能电动汽车的车速，加速度，制动轮缸压力和方向盘转角，即实现了智能电动汽车在跟车自主行驶下的智能化和实时性的纵向和横向的耦合运动控制。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术通过自身传感器感知周围信息的智能汽车，针对智能汽车在跟车自主行驶工况下对横向和纵向运动实现智能化和实时性控制的要求，进行了跟车工况下整车控制系统的信息感知与输入研究，设计了自动变速和制动耦合上层控制策略和下层控制算法，及横向运动上层控制策略和下层控制算法，在此基础上完成整车控制系统的软硬件设计，并通过仿真和实车实验验证控制系统的性能。附图说明图1为实施例2整车控制系统硬件总体结构框图。图2为实施例2方向盘转角传感器整体结构图。图3为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自动驾驶汽车跟车工况控制方法，其特征在于，包括步骤：获取车道前方路况视频，截取目标图像，得到实时车距、偏航角、横向距离和弯道曲率；实时检测车速，转向角和加速度信号，作为闭环控制系统的反馈信号；根据实时车距和加速度，建立安全车距模型，同时在安全车距模型的基础上，制定自动变速和制动耦合上层控制策略；根据偏航角和横向距离信号，制定车辆姿态控制策略，自动调整修正车辆姿态；据弯道曲率，建立弯道行驶安全性评价模型，制定弯道自主转向上层控制策略。

【技术特征摘要】
1.一种自动驾驶汽车跟车工况控制方法，其特征在于，包括步骤：获取车道前方路况视频，截取目标图像，得到实时车距、偏航角、横向距离和弯道曲率；实时检测车速，转向角和加速度信号，作为闭环控制系统的反馈信号；根据实时车距和加速度，建立安全车距模型，同时在安全车距模型的基础上，制定自动变速和制动耦合上层控制策略；根据偏航角和横向距离信号，制定车辆姿态控制策略，自动调整修正车辆姿态；据弯道曲率，建立弯道行驶安全性评价模型，制定弯道自主转向上层控制策略。2.根据权利要求1所述的一种自动驾驶汽车跟车工况控制方法，其特征在于，对视频流进行每秒预定帧数的帧提取，每次帧提取得到单幅图像，此图像即为目标图像，将目标图像输入上位机中，上位机通过所述单目视觉和车牌识别的车距测量算法得到实时车距，通过单目视觉算法分别得到偏航角，横向距离和弯道曲率。3.根据权利要求1或2所述的一种自动驾驶汽车跟车工况控制方法，其特征在于，采用所述自主变速和制动耦合上层控制策略和自整定模糊PID纵向运动下层控制算法实时控制驱动轮毂电机的调速电压和制动推杆电机的推杆行程，来控制智能电动汽车的车速，加速度和制动轮缸压力。4.根据权利要求1或2所述的一种自动驾驶汽车跟车工况控制方法，其特征在于，采用所述弯道自主转向上层控制策略和横向运动控制算法通过实施控制转向步进电机的电机转角，来控制汽车的方向盘转向角。5.根据权利要求4所述的一种自动驾驶汽车跟车工况控制方法，其特征在于，所述横向运动控制算法包括以下步骤：S1.确定车辆横向运动模型；S2.确定车辆横摆运动模型；S3.利用LMI方法综合考虑弯道几何特征和横向偏差变化的评价函数设计，建立评价函数。6.根据权利要求5所述的一种自动驾驶汽车跟车工况控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，车辆横向运动模型如下：其中，IZ表示垂直方向的转动惯量，m是车的整备质量，Cf是前轮胎侧偏刚度，Cr是后轮胎侧偏刚度，a是质心到前轮距离，b是质心到后轮距离，δ是前轮转向角，Fxf是车辆前轮纵向力，ψ是横摆角速度,x、y分别代表平面上x、y方向的位移。7.根据权利要求5或6所述的一种自动驾驶汽车跟车工况控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，车辆横摆运动模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：程泊静，陈刚，胥刚，陈标，
申请(专利权)人：湖南汽车工程职业学院，
类型：发明
国别省市：湖南,43