車輛彎道安全輔助駕駛控制系統設計

德州學院汽車工程學院 李 政

1.引言

高速公路是汽車的重要承載體，隨著公路通車里程和汽車保有量的持續增長，交通安全問題也面臨著嚴峻挑戰。近年來，交通事故的頻繁、人員傷亡的慘重和經濟損失的巨大逐漸成為了被關注的焦點。而彎道是高速公路載體中的特殊構造物，相比其他直線路段，彎道處的線形設計更復雜多變。彎道是交通事故的多發路段，在公路彎道路段，交通事故的發生大多是由駕駛行為偏離導致，是行車速度及軌跡偏離的外在表現。

2.車輛彎道安全輔助駕駛控制系統設計方法

本文研究了一種基于道路區域分割的彎道檢測新算法，包含道路區域分割與彎道邊界檢測，其實現流程圖如圖1所示。在分割出道路區域和天空區域，劃定彎道檢測的感興趣區域后，提取分道線候選特征點，并對候選點進行校正，最終擬合并重建出彎道分道線，同時準確判斷當前車道的彎曲方向

圖1 彎道檢測算法流程圖

3.車輛防側滑側翻控制系統設計

車輛在彎道上變轉角或定轉角行駛，當車速大于一定數值時，所產生的橫向力就會超過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，導致汽車后軸發生側滑而偏離原行駛軌跡；同時，由于離心力的作用引起橫向和縱向質量的轉移，各車輪上的法向載荷有很大變化，輪胎發生側偏，同時車身產生側傾，嚴重時還會導致側翻，為避免發生側面碰撞和翻車等危險工況，保證車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計了一種車輛防側滑側翻控制系統，大致分為彎道曲率識別模塊、安全車速計算模塊、安全狀態判斷模塊以及系統自動控制模塊，各模塊依次信號連接，系統組成示意圖如圖2所示。

圖2 彎道防側滑側翻控制系統的組成示意圖

實時檢測前方彎道的曲率半徑，然后計算車輛不發生側滑側翻的臨界安全車速，對車輛當前的安全狀態做出綜合分析和判斷，最后設計位姿控制器和力矩控制器，在有安全隱患的狀況下實現安全車速控制以及彎道車道保持。

3.1 彎道曲率識別

彎道曲率識別模塊用于實時檢測前方彎道的曲率半徑。先是利用車載GPS/GIS系統輸出的道路坐標估計道路曲率，GPS系統實時、準確、動態定位當前道路的地理位置信息，經GIS系統識別、轉換、處理后，輸出可視化的道路三維坐標數據，從而預估當前道路的曲率信息。同時利用車載CCD獲取道路圖像，通過圖像預處理、擬合道路模型并重建彎道車道線來計算彎道半徑，獲取前方彎道的曲率信息。根據系統預估的曲率信息、校核計算所得的彎道半徑。

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

計算得到四組對應的曲率半徑值R1，R2，R3和Ra，分別與利用車載GPS/GIS系統輸出的道路坐標所估計的道路曲率相比較，在誤差允許范圍內認為是可靠曲率信息，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 安全車速計算

當車輛彎道行駛時產生的離心力小于或者等于路面附著力時，汽車不發生側滑；同時考慮路面超高能夠抵消部分離心力，計算公式為：

式中：F為車輛彎道行駛時產生的離心力；為地面附著力；v為不發生側滑的安全車速；m為路面超高所抵消的部分離心力；Fr為汽車質量；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；g為重力加速度。

3.3 安全狀態判斷

安全狀態判斷模塊根據車輛當前運動狀態判斷車輛安全狀態，即比較當前車速與臨界安全車速的大小關系。若當前車速大于臨界安全車速，系統報警，報警信號輸入車載微處理器，操縱系統自動控制模塊的控制器作用，車輛制動減速。在整個制動減速過程中，若車速處于高速區段，理想減速度將不斷增加；當車速降至低速區段，此時為避免制動減速度過大，理想減速度將恒定不變直至減速至安全車速。

3.4 系統自動控制

系統自動控制模塊的作用是實時調控車輛行駛狀態，實現直道自動減速與彎道車道保持，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輛運動學和動力學之間的關系。另外，力矩控制器產生的驅動/制動力矩和轉動力矩是車輛的實際輸入。

4.結論

研究了兩種基于視覺的高速公路彎道車道線檢測方法，一種是基于道路區域分割的彎道檢測算法，一種是基于特征點提取的彎道識別算法。這兩種方法的平均算法時間和識別準確率較傳統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設計需要，本文選用了第一種方法，在準確識別彎道邊界、判斷道路彎曲方向的同時實時獲取了當前彎道的曲率半徑信息。

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