[发明专利]一种基于车路协同技术的车辆避碰系统及方法

权利要求书

1.一种基于车路协同技术的车辆避碰方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、搭建一种基于车路协同技术的分层式车辆避碰系统；建立车辆模型、多车辆耦合交互模型、轮胎路面摩擦力估算模型；

S2、通过车辆模型得到多辆车辆的运动状态及行驶信息；通过多车辆耦合交互模型得到每辆车辆到惯性坐标系的纵向距离，及前后车之间的相对速度和距离；通过V2I设备将车辆模型、多车辆耦合交互模型得到的车辆数据传递到轮胎路面摩擦力估算模型，通过轮胎路面摩擦力估算模型估算得到各车的轮胎路面摩擦力；

S3、将步骤S2中车辆模型、多车辆耦合交互模型、轮胎路面摩擦力估算模型得到的车辆和道路的综合信息通过车路通信网络传输到云端的多车安全交互系统；

S4、多车安全交互系统根据采集到的信息，分析并优化各车之间的安全距离和速度，并下达对每一辆被控车辆的控制信息至车辆上层控制器；

S5、车辆上层控制器根据多车安全交互系统的控制信息计算出各对应车辆的行驶安全控制指令，并将控制指令传输到车辆底层执行控制器；

S6、车辆底层执行控制器根据行驶安全控制指令对车辆进行跟踪控制，从而对车队中的每一辆被控车辆实现目标控制；

车辆模型的建立过程如下：

假设车辆在平坦道路上行驶，不考虑车辆的行驶阻力、垂直力和侧向力，车辆建模为：

上式中，S_Long,i为第i辆车的纵向距离；u_i为纵向车速；F_j,i为第i辆车的第j个轮的垂向力；m_i为第i辆车的质量；

多车辆耦合交互模型的建立过程如下：

为保障系统各车辆的安全行驶，需要得到每架车辆到惯性坐标系的纵向距离，以及每一控制时间周期前后车之间的速度和距离，建立的模型如下：

上式中，Spd_Dif,i为前后车的速度差；Dist_Dif,i为前后车距离；Sld_i为第i辆车的位置；S_Long,0为初始纵向距离；

轮胎路面摩擦力估算模型的建立过程如下：

选择Magic公式作为估算模型，模型的数学方程如下：

u_L＝D_Lsin[C_Larctan{B_Lλ-E_L(B_Lλ-arctan(B_Lλ))}]

上式中，u_L为摩擦系数，λ为滑移率，B_L为刚度系数，C_L为形状因子，D_L为峰值，E_L为曲率系数；由于B_L、C_L、D_L和E_L随着车辆和道路状况而变化，需要对其进行动态估计和更新，性能指标PI_i-tyre是B_L、C_L、D_L和E_L的加权误差的均方指数；考虑到变量的物理约束，基于约束混合遗传算法对其进行优化估计，如下所示：

x＝[B_L,C_L,D_L,E_L]^T

s.t.x_min≤x≤x_max

上式中，ω_i为加权因子；表示第i辆车的地面摩擦力估计值；F_Z表示地面摩擦力的法向力；μ表示摩擦力系数；表示第i辆车的地面滑移率估计值；x_max，x_min分别为B_L、C_L、D_L和E_L的最大和最小约束边界值；

对于遗传算法，B_L、C_L、D_L和E_L的最优变量通过固定长度的数据类型编码成GA二进制字符串，如下式：

假设B_L由N1位表示，C_L由N2位表示，D_L由N3位表示，E_L由N4位表示，则B_L、C_L、D_L和E_L的染色体GA位之和为N1+N2+N3+N4，得到：

……

将上式的二进制值转换为相应的十进制值，则用下面的形式表示：

……

上式中，和对应为B_L、C_L、D_L和E_L的二进制值；

多车安全交互系统的建立过程如下：

多车安全交互系统根据车辆间的纵向距离与轮胎路面摩擦力估算结果，进行车辆行驶的安全分析，由两个关键变量来评估；

一种是碰撞时间TTC，它是两辆耦合车辆之间的间隔时间指标；TTC规定如下：

式中：S_Long,Dif,i为第i辆车的纵向相对距离；u_Dif,i为第i辆车的纵向相对速度；

另一个是警告指数WI，这是两辆相关车辆之间的间隔时间指数；WI描述为：

上式中，S_Long,Bk,i为第i辆车的制动距离之和；S_Long,Wr,i为第i辆车到目标碰撞车辆的距离；表示纵向加速度；u_Long,0为纵向初速度；u_Long,i为制动操作后的纵向最终速度；为制动加速度最大平均值的当量值；T_Bk,Delay为制动系统操作机构引起的延时；T_Bk,Cmd为车辆制动系统延时；T_Resp,Delay为驾驶员生理结构引起的人体生理系统延时；

由能够得到：

为了便于分析，TTC标准化为：

上式中，是TTC^-1的阈值；

同理，WI标准化为：

上式中，WI_max为WI的最大值，WI_Thrd为WI的阈值。