基于车车协同的汽车主动避撞控制研究

作     者：项楚勇 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：魏民祥

授予年度：2019年

学科分类：082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：对接路面 动态安全距离模型 控制策略 危险评估 车车协同 

摘      要：交通拥堵和交通安全问题是两大交通领域的难题,智能交通对于提高交通安全水平和缓解交通拥堵具有重要影响。随着无线通信技术的快速发展,车车协同技术已成为智能交通技术研究的热点。主动避撞系统作为汽车先进安全技术的重要内容,提高了行车安全性,促进了智能交通发展。因此,展开对车车协同技术和主动避撞技术相结合的避撞控制系统的研究具有重要意义,本文主要研究基于车车协同的对接路面和单一高附着路面的主动避撞系统。本文首先建立了整车动力学模型,包括整车非线性七自由度模型、轮胎模型、车辆线性二自由度模型以及逆动力学模型,基于扩展卡尔曼滤波(EKF)对路面附着系数进行估计,然后建立了传统制动安全距离模型,仿真验证了该模型应用在对接路面的避撞不仅无法保障车辆安全性,而且降低道路利用率。根据车辆换道边界条件进行了换道轨迹规划,结合轨迹的舒适性和换道效率评价指标,建立了归一化评价函数来选择最优换道轨迹,结合前后两车碰撞临界条件,建立了换道安全距离模型,对车辆在单一路面双车道的换道冲突进行了分析。针对对接路面避撞场景,首先基于对接路面建立了动态纵向安全距离模型,分别验证了保守和冒险模式下安全距离模型的有效性。然后,在动态安全距离模型基础上建立对接路面纵向避撞控制策略,设计了基于PID纵向下层控制器,包括分段式纵向控制器和基于滑移率目标纵向控制器,并在不同路面上对防抱死系统(ABS)的控制效果进行了仿真验证。最后基于CarSim和MATLAB/Simulink联合仿真平台,验证了基于车车协同的对接路面避撞系统的有效性。仿真实验结果表明:对比基于制动安全距模型的控制策略,在路面附着系数变化的对接路面上,基于车车协同纵向避撞控制系统不仅提高了车辆安全性,而且增加了道路利用率。针对单一高附着路面避撞场景,首先分析了制动与转向避撞临界状态,结合车辆制动减速度和最优换道轨迹,确定车辆制动和转向临界避撞安全距离。然后为确定车辆危险工况,设计了两种评估方法,即基于模糊推理的危险评估模型和基于碰撞时间倒数(TTC)的危险区域评定,在此基础上提出了一种基于车车协同主动避撞控制策略,基于预瞄与跟随理论设计了转向控制器,并对其路径跟踪控制效果进行了仿真验证。建立了车车协同换道模型,并规划车车协同最优换道轨迹。最后搭建CarSim、PreScan和MATLAB/Simulink联合仿真平台,验证了基于车车协同主动避撞系统在单一高附着路面避撞的有效性。仿真实验结果表明:对比基于TTC单一全制动的控制策略,集成制动和转向的主动避撞系统提高了车辆安全性和驾驶员舒适性。搭建系统硬件在环实时仿真平台,仿真验证了车车协同换道避撞控制的有效性,实时仿真实验结果表明:车辆在协同换道控制中保证了车辆行驶的安全性和稳定性。