基于制动和转向的智能车避撞控制研究

作     者：李根 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王晓佳

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：纵向制动 转向换道 安全距离模型 轨迹规划 轨迹跟踪 

摘      要：随着我国经济的高速发展,汽车的保有量逐年上升,交通安全问题备受关注,确保行车安全的避撞系统成为了主动安全技术的研究重点。自动紧急制动系统是目前比较成熟的避撞系统。当车辆行驶速度过高或者路面附着系数过低等情况时,车辆很难完全制动,主要原因是系统制定的安全距离模型不够准确,致使车辆错过最佳制动时机。转向换道方式可以缩短车辆的避撞距离,同时提高驾驶舒适性,但还需要考虑目标车道车辆行驶状态,确保车辆换道时的安全性和换道时的稳定性。本文主要结合制动、转向以及协同避撞三种避撞模式进行分析研究,主要内容如下:(1)车辆避撞系统模型研究。基于三自由度动力学结合魔术公式轮胎模型构建车辆避撞系统;对比分析常见安全距离模型,对安全距离模型进行优化。在纵向制动模式中,基于前车不同行驶状态,建立四种纵向安全距离模型;在横向换道模式中,基于目标车道前后车行驶状态和自车换道时的安全约束条件,建立临界碰撞的最小纵向换道距离模型;在协同避撞模式中,基于车辆高速换道极限工况,建立协同避撞安全距离模型。(2)车辆避撞决策研究。根据不同行驶工况的安全距离模型的临界距离对比分析,构建了满足一定约束条件下的切换避撞策略。对不同换道轨迹方法的路径误差、路径曲率以及车辆动力学约束等因素分析,选择基于五次多项式作为换道参考轨迹的方法,确定了规划轨迹的最大侧向加速度和质心侧偏角的极限值,规划的轨迹曲线更加符合转向避撞时的行驶轨迹。(3)车辆避撞控制器系统研究。纵向控制采用双层控制原理,上层控制将自车与前车的相对速度和相对距离作为纵向避撞控制器的输入量,通过模糊控制的模糊规则输出对应行驶场景的期望加速度,下层采用PID控制对期望加速度值进行修正,使系统能够快速响应。将非线性车辆动力学作为系统的预测模型,设计了换道避撞控制系统,结合车辆换道时的约束条件,对车辆进行滚动优化,通过控制前轮转角来控制车辆换道。(4)仿真与实车试验验证。搭建了Carsim与Matlab/simulink联合仿真平台,验证纵向、横向以及协同避撞三种避撞仿真工况下的控制器的有效性。纵向避撞控制器在不同路面附着系数以及复杂行驶工况中具有很好的避撞能力;轨迹跟踪控制器具有很好的跟踪能力;协同避撞策略能够在短车间距和高车速工况下,降低了车辆换道时的极限侧向加速度,提高了车辆侧向稳定性。在校园道路搭建试验场景,构建了北汽新能源实车平台,进行了不同速度以及不同模式下的车辆避撞试验,试验结果表明,车辆在纵向和横向避撞控制器的有效性,提高了车辆避撞的潜力。综上所述,本文针对智能车安全距离模型和避撞策略过于单一等问题,提出了一种复杂工况下的车辆制动与转向协同避撞策略。首先对传统安全距离模型进行改进,制定了不同工况时的避撞决策逻辑,提高了车辆对于不同驾驶工况的适应能力;在仿真软件中设置了三种仿真工况,验证了设计的避撞控制器的有效性,为实车试验提供了有效依据;最后通过两组不同模式下的实车试验,检验了设计的避撞系统具有很好的避撞能力,提高了车辆的主动安全性能。