一种具有换道辅助功能的自适应巡航控制器及其工作方法
专利汇可以提供一种具有换道辅助功能的自适应巡航控制器及其工作方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种具有换道辅助功能的自适应巡航 控制器 及其工作方法，所述的控制器包括 感知 系统、换道预警系统、换道辅助系统和ACC系统，所述的感知系统分别与换道预警系统、换道辅助系统和ACC系统连接，所述的换道辅助系统分别与换道预警系统和ACC系统双向连接，所述的换道辅助系统分别与换道轨迹规划路径 跟踪 器和MPC控制器连接。本发明不仅具有原ACC系统的全部功能，即可以通过车载雷达等 传感器 监测 汽车 前方的道路交通环境，对车辆进行纵向控制，使本车与前车保持安全距离行驶；还可以在前方有复杂交通状况或驾驶员有换道意图时避开障碍物进行自主换道；并可以有效避免事故发生，也极大改善ACC系统对驾驶员换道造成的不适感。，下面是一种具有换道辅助功能的自适应巡航控制器及其工作方法专利的具体信息内容。
1.一种具有换道辅助功能的自适应巡航控制器，其特征在于：包括感知系统、换道预警系统、换道辅助系统和ACC系统，所述的感知系统、换道预警系统、换道辅助系统和ACC系统集成于整车控制器中，所述的感知系统分别与换道预警系统、换道辅助系统和ACC系统连接，所述的换道辅助系统分别与换道预警系统和ACC系统双向连接，所述的换道辅助系统分别与轨迹规划器、轨迹跟踪器和MPC控制器连接；所述的MPC控制器分别与ACC系统、节气门和制动踏板连接；所述的轨迹规划器、轨迹跟踪器与方向盘连接；
所述的感知系统包括RGB视觉传感器、单轴陀螺仪和光编码器，所述的RGB视觉传感器、单轴陀螺仪以及光编码器获得的信息作为输入对车辆进行定位和控制；在车辆行驶过程中，RGB视觉传感器用于检测前方障碍物，进行前方障碍物测距，确定可行驶安全区域；单轴陀螺仪和光编码器分别用于车辆角速度以及速度测量，获得车辆里程计信息；
所述的换道预警系统是当前方出现换道路况时报警并提醒驾驶员开始作换道准备；
所述的换道辅助系统是当前方有复杂交汇车辆出现时，控制车辆进行自主换道操作，在自主换道过程中首先进行换道轨迹的规划，其次对经过规划的路径进行跟踪来实现换道子系统的完成；
所述的ACC系统是当前方有同向车辆或无车辆时，控制车辆自动切换至ACC系统，ACC系统采用模型预测方法实现间距可变的跟车过程。
2.一种具有换道辅助功能的自适应巡航控制器的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、感知系统采集车辆前方路况：感知系统实时采集车辆前方路况，并将路况信息实时传输给具有换道辅助功能的自适应巡航控制器；具有换道辅助功能的自适应巡航控制器对车辆前方路况信息进行判断，若感知系统监测出前方有交汇车辆驶来或者驾驶员有换道意图时，换道预警系统发出带有换道声音的信号同时触发换道辅助系统进行工作；当车辆前方有同向行驶车辆或需要进行跟随操作时开启ACC系统；
B、换道预警系统根据感知系统传来的信号判断是否有换道必要，发出警报信号并将信号传给换道辅助系统，同时接收换道辅助系统是否已经开始执行，若已执行则关闭换道预警系统，若未执行，则继续开启换道预警系统；
C、换道辅助系统根据前方路况判断是否存在障碍物，将换道轨迹规划分为有障碍物换道和无障碍物换道，两种轨迹规划都采用拟合多次项轨迹方程的方式，最后对规划路径利用模型预测方法进行换道路线轨迹跟踪完成换道任务；
具体工作方法如下：
C1、根据上层感知系统判断换道前方路况
通过感知系统中的RGB视觉传感器对车辆前方状况进行实时检测；
C2、判断前方是否有障碍物
若前方未检测到障碍物的存在，则启动无障碍物换道模式转步骤C21；若前方检测到有障碍物则启动有障碍物换道模式，转步骤C22；
C21、规划换道过程无障碍多项式换道路径
根据车辆的起始状态和目标状态得出一条期望换道路径，使车辆在规定时间内到达相邻车道；对车辆横纵向运动利用五次多项式拟合换道轨迹：
分别对五次多项式求一阶导和二阶导相应得到速度和加速度的五次多项式，结合车辆换道的始末状态得出换道轨迹如下：
其中:
A＝(a5,a4,a3,a2,a1,a0)
B＝(b5,b4,b3,b2,b1,b0)
式中，f(x)为横向换道轨迹多项式函数，f(y)分别为纵向换道轨迹多项式函数，T6×6为多次项矩阵，A、B均为多项式系数矩阵，根据车辆换道起始时刻到结束时刻的平均速度以及换道时间确定，以此求得换道轨迹方程；转步骤C3；
C22、规划换道过程有障碍多项式换道路径
若换道过程中有障碍物出现，则对式(1)进行约束限制；在实际车辆前行过程中，纵向速度是不断变化的，因此引入车辆几何学模型的方法对其进行约束限制；
C221、选用动态圆包围的形式对车辆进行等价替代，即以车辆宽度为直径所处位置不断作圆；以圆扫过的面积替代车辆模型；
C222、对该车辆模型进行分析得出各动态圆的方程，并分析换道车辆不发生碰撞的几何条件，得出约束条件如下：
(x2-x1)2+(y2-y1)2＞(R1+R2)2 (3)
式中xf为车辆前端的横坐标，xr为车辆后端的横坐标，yf为车辆前端的纵坐标，yr为车辆后端的纵坐标，x1为障碍车的横坐标，x2为本车的横坐标，y1为障碍车的纵坐标，y2为本车的纵坐标，R1为障碍车等效动态圆圆心，R2为本车等效动态圆圆心，同时忽略横摆角速度和质心侧偏角的影响，将式(2)代入式(3)得：
[x1r+u1x(x1f-x1r-x2r-u2x(x2f-x2r))]2+[y1r+u1y(y1-y1r)-y2r-u2y(y2f-y2r)]2＞(R1+R2)2 (4)其中，x1r为障碍车后端的横坐标，x1f为障碍车前端的横坐标，x2r为本车后端的横坐标，x2f为本车前端的横坐标，y1r为障碍车后端的纵坐标，y1f为障碍车前端的纵坐标，y2r为本车后端的纵坐标，y2f为本车前端的纵坐标，
整理式(4)得：
α2a62+βb6+γ＞0 (5)
其中α、β、γ是关于时间的函数，a6、b6是障碍换道中六次项的系数，根据求根公式确定a6的范围：
C223、确定有障碍时的换道轨迹方程
基于式(5)确定换道的多项式系数，同时考虑在换道时间内用动态圆建立的车辆模型不能与障碍车辆的前后端存在交点，在车辆汇流处，假设在某一时刻本车的车头到达前车车尾处，则称其为碰撞时刻，若要两车不发生碰撞，此时刻本车在目标车道至少产生一个宽度为车身宽度的位移，分别对本车前后端进行临界碰撞检测，并根据本车车体长宽给出一边界值求a6，以此确定多项式系数矩阵A、B的值代入式(1)形成有障碍物的换道轨迹方程；
C3、确定换道轨迹跟踪过程
换道轨迹跟踪采用模型预测算法即MPC法，将经过步骤C2确定的换道轨迹方程代入MPC轨迹跟踪控制器中进行跟踪；
车辆从一个已知点出发，记为车辆的初始状态，以车辆运动学作为预测方程基础，根据所需目标建立轨迹误差模型、车辆当前状态信息和未来控制预测车辆状态信息，建立目标函数和约束方程，得到约束条件和目标函数，将其输出量即车轮转角作用于车辆上，最终跟上期望轨迹；过程中最核心部分为建立目标函数和约束条件，具体步骤如下：
C31、建立轨迹跟踪目标函数
以车辆动力学模型建立的模型预测控制为基础，结合车辆行驶时的约束条件，对换道轨迹进行跟踪；轨迹跟踪的目的是使实际轨迹与期望轨迹误差最小，同时使控制量达到最小要求；
式中，Γy为轨迹目标函数中横向位移对应权重系数，为对角矩阵；Γu为轨迹目标函数中状态量对应权重系数，为对角矩阵；y(k+i)为第k+i时刻轨迹的实际位置，ydes(k+i)是预测期望位置，u(k+i)为第k+i时刻的状态量；
C32、建立轨迹跟踪约束条件
换道轨迹跟踪的约束条件有两个，分别是控制量不能超过规定极限值、前轮转角不能超过极限值，即：
umin≤u(k+i)≤umax
δmin≤δ≤δmax
D、当感知系统检测到行驶车道的前方有其他前行车辆时立刻触发ACC系统工作，ACC系统根据本车和前车之间的相对距离和相对车速信息，通过与车辆的ABS、发动机控制系统、自动变速器控制系统协调工作，使本车与前车始终保持安全距离行驶；若感知系统检测出前方有同方向行驶车辆且转角传感器未检测到从方向盘传来的转角信号，则开启ACC系统，ACC系统同样采用模型预测算法；
D1、建立ACC系统目标函数
ACC系统的目标是为了控制车距误差和相对速度，但为充分反映ACC系统的动态变化规律，将前车加速度作为ACC系统的干扰的，并通过对本车加速度和加速度变化率动态特性的考虑来提高状态空间模型的鲁棒性和控制精度；
为了减小每一步期望加速度的变化量，使得控制信号变化平缓，将期望加速度变化量作为第一控制目标：
其中：s表示期望加速度变化量的权重矩阵，舍去对优化问题不产生作用的无用项ρ1，得到目标函数第一项:
第二控制目标为：预测输出值与参考输出值之间的差值最小化；该控制目标写成最小二范数的形式：
舍去对优化问题不产生作用的无用项ρ2，得到目标函数第二项:
其中：
q＝diag[q1,q2,q3,q4]
其中：Yr为预测时域内每一步的参考输出组成的矩阵；fa为第一步的参考输出矩阵，q为每一步输出的权重矩阵，q1为对角矩阵Q中第一行第一列的权重系数，q2为对角矩阵中第二行第二列的权重系数，q3为对角矩阵中第三行第三列的权重系数，q4为对角矩阵中第四行第四列的权重系数；
D2、建立ACC系统约束条件
在ACC系统的模型预测问题中，考虑车辆的物理条件限制；其中期望加速度的最大值最小值是模型预测问题中最常见的约束；期望加速度的上下界所形成的约束如下式所示：
即Umin≤Uc≤Umax，其中umin为期望加速度的最小值，umax为期望加速度的最大值，uk为第k时刻的状态量，uk+1为第k+1时刻的状态量，uk+c-1为第k+c-1时刻的状态量；
为了达到理想的控制目标，使得ACC系统的性能指标满足控制目标的需求，对车间距Δx、相对速度vrel、本车加速度a和本车加速度变化率j构成的ACC系统性能指标进行约束，定义向量χ＝[Δx,v,a,j]T，对预测空间内的每一步的χ进行约束，用公式表示为：
即：
其中：
χmin、χmax分别表示χ的最小值和最大值，因此，关于ACC系统性能指标的约束条件为：
结束。
一种具有换道辅助功能的自适应巡航控制器及其工作方法
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附图说明
具体实施方式
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