德州學(xué)院汽車工程學(xué)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(xù)增長，交通安全問題也面臨著嚴峻挑戰(zhàn)。近年來，交通事故的頻繁、人員傷亡的慘重和經(jīng)濟損失的巨大逐漸成為了被關(guān)注的焦點。而彎道是高速公路載體中的特殊構(gòu)造物，相比其他直線路段，彎道處的線形設(shè)計更復(fù)雜多變。彎道是交通事故的多發(fā)路段，在公路彎道路段，交通事故的發(fā)生大多是由駕駛行為偏離導(dǎo)致，是行車速度及軌跡偏離的外在表現(xiàn)。

2.車輛彎道安全輔助駕駛控制系統(tǒng)設(shè)計方法

本文研究了一種基于道路區(qū)域分割的彎道檢測新算法，包含道路區(qū)域分割與彎道邊界檢測，其實現(xiàn)流程圖如圖1所示。在分割出道路區(qū)域和天空區(qū)域，劃定彎道檢測的感興趣區(qū)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(cè)滑側(cè)翻控制系統(tǒng)設(shè)計

車輛在彎道上變轉(zhuǎn)角或定轉(zhuǎn)角行駛，當車速大于一定數(shù)值時，所產(chǎn)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(dǎo)致汽車后軸發(fā)生側(cè)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(zhì)量的轉(zhuǎn)移，各車輪上的法向載荷有很大變化，輪胎發(fā)生側(cè)偏，同時車身產(chǎn)生側(cè)傾，嚴重時還會導(dǎo)致側(cè)翻，為避免發(fā)生側(cè)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(shè)計了一種車輛防側(cè)滑側(cè)翻控制系統(tǒng)，大致分為彎道曲率識別模塊、安全車速計算模塊、安全狀態(tài)判斷模塊以及系統(tǒng)自動控制模塊，各模塊依次信號連接，系統(tǒng)組成示意圖如圖2所示。

圖2 彎道防側(cè)滑側(cè)翻控制系統(tǒng)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(fā)生側(cè)滑側(cè)翻的臨界安全車速，對車輛當前的安全狀態(tài)做出綜合分析和判斷，最后設(shè)計位姿控制器和力矩控制器，在有安全隱患的狀況下實現(xiàn)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(tǒng)輸出的道路坐標估計道路曲率，GPS系統(tǒng)實時、準確、動態(tài)定位當前道路的地理位置信息，經(jīng)GIS系統(tǒng)識別、轉(zhuǎn)換、處理后，輸出可視化的道路三維坐標數(shù)據(jù)，從而預(yù)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(yù)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(jù)系統(tǒng)預(yù)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(yīng)的曲率半徑值R1，R2，R3和Ra，分別與利用車載GPS/GIS系統(tǒng)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(nèi)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(chǎn)生的離心力小于或者等于路面附著力時，汽車不發(fā)生側(cè)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(chǎn)生的離心力；為地面附著力；v為不發(fā)生側(cè)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(zhì)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(shù)；g為重力加速度。

3.3 安全狀態(tài)判斷

安全狀態(tài)判斷模塊根據(jù)車輛當前運動狀態(tài)判斷車輛安全狀態(tài)，即比較當前車速與臨界安全車速的大小關(guān)系。若當前車速大于臨界安全車速，系統(tǒng)報警，報警信號輸入車載微處理器，操縱系統(tǒng)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(qū)段，理想減速度將不斷增加；當車速降至低速區(qū)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(tǒng)自動控制

系統(tǒng)自動控制模塊的作用是實時調(diào)控車輛行駛狀態(tài)，實現(xiàn)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(zhuǎn)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(xué)和動力學(xué)之間的關(guān)系。另外，力矩控制器產(chǎn)生的驅(qū)動/制動力矩和轉(zhuǎn)動力矩是車輛的實際輸入。

4.結(jié)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(qū)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(tǒng)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(tǒng)設(shè)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。

[1]王超深.公路彎道路段交通事故分析及安全對策研究[D].重慶:長安大學(xué),2010.

[2]任園園.公路彎道路段行車危險區(qū)域及駕駛行為模型研究[D].長春:吉林大學(xué),2011.

[3]王榮木,郭烈,金立生等.智能車輛安全輔助駕駛技術(shù)研究近況[D].公路交通科技,2007.

[4]聶堯.車輛安全輔助駕駛技術(shù)淺析[J].交通安全,2008,12.