一种基于模型预测控制的防护人地碰撞损伤的智能车运动控制方法

摘要

针对现有防护人地碰撞损伤的车辆运动控制方法的不足，提出一种基于模型预测控制的防护人地碰撞损伤的智能车运动控制方法。当监测到事故不可避免时，完全制动车辆至人头部与车撞击的t1时刻；然后松开车辆制动并实时监测人体胸部速度和位置，据此预估之后10个时间步长内人体胸部的运动轨迹，再根据预估轨迹与车头位置差对车辆进行横、纵向运动控制；当监测到人体胸部位置高于发动机罩盖前沿高度时，重复轨迹预估、运动控制步骤；当监测到人体胸部位置低于发动机罩盖前沿时，完全制动车辆至静止。本发明的有益效果是：依据预估轨迹对车辆横、纵向运动进行控制，有效解决了现有成果中未考虑车辆横向控制及事故过程极短导致难以实施高效控制的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及智能汽车领域，更具体地，涉及一种基于模型预测控制的防护人地碰撞损伤的智能车运动控制方法。

背景技术

智能汽车从其概念提出伊始就承担着人们对道路交通安全、智能及高效等美好愿望，人们期待通过智能车将交通事故的数量大幅度降低，实现零事故愿景。智能化时代，可以肯定的是，事故数量一定会大幅下降，碰撞车速亦会大幅降低，但从目前对事故数据的挖掘、行人自动紧急制动系统的研究以及少量具备一定智能程度的汽车(如特斯拉)的运行实践情况来看，智能车离零事故愿景还有很长一段距离。

人们对智能车的期待很高，加之智能车肯定能大幅降低车车等碰撞事故数量特别是碰撞车速进而可以更好地保护乘员，但因行人的不可预测性其保护行人的效果肯定不如保护乘员的效果那么明显，这就使得实现零事故愿景前的智能车的行人保护能力亟需提高，以实现交通强者对弱势道路使用者的保护。

人车碰撞事故中，已有研究表明，行人的伤害来源于与车辆的第一次撞击及其后与地面的第二次撞击。但在低速碰撞事故中，人体损伤更多来源于与地面的撞击，深度事故调查结果更是显示如能避免地面损伤则可减少2/3的事故损失。为此，学者们就人地碰撞损伤机理、人地碰撞高精度仿真建模及人地碰撞损伤防护方法等方面开展了广泛而深入的研究。其中，在损伤防护方面，人们提出了车顶、发动机罩盖等部件及制动控制、速度控制等智能车运动控制方法以有效降低事故中的人地碰撞损伤。纵观这些研究成果特别是对车辆运动控制的相关成果，非常显著的特点是它们仅对车辆纵向进行控制且未考虑事故过程极短导致难以实施高效控制的现状。人车碰撞发生后，人体头部与车体接触的时间在零点几秒内发生，之后人体被抛出再坠落地面，整个过程在极短的时间内完成，要求智能车科学控制自身运动以最大限度降低人地碰撞损伤的难度极大。在这种情况下，可运用模型预测控制的理念，通过预测行人被抛出后人体的近似运动轨迹，以此为目标对车辆的运动进行控制，以有效降低地面所致损伤。

发明内容

针对现有防护人地碰撞损伤的智能车运动控制方法中没有对车辆横向进行控制且未考虑事故过程极短导致难以实施高效控制的现状，本发明提出一种基于模型预测控制的防护人地碰撞损伤的智能车运动控制方法，实施步骤如下：

S1：当车辆监测到事故不可避免时，完全制动车辆至人体头部与车体首次撞击的t1时刻，t1之后松开车辆制动并实时监测人体胸部在x、y和z方向的速度与位置；

S2：根据t1时刻监测到的人体胸部在x、y和z方向的速度vx0、vy0和vz0与位置px0、py0和pz0，预估该时刻后10个时间步长内人体胸部的运动轨迹；

S3：计算步骤S2所得运动轨迹中x方向上人体胸部位置与发动机罩盖后沿位置之差e1，并将差值e1分为正、零、负三类；同时，计算所得运动轨迹中y方向上人体胸部位置与发动机罩盖后沿中间位置之差e2，并将差值e2分为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大七类；

S4：按照给定规则控制车辆在x方向的运动，并在人车脱离接触后按照给定步骤控制车辆在y方向的运动；与此同时，继续实时监测人体胸部在x、y和z方向的速度与位置；

S5：当监测到人体胸部在z方向的位置高于发动机罩盖前沿高度时，用当前实时时间代替t1后，重复步骤S2、S3和S4；

S6：当监测到人体胸部在z方向的位置低于发动机罩盖前沿高度时，完全制动车辆至静止。

当监测到事故不可避免时，本发明要求车辆完全制动至人体头部与车体撞击的t1时刻；然后松开车辆制动并实时监测人体胸部在x、y和z方向的速度和位置，且根据监测到的人体胸部速度与位置预估该时刻之后10个时间步长内人体胸部的运动轨迹，进而计算运动轨迹中人体胸部与车体在x方向的位置差e1、y方向的位置差e2；然后根据e1对车辆进行纵向运动控制、根据e2对车辆进行横向运动控制；当监测到人体胸部位置高于发动机罩盖前沿高度时，重复人体胸部运动轨迹预估及车辆横、纵向运动控制步骤；当监测到人体胸部位置低于发动机罩盖前沿时，完全制动车辆至静止；据此实现通过移动车辆影响人体坠地姿态、进而保护人地碰撞损伤的目的。

优选地，步骤S1中t1为人体头部与车体首次接触时刻，在此时间节点之前对车辆完全制动，一方面可以尽力降低人体头部与车体碰撞类事故中头-车撞击时刻的速度从而降低头部损伤；另一方面可以保证人体头部不与车体碰撞类事故(如人体撞击车辆侧面)中车辆处于完全制动状况(因其监测不到t1)，即此类事故中不需对车辆运动进行控制、仅需完全制动车辆。

优选地，步骤S1至S6中，x方向指人车碰撞瞬间车辆纵向且指向车辆前进方向；y方向与x方向垂直、指向人车碰撞瞬间事故车辆驾驶员的左边；z方向与x、y所定义平面垂直且指向地面上方；人体胸部在x、y和z方向的位置由胸部在笛卡尔直角坐标系(x，y，z)中的坐标(px，py，pz)确定，该坐标系原点与人车碰撞瞬间车辆重心位置在地面的投影重合。

优选地，步骤S2中人体胸部运动轨迹的预估方法如下：

假定t时刻实时监测的人体胸部在x、y和z方向的速度为vx0、vy0和vz0而位置为px0、py0和pz0，则t+1时刻人体胸部位置为:

px1＝px0+vx0×Ts,

py1＝py0+vy0×Ts,

pz1＝pz0+vz0×Ts-g×Ts×Ts/2,

式中，g为当地重力加速度，Ts为时间步长，时间步长根据智能车监测设备的采样频率确定；依此类推计算10次则可获得在t时刻之后10个时间步长内人体胸部的运动轨迹。

优选地，步骤S3中，负大指e2<-0.5m，负中指-0.5m0.5m。

优选地，步骤S4中，车辆在x方向的运动控制规则为：当e1为正时，对车辆进行加速，取加速度值1m/s

优选地，步骤S4中，车辆在y方向的运动控制步骤为：

S41：监测到e2不为零时向周边车辆发出讯息，给出明确的变道意图；

S42：当人车脱离接触后，监测周边环境，在确认安全前提下，按照如下规则对车辆横向运动进行控制：如e2为负大，则将车轮转向角设定为-15°；如e2为负中，则将车轮转向角设定为-10°；如e2为负小，则将车轮转向角设定为-5°；如e2为零，则将车轮转向角设为零；如e2为正小，则将车轮转向角设定为5°；如e2为正中，则将车轮转向角设定为10°；如e2为正大，则将车轮转向角设定为15°；车辆转向角逆时针方向为正。相对于纵向控制，考虑到车辆横向运动控制仅在人车脱离接触后才进行，为在较短时间内将车辆位置控制到位，此处车轮转角的取值均较大。从驾驶员视角看，当人体偏向车辆左侧时，将车辆向左移，反之则向右移，最终可使两者的位置差为零，从而保证人体最终能掉落发动机罩盖中央而非从车体边缘坠落地面，从而达到最优的车体接人位置。

S43：监测到人车接触后，将车轮转向角设定为零后，结束横向运动控制。人车接触后，人与车之间因摩擦力作用会相互影响，此时对车辆横向运动进行控制，会增加人体在y方向的速度，这意味着会增加整个过程中人体从车体处获得的动能，可能会增加人地碰撞损伤风险。这是危险的行为，因此车辆横向运动控制只有在人车脱离接触后才实施。

优选地，步骤S5中当监测到人体胸部在z方向的位置高于发动机罩盖前沿高度时，表明人体离坠落地面尚有一段时间，故可继续对车辆实施制动控制；考虑到行人运动轨迹模型较为简单，为了保证模型精度，以当前实时时刻为起点，重新按照步骤S2计算该时间点后10个时间步长内人体的运动轨迹，据此继续步骤S3和S4中对车辆运动的控制。

优选地，步骤S6中当监测到人体胸部在z方向的位置低于发动机罩盖前沿高度时，表明人体即将坠落地面，此时需完全制动车辆以避免碾压事故。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：依据监测到的人体胸部速度、位置预测在之后10个时间步长内的人体运动轨迹，据此通过科学调整加速度及车轮转向角以实现对车辆运动的高效控制，有效地解决了既有成果中未考虑车辆横向控制及事故过程极短导致难以实施高效控制的问题。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

对于某一智能汽车，当其监测到与行人的潜在碰撞不可避免时，按照如下步骤保护人地碰撞：

S1：完全制动车辆至人体头部与车体首次撞击的t1时刻，t1之后松开车辆制动并实时监测人体胸部在x、y和z方向的速度与位置。其中x方向指人车碰撞瞬间车辆纵向且指向车辆前进方向；y方向与x方向垂直、指向人车碰撞瞬间事故车辆驾驶员的左边；z方向与x、y所定义平面垂直且指向地面上方；人体胸部在x、y和z方向的位置由胸部在笛卡尔直角坐标系(x，y，z)中的坐标(px，py，pz)确定，该坐标系原点与人车碰撞瞬间车辆重心位置在地面的投影重合。

S2：根据t1时刻监测到的人体胸部在x、y和z方向的速度vx0、vy0和vz0与位置px0、py0和pz0，预估该时刻后10个时间步长内人体胸部的运动轨迹。预估方法如下：

假定t时刻实时监测的人体胸部在x、y和z方向的速度为vx0、vy0和vz0而位置为px0、py0和pz0，则t+1时刻人体胸部位置为:

px1＝px0+vx0×Ts,

py1＝py0+vy0×Ts,

pz1＝pz0+vz0×Ts-g×Ts×Ts/2,

式中，g为当地重力加速度，Ts为时间步长，时间步长根据智能车监测设备的采样频率确定；依此类推计算10次则可获得在t时刻之后10个时间步长内人体胸部的运动轨迹

S3：计算步骤S2所得运动轨迹中x方向上人体胸部位置与发动机罩盖后沿位置之差e1，并将差值e1分为正、零、负三类；同时，计算所得运动轨迹中y方向上人体胸部位置与发动机罩盖后沿中间位置之差e2，并将差值e2分为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大七类。其中，负大指e2<-0.5m，负中指-0.5m0.5m。

S4：按照给定规则控制车辆在x方向的运动，并在人车脱离接触后按照给定步骤控制车辆在y方向的运动；与此同时，继续实时监测人体胸部在x、y和z方向的速度与位置。

车辆在x方向的运动控制规则为：当e1为正时，对车辆进行加速，取加速度值1m/s

车辆在y方向的运动控制步骤为：

S41：监测到e2不为零时向周边车辆发出讯息，给出明确的变道意图；

S42：当人车脱离接触后，监测周边环境，在确认安全前提下，按照如下规则对车辆横向运动进行控制：如e2为负大，则将车轮转向角设定为-15°；如e2为负中，则将车轮转向角设定为-10°；如e2为负小，则将车轮转向角设定为-5°；如e2为零，则将车轮转向角设为零；如e2为正小，则将车轮转向角设定为5°；如e2为正中，则将车轮转向角设定为10°；如e2为正大，则将车轮转向角设定为15°；车辆转向角逆时针方向为正。

S43：监测到人车接触后，将车轮转向角设定为零后，结束横向运动控制。

S5：当监测到人体胸部在z方向的位置高于发动机罩盖前沿高度时，用当前实时时间代替t1后，重复步骤S2、S3和S4；

S6：当监测到人体胸部在z方向的位置低于发动机罩盖前沿高度时，完全制动车辆至静止。

本发明提出了一种基于模型预测控制的防护人地碰撞损伤的智能车运动控制方法，当监测到事故不可避免时，本发明要求车辆完全制动至人体头部与车体撞击的t1时刻；然后松开车辆制动并实时监测人体胸部在x、y和z方向的速度和位置，且根据监测到的人体胸部速度与位置预估该时刻之后10个时间步长内人体胸部的运动轨迹，进而计算运动轨迹中人体胸部与车体在x方向的位置差e1、y方向的位置差e2；然后根据e1对车辆进行纵向运动控制、根据e2对车辆进行横向运动控制；当监测到人体胸部位置高于发动机罩盖前沿高度时，重复人体胸部运动轨迹预估及车辆横、纵向运动控制步骤；当监测到人体胸部位置低于发动机罩盖前沿时，完全制动车辆至静止；据此实现通过移动车辆影响人体坠地姿态、进而保护人地碰撞损伤的目的。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。