一种基于视觉系统和毫米波雷达的路面避坑系统
阅读说明：本技术 一种基于视觉系统和毫米波雷达的路面避坑系统 (Pavement pit avoiding system based on vision system and millimeter wave radar ) 是由 黄利权 韩高峰 黄秀芳 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于视觉系统和毫米波雷达的路面避坑系统。视觉系统,拍摄车前方的图像并识别前方道路上的坑洞,获得坑洞的相对位置关系等坑洞信息发送到车辆系统主控；毫米波雷达布置在车身两侧及后面,探测获得车身两侧及后面的车况信息并发送到车辆系统主控；车辆系统主控结合坑洞信息、车况信息和车辆信息处理判断控制,分别控制制动系统模块和转向控制模块工作。本发明有效提高了车辆在遇到前方路面坑洞时将要发生时的安全性,保护车内乘员的安全、避免车辆本身受损,有效地避免此类的交通事故发生,减少人员伤亡和财产损失。(The invention discloses a pavement pit avoiding system based on a vision system and a millimeter wave radar. The vision system is used for shooting images in front of the vehicle, identifying potholes on a road in front, acquiring pothole information such as relative position relation of the potholes and sending the pothole information to the vehicle system main control; the millimeter wave radars are arranged on the two sides and the back of the vehicle body, and are used for detecting and obtaining vehicle condition information on the two sides and the back of the vehicle body and sending the vehicle condition information to a vehicle system main control unit; the main control of the vehicle system combines the pit information, the vehicle condition information and the vehicle information processing judgment control to respectively control the work of the braking system module and the steering control module. The invention effectively improves the safety of the vehicle when encountering a front road pit, protects the safety of passengers in the vehicle, avoids the vehicle from being damaged, effectively avoids the traffic accidents and reduces casualties and property loss.)
技术领域
本发明涉及了一种汽车辅助行驶系统，尤其是涉及了一种基于视觉系统和毫米波雷达的路面避坑系统。
背景技术
由于国内经济高速发展，各地频繁地进行基础建设，所以造成路面坑洼不平，并且道路上经常会有坑洞。如果汽车驾驶员未能及时识别出前方路面的坑洞，轻则造成车辆底盘因磕碰受损、轮胎爆胎，重则造成坠入坑洞、汽车追尾等惨烈的交通事故。虽然ABS、ESP等安全技术地应用使得在极端工况下车辆的操控稳定性有一定的提高，但是这些主动、被动防碰撞技术不足以避免由于路面坑洞而造成的交通事故。根据道路交通事故数据显示，由于路面坑洞造成的交通事故始终维持在一定比例。这些交通事故中，由于驾驶者在紧急的工况下存在认知延迟或操作不当而造成无法避免事故的发生。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种可纵向制动和转向避障的路面避坑系统，有效的减少碰撞事故的发生，保护人员和财产安全。
本发明采用的技术方案是：
一、一种可纵向制动和转向避障的路面避坑系统：
包括视觉系统，拍摄车前方的图像并识别前方道路上的坑洞，获得坑洞的相对位置关系等坑洞信息并发送到车身CAN网络；
包括毫米波雷达，布置在车身两侧及后面，探测获得车身两侧及后面的车况信息，并发送到车身CAN网络；
包括车身CAN网络，接收坑洞信息和车况信息并发送到车辆系统主控；
包括车辆系统主控，通过CAN网络接收坑洞信息和车况信息，并采集自身车辆信息，结合坑洞信息、车况信息和车辆信息分析处理判断选择进行控制，分别控制制动系统模块和转向控制模块工作；
包括制动系统模块，根据车辆系统主控发送过来的制动控制信号自动控制制动器进行紧急制动；
包括转向控制模块，根据车辆系统主控发送过来的转向控制信号自动控制方向盘进行紧急转向。
车身两侧各布置装有一个毫米波雷达，车身后面布置装有一个毫米波雷达。
所述的视觉系统布置于车辆挡风玻璃上部并朝向前方道路。
所述的车辆系统主控在产生转向控制信号的同时产生提示报警信息，在主控台上向驾驶员提醒呈现。
所述的路面避坑系统布置在本车上，通过本车车身前方布置的视觉系统探测本车和坑洞之间的纵向距离和横向距离以及坑洞的深浅和尺寸，通过毫米波雷达探测本车车身两侧是否具有其他并排行驶的车辆。纵向距离为沿行驶方向的距离，横向距离为沿垂直于行驶方向的距离。
本发明针对本车和坑洞在沿同一路线上的情况，本车相对于靠近坑洞行驶。
所述的车况信息包括了当前本车和坑洞之间的距离、相对速度，所述的车辆信息包括了当前本车的速度。
结合坑洞信息、车况信息和车辆信息分析处理判断选择进行控制，具体是先判断出是否存在风险：
若存在，则向驾驶员发送危险报警信息提示进行人工干预，同时进一步判断是否能够进行安全的紧急转向避免陷入坑洞：
若能进行安全的紧急转向，则处理获得一条安全的转向避障路径，根据转向避障路径转换产生转向控制信号并发送到转向控制模块，同时产生提示报警信息给驾驶员以进行提醒；
若不能进行安全的紧急转向，则处理产生制动控制信号并发送到制动系统模块；
若不存在，则不产生危险报警信息，按照原有状态进行行驶控制。
结合坑洞信息、车况信息和车辆信息分析处理判断选择进行控制，具体为：
当分析处理判断得到本车在纵向方向上会遇到坑洞，且会造成车辆底盘磕碰或坠入风险时，
则车辆系统主控生成避让控制指令和报警指令，通过避让控制指令进一步选择进行制动或转向避让控制，通过报警指令提醒驾驶员是否进行避让操作；
若驾驶员接收到报警指令后采取避让操作，则车辆系统主控不干涉车辆运行，否则车辆系统主控继续通过避让控制指令进一步选择进行制动或转向避让控制；
当分析处理判断得到本车在纵向方向上不会遇到坑洞，或者遇到坑洞但不会造成车辆底盘磕碰或坠入风险时，则车辆系统主控不干涉车辆运行。
所述的车辆系统主控通过避让控制指令进一步选择进行制动或转向避让控制，具体为：
若进一步分析处理判断得到本车能进行紧急制动避免坑洞，生成制动控制信号进行紧急制动，进行制动控制刹停车辆，以进行紧急制动避让控制。
否则放弃紧急制动控制，通过毫米波雷达探测获得车身两侧中至少其中一侧能够转向时，则生成转向控制信号，规划出紧急转向路径，进行紧急转向避让控制，同时产生提示报警信息给驾驶员以进行提醒。
二、应用于上述路面避坑系统的一种紧急转向控制方法：
通过视觉系统实时获得当前本车和坑洞之间的距离ΔD、相对速度，按照以下进行紧急转向避撞控制处理：
经过时间T的本车车辆的转向角度按照以下公式获得：
θ＝k sin(AT)
其中，k表示角度倍数，A表示时间周期系数；
根据转向角度θ实时处理获得经过时间T内坑洞和本车沿行驶路径的距离为：
其中，V0表示本车的速度，X1表示坑洞在沿行驶路径上的纵向距离，Y1表示坑洞在沿行驶路径上的横向距离，ΔD表示经过时间T前的坑洞和本车之间的纵向距离；X0表示本车在沿行驶路径上的纵向行驶距离，Y0表示本车在沿行驶路径上的横向行驶距离，dT表示本车经过时间T内的行驶距离；
根据实时获得的坑洞的纵向行驶距离X1、横向行驶距离Y1以及本车的纵向行驶距离X0、横向行驶距离Y0，代入以下公式并进行判断：
其中，W表示车宽，D表示车间安全距离；
若同时满足上述两个公式，则能够进行紧急转向避免坑洞。
本发明主要针对在这种即将发生坠入路面坑洞事故的紧急情况下，避免因驾驶员无法进行有效避让措施而发生事故。
本发明主要是结合此类情况，在车辆的前方安装有1个视觉系统用于感知路面的坑洞，在车辆两侧安装有2个毫米波雷达用于检测两侧车辆，在车辆后面安装有1个毫米波雷达用于检测两侧远后方车辆。当发现前方路面有坑洞时，本系统能够根据视觉系统得到的坑洞信息进行及时评估，根据坑洞的深浅、尺寸和相对位置关系，判断能否通过紧急制动或者转向来避让，若可行则发送制动指令给车身稳定控制模块ESC来控制制动系统让其进行紧急制动，若不能有效避让则计算出一条安全稳定的转向路径，然后通过CAN网络发送控制指令给转向控制模块来控制方向盘进行有效的避让动作。通过有效的避让行为，本系统能够有效地避免此类的交通事故发生，减少人员伤亡和财产损失。
本发明视觉系统通过识别前方路面坑洞，并且把路面坑洞信息通过CAN网络传输给系统主控，主控根据路面坑洞的深浅、尺寸以及和车辆行驶轨迹的相对位置关系，进行危险等级评估，如果评估结果表明无法在底盘高度容许的范围内安全通过，会产生底盘磕碰、坠入坑洞等风险，则依靠安装在车辆车身两侧的毫米波雷达对周围的路况信息进行感知监测，主控系统向驾驶员发送报警提示，同时根据当前时间点周围车况并判断能否通过纵向避让技术进行紧急制动，若可行则系统主控发送控制命令给制动模块进行紧急制动；若无法准确、及时地刹停本车，则通过转向避让技术避免陷入路面坑洞，即在判定能够安全转向变道的情况下本系统计算出一条安全稳定的变道轨迹，然后发送控制命令给转向控制模块并且发送提示报警信息提示驾驶员注意转向安全。转向控制模块控制方向盘沿先前计算出的轨迹，在原路面坑洞事故发生点之前能够安全地进行转向防止陷入，保护车内乘员的安全性。
本发明的有益效果是：
本发明有效的提高了车辆在遇到前方路面坑洞时将要发生时的安全性，进一步保护车内乘员的安全、避免车辆本身受损。
本系统能够有效地避免此类的交通事故发生，减少人员伤亡和财产损失。
附图说明
图1为基于视觉系统和毫米波雷达的路面避坑系统的系统框图俯视图
图中：1、视觉系统，2-4、毫米波雷达，5、系统主控，6、转向控制模块，7、CAN网络。
图2为基于视觉系统和毫米波雷达的路面避坑系统的转向避障路径图
图中：Δx为转向避让完成时的纵向位移，Δy为转向避让完成时的横向位移。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，系统包括：
包括视觉系统，视觉系统布置于车辆挡风玻璃上部并朝向前方道路，拍摄车前方的图像并识别前方道路上的坑洞，获得坑洞的相对位置关系等坑洞信息并发送到车身CAN网络7，还可以获得坑洞的深浅和尺寸和车辆行驶轨迹；
包括毫米波雷达2-4，布置在车身两侧及后面，车身两侧各布置装有一个毫米波雷达，共计至少有两个毫米波雷达，探测获得车身两侧的车况信息；车身后面各布置装有一个毫米波雷达，探测获得车身后面的车况信息，并发送到车身CAN网络7；
包括车身CAN网络7，接收坑洞信息和车况信息并发送到车辆系统主控；
包括车辆系统主控5，通过CAN网络接收坑洞信息和车况信息，并采集自身车辆信息，结合坑洞信息、车况信息和车辆信息分析处理判断选择进行控制，分别控制制动系统模块和转向控制模块6工作；
还包括制动系统模块，根据车辆系统主控5发送过来的制动控制信号自动控制制动器进行紧急制动；
包括转向控制模块6，根据车辆系统主控5发送过来的转向控制信号自动控制方向盘进行紧急转向。
车辆系统主控在产生转向控制信号的同时产生提示报警信息，在主控台上向驾驶员提醒呈现，以提醒将进行紧急转向控制的信息。
路面避坑系统布置在本车上，通过本车车身前方布置的视觉系统探测本车和坑洞之间的纵向距离和横向距离以及坑洞的深浅和尺寸，通过毫米波雷达2-4探测本车车身两侧是否具有其他并排行驶的车辆，若某一侧方存在并排行驶的车辆，则不能转向，否则能向该侧方转向。
具体实施中，结合坑洞信息、车况信息和车辆信息分析处理判断选择进行控制，具体是先判断出是否存在风险：
若存在，则向驾驶员发送危险报警信息提示进行人工干预，同时进一步判断是否能够进行安全的紧急转向避免陷入坑洞：
若能进行安全的紧急制动，则处理产生制动控制信号并发送到制动系统模块；
若不能进行安全的紧急制动，则处理获得一条安全的转向避障路径，根据转向避障路径转换产生转向控制信号并发送到转向控制模块6，同时产生提示报警信息给驾驶员以进行提醒告知将进行紧急转向控制；
若不存在，则不产生危险报警信息、转向控制信号和制动控制信号，按照原有状态进行行驶控制。
具体实施中，结合坑洞信息、车况信息和车辆信息分析处理判断选择进行控制，判断是否需要启动制动或转向控制，具体为：
当通过本车和坑洞之间的纵向距离和横向距离以及坑洞的深浅和尺寸分析处理判断得到本车在纵向方向上会遇到坑洞，且会造成车辆底盘磕碰或坠入风险时，
则车辆系统主控5生成避让控制指令和报警指令，通过避让控制指令进一步选择进行制动或转向避让控制，通过报警指令提醒驾驶员是否进行避让操作；
若驾驶员接收到报警指令后采取避让操作，则车辆系统主控5受抑制，车辆系统主控5不干涉车辆运行，否则车辆系统主控5继续通过避让控制指令进一步选择进行制动或转向避让控制；
当分析处理判断得到本车在纵向方向上不会遇到坑洞，或者遇到坑洞但不会造成车辆底盘磕碰或坠入风险时，则车辆系统主控5不干涉车辆运行。
具体实施中，车辆系统主控5通过避让控制指令进一步选择进行制动或转向避让控制，具体为：
若通过本车和坑洞之间的纵向距离和横向距离以及坑洞的深浅和尺寸进一步分析处理判断得到本车能进行紧急制动避免坑洞，则生成制动控制信号，生成制动控制信号进行紧急制动，进行制动控制刹停车辆，以进行紧急制动避让控制；
否则放弃紧急制动控制，进行紧急转向避免坑洞，通过毫米波雷达2-4探测获得车身两侧中至少其中一侧能够转向时，则生成转向控制信号，规划出紧急转向路径，进行紧急转向避让控制，同时产生提示报警信息给驾驶员以进行提醒告知将进行紧急转向控制。
安装在车辆前方的前视觉系统1可以识别到路面坑洞，安装在车辆两侧及后面的毫米波雷达2-4可以识别到行人、车辆或其他障碍物，从而对周围的车况进行监控，并实时的把这些障碍物信息数据通过CAN网络7发送给系统主控5。
如果在某一时刻，主控5根据车况数据和路面坑洞数据发现前方将发生底盘磕碰或陷坑事故。在这种紧急情况下若驾驶员因认知延迟或操作不当而没有采取有效的措施，系统主控5将会立刻根据毫米波雷达2-4得到的两侧车况信息对能否安全避撞进行判定并计算出一条安全平稳的转向路径(图2)，然后通过提示警示信号提醒驾驶员，然后系统开始监测驾驶员的转向意图，一旦检测到驾驶员开始转向，则开始接管车辆，系统结合当坑洞速把路径信息转化成转向控制指令通过CAN网络7发送给转向控制模块6。
转向控制模块6根据给定的控制指令控制方向盘转角，使车辆在原目标路面坑洞前沿着计算出的转向路径(图2)进行避让动作，与此同时系统主控5还会根据实时的车辆路径与计划好的路径进行比较并修正，防止因偏离既定轨迹而造成其他事故。当完成紧急转向避让动作后，系统主控5会提醒驾驶员重新接管方向盘继续正常行驶。
转向避障路径按照以下规则设置：1、规划路径曲率平滑且二阶导数连续；2、路径纵向避让距离尽量短；3、路径极值较小；4、车辆侧向位移量较小；5、曲率边界条件；6、单值函数的边界条件；7、以时间为参数自变量的边界条件。
具体实施采用了五次多项式来拟合描述转向避障路径，能够在各个时间点的横向加速度曲线光滑且连续，较为符合大多数驾驶员的行为习惯。根据路径边界条件并满足路径初始点和种子点边界要求的前提下，能够得到期望的路径(图2)。
本发明的具体实施转向控制过程如下：
通过视觉系统实时获得当前本车和坑洞之间的距离ΔD、相对速度，按照以下进行紧急转向避撞控制处理：
具体设置车辆前进方向为纵向，表示为X，横向为Y。
以转向角度平顺情况考虑，车辆系统主控5通过采集自身的车辆信息获得角度倍数k和时间周期系数A，经过时间T的本车车辆的转向角度按照以下公式获得：
θ＝k sin(AT)
其中，k表示角度倍数，A表示时间周期系数，k和A均为常数参数；
根据转向角度θ实时处理获得经过时间T内坑洞和本车沿行驶路径的距离为：
其中，V0表示本车的速度，由于坑洞和本车均沿同一路线上，因此坑洞和本车之间的横向偏移为0，X1表示坑洞在沿行驶路径上的纵向距离，Y1表示坑洞在沿行驶路径上的横向距离，ΔD表示经过时间T前的坑洞和本车之间的纵向距离；X0表示本车在沿行驶路径上的纵向行驶距离，Y0表示本车在沿行驶路径上的横向行驶距离，dT表示本车经过时间T内的行驶距离；
根据实时获得的坑洞的纵向行驶距离X1、横向行驶距离Y1以及本车的纵向行驶距离X0、横向行驶距离Y0，代入以下公式并进行判断：
其中，W表示车宽，D表示车间安全距离；
若同时满足上述两个公式，则能够进行紧急转向避免坑洞。
若无法同时满足上述两个公式，则产生制动控制信号进行制动尽量减速来避免事故或者减轻事故损失。
当X1＝X0时，则本车在纵向方向上会遇到坑洞，此时若|Y0-Y1|≥W+D则判定为能够进行紧急转向避免坑洞。当|Y0-Y1|＝W+D且X1≥X0时，也判定能够进行紧急转向避免坑洞。
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