南京航空航天大学赵万忠团队：主动避撞系统分段轨迹规划策略丨GEITS

随着汽车工业的发展和汽车数量的不断增加，交通安全问题日益突出。 传统的安全措施，如安全带、安全气囊和保险杠，主要集中在如何减少交通事故对驾驶员和车辆的影响。虽然这些措施在某些情况下是有效的，但仍无法避免 事故 。如今，先进驾驶辅助技术有了很大的发展，车辆安全理念逐渐从传统的被动型转变为主动型，进一步避免了交通事故的发生。

在所有主动安全措施中，主动避撞系统起着重要作用。 现代信息和传感技术被应用于扩展驾驶员的感知能力，收集障碍物距离、方向和速度等环境信息。然后，系统将根据所有信息评估碰撞风险，然后在危险情况下采取有效措施避免事故发生，对进一步提升车辆的主动安全性具有十分重要的意义。

对于转向避撞系统，大多数研究表明转向避撞操作是采用超车的动作进行避撞。 系统需要规划出超车轨迹以供车辆参考和跟踪。考虑到车辆的舒适性以及安全性，要求规划出来的轨迹连续且可跟踪，避免汽车前轮转向角发生突变。为了有效解决轨迹不连续的问题，很多文献中采用不同的数学函数来拟合轨迹，根据道路环境以及汽车状态信息施加一些必要的约束，进而得到所期望的轨迹。但也有相关研究表明，拟合的办法也 存在一些不足，会产生积累误差 。

在诸多研究中，通常认为障碍车以恒定速度运动在主车的正前方，因多项式的规划方法只需参考轨迹的起点以及终点的状态，将自车超车轨迹视为一个整体，在变道起点与回道终点之间进行轨迹规划。这样得到的轨迹，无法及时应对超车过程中的障碍车车道偏离等情况，而且整个轨迹相当于是＂ 变道— 回道＂ 的过程，要求变道前预留的相对距离较大。此外，在现有的大多数轨迹规划研究中，研究对象是车辆质心，并将车辆视为一个质点，规划的轨迹是质心运动轨迹，而忽略了车身的空间大小以及各车身轮廓点的相对位置关系，在规划轨迹时，对各轮廓顶点的约束条件较少。

本文提出了一种主动避碰系统分段轨迹规划策略。 考虑到障碍车辆的纵向和横向运动，以及自车和障碍物外部轮廓的限制，将 避碰轨迹分为三段 ：换道、超车和返回原始车道 。根据两辆车的相对速度和距离以及外部轮廓，基于纵向和横向安全距离模型确定换道起点和终点。基于系统目标函数和变道轨迹聚类、车辆状态、动力学约束和车身运动学约束，选择最优轨迹，不断监测障碍车辆的相对位置，确保车辆安全、平稳地完成避碰。仿真和实验结果证明了该研究所提出的主动避碰轨迹规划策略的有效性和可行性。

常见的避撞场景： 主车A以车速 v 0 在道路上行驶，其雷达检测到前方有车辆B（障碍物），并探测到 车辆 Ｂ的速度为 v 1 ，经过一系列计算，得知此刻有碰撞危险，驾驶员必须采取避撞操作。在探测到旁道安全的情况下，为避免发生两车碰撞事故，主车A的主动避撞系统将会运用探测到的状态信息以及道路条件，规划出一条光滑连续的避碰轨迹以供避撞系统跟踪。最为理想的避撞环境如下图1所示，主车能够快速反应，以超车操作进行避撞，基于多项式的轨迹是一条从换道起点 q 0 到回道终点 q f 的光滑曲线。但这样得到的轨迹是 车辆质心的轨迹图，忽略了车身的空间位置，无法真实反映车体的运动状态，并且无法考虑障碍车在自车避撞过程中的一定的突变行为 。

图1 汽车避碰示意

为了提高车辆应对障碍车状态突变的情况，本文在原有多项式规划的方法上进行一定的改进，将整个避撞轨迹分为三个阶段，分别为变道阶段、超车阶段以及回道阶段，如图2所示。

阶段1 ：变道阶段 。主车A以速度 v 0 行驶，雷达探测到在同一车道的前方，存在以车速 v 1 行驶的障碍车辆B，探测两车的相对距离为 S ，存在碰撞危险但是也满足换道要求时，主车选择转向换道，车辆的轨迹规划模块被启动，系统将当前适宜的变道轨迹规划好，并让系统进行有效跟踪。

阶段2 ： 超车阶段 。 车辆到达旁道之后，探测到前方无车，加速到目标速度 v 2 ，当探测到与原来车道的障碍车B的纵向相对距离满足条件并无安全隐患时，再进行第三阶段；如果探测当前车道前方有车，那将采用自主跟踪新的障碍车。

阶段3 ： 回道阶段 。 当主车超过障碍车并保持安全距离D，主车将重新换道，回到原来车道，完成整个超车避撞的过程。

在轨迹规划的过程中，考虑车辆行驶舒适性、转向稳定性、避撞敏捷性及车辆转向系统的物理执行约束，本研究 采用遗传算法对轨迹参数进行优化，从可行轨迹簇中得到最优避撞轨迹 。在驾驶舒适性方面，应考虑侧向加速度。不同侧向加速度和变道时间下的变道轨迹如图３和图４所示。

图3 相同换道时间及不同侧向加速度的换道轨迹

图4 不同换道时间及相同侧向加速度的换道轨迹

图5 最大侧向加速度及换道时间

赵万忠 ，教授，博士，南京航空航天大学能源与动力学院副院长，江苏省分布式驱动与智能线控工程技术中心主任，国家万人计划专家，获得江苏省杰出青年基金资助。入选国家万人计划、江苏省“333 工程”中青年学术带头人、江苏省六大人才高峰高层次人才培养对象、江苏省青蓝工程、江苏省双创计划、南京市科技顶尖专家（院士和新研A类人才）等国家和省部级高层次人才。

研究方向 ：智能网联汽车线控底盘技术，智能网联汽车决策与控制，人机共驾技术，电驱动与混合动力技术等。

研究成果 ： 在智能网联汽车决策与控制、线控底盘技术、分布式驱动与混合动力技术等领域，主持国家重点研发计划1项、国家自然科学基金4项（面上项目3项）、发改委重大项目1项、GF项目1项、中央组织部人才项目1项，主持省部级项目及企业合作项目40余项，专利转化项目6项（300万以上专利转化项目1项、高价值专利项目1项）。

学术论文 ： 近五年，以唯一通讯作者发表SCI论文100余篇， 授权发明专利160余件，其中第一发明人授权发明专利70余件，申请PCT专利23件；获得软件著作权50余件。