CN101162395A - 用于车道居中控制的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于车道居中控制的方法和系统。公开了一种用于带用户可操作的转向设备的车辆的车道居中控制的系统。该系统包括用于感应车速、偏航角速度和转向设备角度的传感器组；被配置用于追踪车辆目标路径的目标路径追踪器；响应传感器组用于预测车辆的路径的处理器；响应传感器组、目标路径追踪器、和处理器并生成车道居中控制信号的控制器；以及响应控制信号并为转向设备生成转向辅助的主动前轮转向致动器。该控制器包括响应可执行指令的处理电路，用于为转向设备生成转向辅助来减小预测路径和目标路径之间的差，从而用于保持车辆的车道居中。
Description
技术领域
本发明总体上涉及一种用于带用户可操作的转向设备和计算机控制的转向致动器的车辆的车道居中控制的系统和方法。
背景技术
车辆行驶控制系统包括这样的布置：路径追踪控制系统，车道边界保持控制系统，转向转矩辅助控制系统和转向角辅助控制系统。这样的行驶控制系统依赖于多个传感器、控制器和致动器，且可以包括可视车道确定系统的使用。然而，这样的系统典型地依赖直接响应于车道边界保持控制的模式，而不是直接响应于车道居中控制的模式，这会不利地提供车辆在行驶车道中较小的横向变化。
因此，在本领域中需要一种车道居中控制系统和方法来提供预先分析以克服这些缺陷。
发明内容
本发明的一个实施例包括一种用于带用户可操作的转向设备的车辆的车道居中控制的系统。该系统包括感应车速、偏航角速度和转向设备角度的传感器组；被配置用于追踪车辆目标路径的目标路径追踪器；响应于传感器组来预测车辆路径的处理器；响应于传感器组、目标路径追踪器、处理器并生成车道居中控制信号的控制器；以及响应于控制信号并为转向设备生成转向辅助的主动前轮转向致动器。控制器包括响应于可执行指令的处理电路，用于为转向设备生成转向辅助以减小预测路径和目标路径之间的差，从而用于保持车辆的车道居中。
本发明的另一个实施例包括一种用于带用户可操作的转向设备的车辆的车道居中控制的方法，该车辆布置成横过目标路径。感应车速、偏航角速度和转向设备角度；追踪车辆的目标路径；感应车辆的预测路径。通过对感应的车速、偏航角速度和转向设备角度作出响应，并响应于关于车辆的目标路径和预测路径的信息，生成车道居中控制信号。响应于车道居中控制信号，致动主动前轮转向致动器为转向设备生成转向辅助以减小预测路径和目标路径之间的差，从而用于保持车辆的车道居中。
附图说明
参考示例性附图，其中类似的元件采用类似的附图标记，在附图中：
图1以示意图形式示出根据本发明的实施例的供使用的示范性车辆；
图2以框图形式示出根据本发明的实施例的示范性控制方案；
图3以框图形式示出本发明的实施例的实施方式；
图4-6以框图形式示出根据本发明的实施例的示范性控制方案；
图7以流程图形式示出根据本发明的实施例响应于条件控制信号的示范性逻辑状态流程图。
具体实施方式
由各个图和随附的文本所示出和描述的本发明的实施例，提供了一种用于带用户可操作的转向设备和计算机控制的转向致动器的车辆的车道居中控制的系统和方法，该转向设备一般但不是必需地由驾驶员手动操作。目标路径追踪器追踪车辆的目标路径，并将目标路径信息提供给控制器，该控制器被配置用于根据系统输入确定车辆的预测路径，分析目标路径和预测路径之间的差，并在路径追踪过程中为车辆的驾驶员提供非侵入式的和预测的转向辅助。如这里使用的，术语非侵入式意味着驾驶员可以容易地并且无需太努力地克服由主动前轮转向(AFS)致动器提供的车道居中控制转向辅助，其通过主动转向与驾驶员的手动转向的相加或相减来提供。虽然这里描述的示范性实施例描绘了一种四轮车作为示范性车辆，但是应当认识到本发明也可以应用于具有任何数量的轮子的其他车辆，如三轮车或多轮汽车。虽然这里描述的示范性实施例描绘了一种方向盘作为使车辆转向的设备，但是应当认识到本发明也可以应用于其它转向设备，如操纵杆。
为了理解这里公开的本发明，首先将这里使用的标记名称列表提供如下：
(下面的变量在图2中示出)：
ρ道路曲率
θ相对于车道中心线的车辆方位角
δff转向前馈控制命令
δfb转向偏航角速度反馈控制命令
δprev基于路径预览的转向控制命令
δcmd总的转向控制命令
rdes车辆期望的偏航角速度
rmsr车辆测量的偏航角速度
Δr期望值和测量值之间的偏航角速度误差
vx车辆纵向速度
(下面的变量在图4中示出)：
预测路径的纵向距离
Ψ预测路径的车辆偏航角度
ΔΨ车辆偏航角度积分步长
u车辆纵向速度
估算的车辆偏航角速度
(下面的变量在图5中示出)：
δf来自传感器的方向盘角度
r来自传感器的车辆偏航角速度
u来自传感器的车辆纵向速度
yt目标路径的横向偏移
预测路径的横向偏移
U控制输入向量
wi加权因子
F自由响应函数
g(t)控制响应函数
T预览时间
J性能指数
(下面的变量在图6中示出)：
g重力
L车辆轴距
Ku车辆转向不足系数
现在参考图1，示出了带有方向盘105(这里也称为转向设备)的车辆100的示范性实施例，方向盘105可操纵地与所述车辆100的前轮110相连。用于感应车速、偏航角速度和转向设备角度的传感器组115被配置并适当地设置在车辆100内，用于其相应的感应目的。车道传感器117朝向车辆100的前端设置，用于提供有关车辆的固定坐标的信息，如道路曲率ρ170、车辆方位角θ175(示于图2中)以及车辆横向位移。在一个实施例中，目标路径追踪器是存储在存储器120中的算法(algorithm)，其根据车道传感器输入及其它可用系统(如果有的话)，如视觉或雷达系统122、带全球定位系统传感器的地图数据库，来确定车辆目标路径。在一个实施例中，车道传感器117和视觉/雷达系统122被集成地设置。因此，车道传感器117可被认为是用于探测目标路径的一般车道感应设备，其可以在功能上被扩展为包括或并入其它可能的感应设备，如视觉/雷达系统122、带全球定位系统传感器的地图数据库、或其它适于这里公开的目的的传感器系统。处理器125被配置且设置成响应传感器组115，以预测车辆的路径。控制器130被配置且设置成响应传感器组115、目标路径追踪器和处理器125，并生成车道居中控制信号135。主动前轮转向(AFS)致动器140被配置且设置成响应控制信号135，并为转向设备105生成转向辅助145。控制器130包括处理电路150，其被配置且设置成响应可执行指令，用于为转向设备105生成转向辅助145以减小预测路径和目标路径之间的差，从而用于保持车辆的车道居中。在一个实施例中，处理器125和处理电路150被集成地设置。
现在参考图2，控制信号δcmd(t)135响应用于快速响应的前馈控制信号δff(t)155、用于偏航角速度干扰排斥和稳定性的偏航角速度反馈控制信号δfb(t)160以及用于平滑路径追踪的路径预览控制信号δprev(t)165。由前馈控制块157提供的前馈控制信号155基于由目标路径追踪器通过车道传感器117提供的目标路径170的感应曲率ρ和感应方位角θ175。由反馈控制块162提供的偏航角速度反馈控制信号160基于期望的偏航角速度rdes，来自目标路径的感应曲率ρ和车辆的纵向速度vx，和测量的偏航角速度rmsr，以提供期望值和测量值之间的偏航角速度误差Δr。来自于路径预览控制块167的路径预览控制信号165基于来自于传感器组115的信号，和来自于目标路径追踪器的有关目标路径的车道中心线信息。积分器180和185组合如图2中所示的控制信号，并向控制逻辑块195提供预输出信号190，其还响应一组用于控制控制信号135的可操作性的条件控制信号200。在一个实施例中，此组条件控制信号200包括响应启动条件205的信号、响应操作条件210的信号、响应致动条件215的信号、或具有上述条件中的至少一个的组合。
在一个实施例中，车辆100还可以包括控制车辆巡航的自适应巡航控制220、提供指示车辆从车道居中控制条件偏离的警报信号的车道偏离警报(LDW)装置225、用于启动车道居中控制信号135的第一开关230、用于启动自适应巡航控制220的第二开关235和用于启动车道偏离警报装置225的第三开关240。在一个实施例中，自适应巡航控制220是基于处理器的控制，其与控制器130集成。在另一实施例中，车辆100还包括方向指示开关245和制动开关250，以及如果装备了的话，通常由控制器130中的参考标记255表示的防锁制动系统(ABS)、牵引力控制系统(TCS)和车辆稳定性控制系统(VSCS)的状态，并且其每一个通常是本领域中已知的。
在一个实施例中，示范性的启动条件组205包括如下所有：检测用户对启动车道居中控制信号135的请求；检测用户对启动车辆的自适应巡航控制220的请求；检测用户对启动车道偏离警报装置225的请求；以及检测传送给控制器130的所有输入信号如来自传感器组115和车道传感器117的信号是正常的。
在一个实施例中，示范性的操作条件组210包括如下所有：通过控制器130检测车道偏离警报装置225被接合；通过控制器130检测自适应巡航控制220被接合；通过控制器130检测车速在限定的范围内；通过控制器130检测车辆纵向加速度和横向加速度小于限定的值；通过控制器130检测向前的目标路径曲率大于限定的值；如果装备了的话，通过控制器130来检测防锁制动系统、牵引力控制系统和车辆稳定性控制系统255被脱开的状态；并且通过控制器130检测驾驶员的手在转向设备上，其可通过设置在方向盘105的触觉传感器260来提供。在一个实施例中，当控制系统中的任一系统被检测为是有效的时，车道居中控制将被停用。
在一个实施例中，示范性的致动条件组215包括如下所有：通过控制器130检测方向指示开关245被关断；通过控制器130检测制动开关250被关断；通过控制器130检测转向设备角度小于限定的值；并且通过控制器130检测转向设备角度变化率小于限定的值。
鉴于以上对车道居中控制系统的描述，应当认识到车道居中控制的方法也处于所要求的发明的范围内，现在将对其进行更详细地描述。
参考图3，通过传感器115感应车速、偏航角速度和转向设备角度，通过目标路径追踪器基于从车道传感器117的感应方位角θ175的输入追踪车辆100的目标路径265，并且通过预测路径处理器275预测预测路径270，预测路径处理器275是控制器130的一部分且在图4中以更详细的框图示出(在下面被进一步讨论)。响应所感应的车速、偏航角速度和转向设备角度，并响应有关车辆的目标路径和预测路径的信息，控制器130生成车道居中控制信号135，并响应车道居中控制信号，主动前轮转向致动器140被致动以在一个方向上为转向设备105生成转向辅助以辅助减小预测路径和目标路径之间的差，其通常由箭头280表示，从而用于保持车辆的车道居中。
用于生成车道居中控制信号135的控制器130内的逻辑流程在上文已参考图2进行了描述，并且其可用于其对公开的方法的适用性的参考。
现在参考图4，预测路径处理器275接收来自传感器组115的输入，通过图4中所示的式1-4执行车辆动力学估算(参见上面提供的名称列表)，通过图4中所示的式5-6执行车辆运动学估算，并提供下述作为输出值用于建立预测路径270：预测路径的纵向距离
预测路径的横向偏移
和预测路径的车辆偏航角速度(Ψ)。预测路径信息被图2中的路径预览控制块167采用用于建立路径预览控制信号165。现在参考图5，其示出路径预览控制块167的更详细的视图，关于预测路径270的信息与关于目标路径265的信息相比较，然后进入算法285中以确定性能指数J，性能指数J是随时间(t)积分的目标路径的横向偏移(y)、预测路径的横向偏移(y-hat)、加权因子(w)、和预览时间(T)的函数。接着性能指数进入第二算法290中以确定控制输入向量(U)，其响应自由响应函数F(t)和控制响应函数g(t)，并且提供路径预览控制信号165。
对于关于目标路径265的信息，目标路径追踪器处理输入信息以通过抛物线计算逼近目标路径265，或者确定前向车道的曲率ρ170和方位角(或相对于车道的角度)θ175。
在第一实施例中，可从现有技术获得的车道感应系统(可替换地称为视觉传感器或视觉感应系统)提供车道的左和右横向偏移ζL和ζR、相对于车道的角度(或方位角)θ、和车道曲率ρ作为输入信息。接着，目标路径追踪器根据下式按照抛物线来逼近目标路径265：
yt＝ax2+bx+c
其中：
a＝(ρ/2)(1+tan2θ)(3/2)
b＝tanθ
c＝(1/2)(ζL-ζR)
x表示目标路径的纵向距离，且
yt表示目标路径的横向偏移。
在第二实施例中，可从现有技术获得的另一车道感应系统(可替换地称为视觉传感器或视觉感应系统)提供用于逼近目标路径265的抛物线的系数作为输入信息。此处，抛物线、得到的方位角θ和车道曲率ρ由下述给出：
yt＝ax2+bx+c
其中，
ρ＝(2a)/(1+b2)(3/2)
θ＝tan-1(b)
现在参考图6，更详细地示出了前馈控制信号155的输入/输出参数。此处，基于道路曲率ρ、车轴距L、车辆的转向不足系数Ku、车辆纵向速度vx和重力g的值，根据图6中示出的等式确定第一前馈命令δffl，以及基于方位角θ、道路曲率ρ、车速vx和预览时间ΔT，根据图6中示出的等式确定第二前馈命令δff2。借助图2的控制逻辑利用得到的前馈控制信号155来确定车道居中控制信号135。
现在参考图7，示出了状态流程图295，其表示条件控制信号对车道居中控制信号135的启动/停用和致动/无效的作用。在状态流程图295的开始300处开始并向下进行(右侧)，车道居中控制系统起初是关断的305，直到之前提及的启动条件205启动、之前提及的操作条件210被检测到、以及之前提及的致动条件215被检测到为止，在此时车道居中控制系统被接合320。在状态流程图的接合框320处开始并向上进行，响应控制器130没有检测到适当的启动条件，车道居中控制系统和信号135被关闭305。响应控制器130没有检测到适当的致动条件，逻辑状态移动到启动框310，并且响应控制器130没有检测到适当的启动条件，车道居中控制系统和信号135被关闭305。在状态流程图的操作连接点315处开始并向上进行，响应控制器130没有检测到适当的操作条件，逻辑状态移动到启动框310，并且响应控制器没有检测到适当的启动条件，车道居中控制系统和信号135被关闭305。虽然本发明的实施例被描述和示为应用特定的启动、操作和致动条件，但是应当理解在不脱离本发明的范围的情况下也可以应用其他和/或不同的条件和组合，并且这些其他条件和组合旨在落入这里公开的本发明的范围内。
由前述应当认识到，在控制器130处执行的用于确定接合还是脱开车道居中控制信号135的逻辑计算还可以基于用于特定输入参数的特定阈值。例如，控制信号135可以只有当车速在限定的范围内、车辆纵向加速度和横向加速度小于限定的值、向前的目标路径曲率大于限定的值、转向设备角度小于限定的值、或者转向设备角度变化率小于限定的值时才被接合。在这些阈值条件适当的情况下，转向辅助可以被脱开以便不与排除故障机动相冲突。
本发明的实施例可以以计算机执行的过程和用于实施那些过程的设备的形式来具体体现。本发明也可以以计算机程序产品的形式来具体体现，所述计算机程序产品具有包含嵌入在有形介质中的指令的计算机程序代码，所述有形介质例如是软盘，CD-ROM，硬盘，USB(通用串行总线)驱动，或任可其他计算机可读存储介质，例如只读存储器(ROM)，随机存取存储器(RAM)和可擦可编程只读存储器(EPROM)，其中，当计算机程序代码被载入计算机并被计算机执行时，该计算机成为实施本发明的设备。本发明的实施例还可以以计算机程序代码的形式来具体体现，所述计算机程序代码例如或者存储在存储介质中，载入计算机和/或被计算机执行，或者通过光纤或通过电磁辐射在一些传输介质上，例如在电线或电缆上被传输，其中当计算机程序代码被载入计算机并被计算机执行时，该计算机成为实施本发明的设备。当在通用微处理器上实施时，计算机程序代码段配置微处理器来建立特定的逻辑电路。可执行指令的技术作用是为车辆的方向盘产生转向辅助来减小预测路径和目标路径之间的差，从而用于保持车辆的车道居中。
如所公开的，本发明的一些实施例可以包括如下一些优点：为驾驶员提供了非侵入式和预测的转向辅助；由于采用了主动前轮转向(AFS)致动器而不是转矩叠加设备，如电动转向(EPS)致动器，驾驶员感觉到较小的转矩侵入；通过调整系统响应阈值参数，车道居中控制系统可扩展成对车道改变或排除故障机动的控制；将主动前轮转向致动器用于稳定性控制和车道居中；组合前馈、反馈和基于预览的控制来确保快速和平滑的车道居中响应，除了偏航稳定性之外，并且车道居中控制系统被引导来保持车辆的车道居中，与保持车辆在限定的边界内相反，其可能是大的并且导致不希望有的摇摆。
虽然已经参考示范性实施例对本发明进行了描述，但本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下可以进行多种改变并且等效物可以替代本发明的元件。另外，在不脱离本发明的范围的情况下可以进行多种修改以使特定情形或材料适应本发明的教导。因此，本发明并不旨在局限于作为用于实施本发明的最佳或唯一模式公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。另外，在附图和说明书中，存在本发明的公开的示范性实施例，并且尽管可以采用特定术语，但是除非另有说明，它们仅用于一般和说明的意义并且不用于限制的目的，因此本发明的范围没有被如此限制。而且，术语第一、第二等的使用并不表示任何次序或重要性，而是术语第一、第二等用于区分一个元件与另一个元件。另外，术语一、一个等的使用并不表示数量的限制，而是表示存在至少一个所引用项。
Claims (23)
1.一种用于带用户可操作的转向设备的车辆的车道居中控制的系统，包括：
用于感应车速、偏航角速度和转向设备角度的传感器组；
被配置用于追踪车辆的目标路径的目标路径追踪器；
响应传感器组用于预测车辆的路径的处理器；
响应传感器组、目标路径追踪器、和处理器，并生成车道居中控制信号的控制器；以及
响应控制信号并为转向设备生成转向辅助的主动前轮转向致动器；
其中控制器包括响应可执行指令的处理电路，用于：
为转向设备生成转向辅助以减小预测路径和目标路径之间的差，从而用于保持车辆的车道居中。
2.如权利要求1所述的系统，其中目标路径追踪器包括视觉系统。
3.如权利要求2所述的系统，其中目标路径追踪器进一步包括雷达系统、带全球定位系统传感器的地图数据库，或两者的组合。
4.如权利要求1所述的系统，其中控制信号基于目标路径的感应的曲率和感应的方位角响应前馈控制信号。
5.如权利要求4所述的系统，其中控制信号基于目标路径的感应的曲率响应反馈控制信号。
6.如权利要求5所述的系统，其中控制信号基于来自传感器组的信息和有关目标路径的信息响应路径预览控制信号。
7.如权利要求1所述的系统，其中控制信号响应用于控制控制信号的可操作性的条件控制信号组。
8.如权利要求7所述的系统，其中该条件控制信号组包括响应启动条件、操作条件、致动条件、或包含上述条件中的至少一个的组合的信号。
9.如权利要求8所述的系统，其中车辆包括自适应巡航控制、车道偏离警报装置、用于启动车道居中控制信号的第一开关、用于启动自适应巡航控制的第二开关、和用于启动车道偏离警报装置的第三开关；并且进一步地，其中：
启动条件包括下述全部：检测对启动车道居中控制信号的请求；检测对启动车辆的自适应巡航控制的请求；检测对启动车道偏离警报装置的请求；以及检测至控制器的所有输入信号是正常的。
10.如权利要求8所述的系统，其中车辆包括自适应巡航控制、车道偏离警报装置、用于启动车道居中控制信号的第一开关、用于启动自适应巡航控制的第二开关、和用于启动车道偏离警报装置的第三开关；并且进一步地，其中：
操作条件包括下述全部：检测车道偏离警报装置被接合；检测自适应巡航控制被接合；检测车速在限定的范围内；检测车辆纵向加速度和横向加速度小于限定的值；检测前向目标路径曲率大于限定的值；以及检测用户可操作地与转向设备接触。
11.如权利要求10所述的系统，其中车辆进一步包括防锁制动系统、牵引力控制系统、和车辆稳定性控制系统中的至少一个；并且进一步地，其中：
操作条件包括检测防锁制动系统、牵引力控制系统、和车辆稳定性控制系统中的该至少一个被脱开的状态。
12.如权利要求8所述的系统，其中车辆包括方向指示开关和制动开关；并且进一步地，其中：
致动条件包括下述全部：检测方向指示开关被关断；检测制动开关被关断；检测转向设备角度小于限定的值；以及检测转向设备角度变化率小于限定的值。
13.一种用于带用户可操作的转向设备的车辆的车道居中控制的方法，该车辆被布置成横过目标路径，该方法包括：
感应车速、偏航角速度和转向设备角度；
追踪车辆的目标路径；
感应车辆的预测路径；
响应感应的车速、偏航角速度和转向设备角度，并响应有关车辆的目标路径和预测路径的信息，生成车道居中控制信号；以及
响应车道居中控制信号，致动主动前轮转向致动器以便为转向设备生成转向辅助以减小预测路径和目标路径之间的差，从而用于保持车辆的车道居中。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述追踪包括基于视觉传感器对目标路径进行追踪。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述追踪进一步包括基于雷达系统、带全球定位系统传感器的地图数据库、或两者的组合对目标路径进行追踪。
16.如权利要求13所述的方法，其中所述生成车道居中控制信号包括响应前馈控制信号基于目标路径的感应的曲率和感应的方位角生成车道居中控制信号。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述生成车道居中控制信号进一步包括响应反馈控制信号基于目标路径的感应的曲率生成车道居中控制信号。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述生成车道居中控制信号进一步包括响应路径预览控制信号基于来自传感器组的信息和有关目标路径的信息生成车道居中控制信号，该路径预览控制信号用于提供平滑的路径追踪。
19.如权利要求13所述的方法，其中所述生成车道居中控制信号包括响应用于控制车道居中控制信号的可操作性的条件控制信号组生成车道居中控制信号，其中该条件控制信号组包括响应启动条件、操作条件、致动条件、或包含上述条件中的至少一个的组合的信号。
20.如权利要求19所述的方法，其中启动条件包括下述全部：检测对启动车道居中控制信号的请求；检测对启动车辆的自适应巡航控制的请求；检测对启动车道偏离警报装置的请求；以及检测车辆的所有诊断信号是正常的。
21.如权利要求19所述的方法，其中操作条件包括下述全部：检测车辆的车道偏离警报装置被接合；检测车辆的自适应巡航控制被接合；检测车速在限定的范围内；检测车辆纵向加速度和横向加速度小于限定的值；检测前向目标路径曲率大于限定的值；以及检测用户可操作地与转向设备接触。
22.如权利要求21所述的方法，其中操作条件进一步包括检测车辆的防锁制动系统、牵引力控制系统和车辆稳定性控制系统中的至少一个被脱开的状态。
23.如权利要求19所述的方法，其中致动条件包括下述全部：检测车辆的方向指示开关被关断；检测车辆的制动开关被关断；检测转向设备角度小于限定的值；以及检测转向设备角度变化率小于限定的值。
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