CN102874250B

CN102874250B - 增强车辆控制的系统及方法

Info

Publication number: CN102874250B
Application number: CN201210323743.3A
Authority: CN
Inventors: N·K·莫什楚克; S-K·陈; J-W·李; C·T·扎戈尔斯基; A·查特吉
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2012-07-14
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2032-07-14
Also published as: US8775006B2; DE102012212301B4; US20130218396A1; CN102874250A; DE102012212301A1

Abstract

本发明涉及一种方法和系统，在车辆内，可以基于物体相对该车辆的位置、相对速度、道路参数和一个或多个车辆参数确定绕开该物体的所需路径。该方法和系统可计算使得与所需车辆路径的预测偏差最小化的一个或多个车辆控制参数值。该方法和系统可以确定一个或多个车辆控制参数值是否使得车辆超过一个或多个车辆稳定性约束。如果一个或多个车辆控制参数值将导致车辆超过一个或多个车辆稳定性约束，则一个或多个车辆控制参数值被降低为不导致车辆超过一个或多个车辆稳定性约束的一个或多个车辆控制参数值。该方法和系统可输出该一个或多个车辆控制参数值到车辆自动控制装置。

Description

增强车辆控制的系统及方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年7月14日提交的美国临时申请61/507,862的优先权，其全部内容在此作为参考合并。

背景技术

许多车辆装备有半自动或自动地控制车辆以避免碰撞或减轻碰撞严重性的系统和装置。例如，当碰撞威胁存在时，典型的碰撞避免控制系统可向驾驶员提供警告，确保在规避驾驶操作、应用差速制动、和/或执行其它功能期间车辆保持稳定。然而，典型的碰撞避免控制系统不控制车辆的转向以引导车辆绕开可能对车辆造成碰撞威胁的物体。

发明内容

在一些实施例中，在车辆内，方法和系统可以基于物体相对该车辆的位置、相对速度、道路参数和一个或多个车辆参数确定绕开该物体的所需路径。该方法和系统可计算使得与所需车辆路径的预测偏差最小化的一个或多个车辆控制参数值。该方法和系统可以确定一个或多个车辆控制参数值是否将使得车辆超过一个或多个车辆稳定性约束。如果一个或多个车辆控制参数值将导致车辆超过一个或多个车辆稳定性约束，则一个或多个车辆控制参数值被降低为不导致车辆超过一个或多个车辆稳定性约束的一个或多个车辆控制参数值。该方法和系统可输出该一个或多个车辆控制参数值到车辆自动控制装置。

附图说明

本发明相关的主题在说明书的结束部分特别指出并明确要求。但是，本发明同时作为操作的机构和方法，及其目的、特征和优点，当与附图一起阅读时可通过参考以下详细说明最好地理解，其中：

图1是根据本发明实施例的具有碰撞避免控制系统的车辆的示意图；

图2是根据本发明实施例的碰撞避免控制系统的示意图；

图3是根据本发明实施例的使用转向控制的碰撞避免控制系统的示意图；

图4是根据本发明实施例的碰撞避免控制系统的操作的流程图；

图5是根据本发明实施例的在碰撞避免控制操作期间车辆侧向位置与纵向位置的关系曲线图；

图6是根据本发明实施例的在碰撞避免控制系统的离线调整期间车辆侧向位置与纵向位置的关系曲线图；

图7是根据本发明实施例的在碰撞避免控制系统的离线调整期间偏航角与时间的关系曲线图；

图8是根据本发明实施例的在碰撞避免控制系统的离线调整期间车辆侧向位置与纵向位置的关系曲线图；

图9是根据本发明实施例的在碰撞避免控制系统的离线调整期间偏航角与时间的关系曲线图；

图10是根据本发明实施例的碰撞避免控制系统的测试期间转向角与时间的关系曲线图；

图11是根据本发明实施例的碰撞避免控制系统的测试期间侧向加速度与时间的关系曲线图；

图12是根据本发明实施例的轮胎摩擦约束的图形描述；和

图13是根据本发明实施例的车辆参考坐标系的图形描述。

可以意识到为了简单和清楚的说明，附图中所示的元件没有必要按比例绘制。例如，为了清楚起见，一些元件的尺寸可以相对于其它元件放大。此外，考虑过的合适的参考数字可以在附图中重复以表示相应或相似的元件。

具体实施方式

在以下详细说明中，为了提供对本发明的彻底理解阐述了多个特定细节。然而，本领域技术人员可以理解的是本发明可以实践而无需这些特定细节。在其它情况下，已知的方法、过程和部件不再详细地描述以便不会使本发明难理解。

除非特别声明，从以下讨论中清楚的是，可以认识到贯穿整个说明书讨论中使用术语如“处理”、“估计”、“存储”、“确定”、“估算”、“计算”、“测量”、“提供”、“转移”等是指计算机或计算系统、或类似电子计算机装置的动作和/或过程，将表示在计算系统的寄存器和/或存储器内的诸如电子的物理量的数据操作和/或转换为表示在计算系统的存储器、寄存器或其它存储、传送或显示装置内的物理量的其它数据。

碰撞避免控制系统可以是半自动驾驶系统，其控制输入至例如自动转向、差速制动、自动制动、和/或其它系统。例如，碰撞避免控制系统可以测量物体(例如，道路上的车辆或障碍物)相对车辆的相对位置，例如相对于车辆(其中在一些实施例中相对于车辆可以表示相对于车辆内的特定点、相对于车辆内的全球定位系统(GPS)、相对于车辆的中心等等)。如果车辆和物体之间的相对距离处于预定距离内，并且车辆相对于物体或其它参照物的相对速度处于预定值和/或范围内，碰撞避免控制系统可确定物体对车辆存在碰撞威胁。相应地，碰撞避免控制系统可向驾驶员输出信号(例如，声音警告)、向制动系统输出指令以减小车辆速度、向自动转向系统输出转向角指令、或执行其它动作。

根据一些实施例，如果检测到物体存在碰撞威胁，碰撞避免控制系统可首先向驾驶员输出信号。如果驾驶员不能减轻碰撞威胁，碰撞避免控制系统可控制车辆以避免碰撞或减轻碰撞严重性。碰撞避免控制系统可输出控制指令到自动制动系统、自动转向控制系统、或其它系统。例如，如果车辆太接近物体而不能驾驶以绕开该物体，则应用自动制动以减轻车辆和物体之间的碰撞。在一些情况下的一些实施例中，碰撞避免控制系统可通过驾驶绕开该物体来确定车辆能够避免碰撞。

根据一些实施例，碰撞避免控制系统可计算绕开该物体的所需路径。为了引导车辆在所需路径上，转向角控制、转向扭矩控制、或其它指令可输出到自动转向控制系统。转向角指令或其它指令可使用例如基于模型的预测控制(MPC)系统来基于单轨迹线性二轮车模型(1-track linear bicycle model)或其它车辆动态模型进行计算。如名称为“用于自动车道中心调整/改变控制系统的基于模型的预测控制”的序列号为12/399,317的美国专利申请所公开的已知方法，公开了一种用于提供转向控制的系统和方法，其用于在自动或半自动车辆系统内的车道改变或车道中心调整的目的。

基于模型的预测控制(MPC)系统可以是描述相对于车道、道路、或车辆驾驶其它特征的车辆运动的模型。

例如，使用MPC或其它技术，碰撞避免控制系统可以确定或计算致动器指令以驱动车辆沿着所需路径绕开该物体。例如，绕开该物体的所需路径可以沿着或处于光滑曲线上(例如，二次曲线和/或抛物线曲线)。所需路径可以基于道路的曲率、道路中的其它物体、道路的尺寸(例如，车道宽度、路肩位置、道路宽度等)和/或其它因素计算。

根据一些实施例，碰撞避免控制系统可以确定一个或多个车辆转向角控制指令、转向扭矩指令、或其它指令以引导车辆在所需路径上。例如，碰撞避免控制系统可以输出转向角控制指令、转向扭矩指令、或其它指令给电动助力转向系统(EPS)、主动前轮转向系统(AFS)、自动转向控制系统、或其它系统以引导车辆到路径上。

例如，转向角控制指令可以使用MPC方法计算，目的是最小化与所确定的路径的偏差。例如，MPC可以使用代价函数来计算转向角指令。例如，代价函数可以是积分或求和公式，其解表示预定时间段内车辆的预测路径与车辆所需路径相差多少。根据车辆所需路径和预测路径之间的航向角误差和侧向偏移量误差使用代价函数可以计算车辆的预测路径偏离所需路径多少。例如，碰撞避免控制系统可计算最小化代价函数的转向角指令值，并因此补偿确定的或所需的车辆路径与预测车辆路径之间的车辆侧向位置和航向角误差。

在一些实施例中，指令的转向角或车辆控制参数值(或当遵循控制参数值时预测的车辆行为)可以与一个或多个车辆稳定性约束或参数比较以确保车辆控制参数值不会导致车辆变得不稳定。例如，如果轮胎失去摩擦(例如，开始滑动)，侧向加速度超过阈值，或超过其它车辆稳定性约束，则车辆可能变得不稳定。为了确保车辆稳定性，可以确定车辆控制参数值(例如，转向角指令)是否超过一个或多个车辆稳定性约束(或是否控制参数值将导致车辆超过车辆稳定性约束)。如果(一个或多个)车辆控制参数值超过一个或多个车辆稳定性约束(或如果控制参数值导致车辆超过车辆稳定性约束)，可以降低或改变车辆控制参数值为不超过一个或多个车辆稳定性约束的一个或多个控制参数值。然而，如果车辆控制参数值不超过一个或多个车辆稳定性约束，车辆控制参数值可以不被改变、变化、或降低。然而，通常地，当参数改变后，例如，它们降低为降低作用在车辆上的力以改善稳定性，改变参数可以不需要降低参数。

例如，碰撞避免控制系统可以比较一个或多个指令转向角与滑动角约束，以确定指令转向角，如果向自动转向控制系统输出，是否将导致车辆变得不稳定。

根据一些实施例，前后轮胎滑动角可基于指令转向角计算。计算的前后轮胎滑动角可结合侧偏刚度使用来计算前后轮胎转向力约束。用于前后车轮的阈值轮胎摩擦力约束还可计算为动态轮胎摩擦系数和最大法向力的乘积。在一些实施例中，转向角指令可与前后轮胎转向力约束和阈值轮胎摩擦力约束比较。如果确定指令转向角的预测车辆行为超过轮胎摩擦力阈值和转向致动器约束，车辆可能变得不稳定或可能不能避免碰撞。因此，指令转向角可以改变或降低。然而，如果确定指令转向角的预测车辆行为不超过轮胎摩擦力阈值和转向致动器约束，指令转向角可输出到自动转向控制系统。

例如，碰撞避免控制系统可以比较一个或多个指令转向角与侧向加速度约束，以确定如果输出到自动转向控制系统，指令转向角是否将导致车辆变得不稳定。

根据一些实施例，指令转向角可以用来计算或预测车辆侧向加速度。基于指令转向角计算或预测的车辆侧向加速度可以与阈值或最大侧向加速度比较。如果计算的侧向加速度超过阈值侧向加速度，例如，指令转向角可以改变或降低。指令转向角可降低到一个值以便使用降低的指令转向角计算或预测的侧向加速度等于阈值侧向加速度。

根据一些实施例，如果一个或多个指令转向角满足滑动角约束、侧向加速度约束、转向致动器约束、和/或其它约束，一个或多个指令转向角可以输出到自动转向控制系统以引导车辆在所需路径上。

图1是根据本发明实施例的具有碰撞避免控制系统的车辆的示意图。车辆10(例如，汽车、卡车、或其它车辆)可包括碰撞避免控制系统100。碰撞避免控制系统100可与一个或多个自动车辆控制系统、自动驱动应用或车辆自动转向系统90结合或独立地操作。例如，车辆自动转向系统90可以是或包括自适应车道中心调整、低速车道中心调整、车道保持辅助、或其它应用。一个或多个车辆自动转向系统90可以是系统100的部件，或车辆自动转向系统90可以与系统100分开。当接合时，车辆自动转向系统90可以完全或部分地通过转向盘82和/或转向系统控制车辆的转向以及改变或降低驾驶员(例如，车辆的操作者)转向控制输出，转向系统可以包括电动助力转向(EPS)系统和/或其它部件。

一个或多个传感器可与车辆10附接或相关联。计算机视觉传感器(例如，照相机)24、LIDAR传感器20(例如，激光雷达(LADAR)传感器)、雷达传感器22、或其它远程传感装置可获得数据使得系统100确定或测量车辆相对于道路特征的相对位置，道路特征是例如其它车辆、车道标志、道路路肩、路中护栏、道路边缘和其它物体或特征。例如，照相机24可测量距离和/或相对于物体、其它车辆(例如，在车辆10前方可能导致碰撞威胁的车辆)、车道偏移量、航向角、车道曲率的相对方位，并向系统90提供信息。碰撞避免控制系统100可控制车辆10的转向以避开车辆10前方、附近或其它方式邻近车辆10的物体(例如，车辆)。

在本发明的一个实施例中，车辆10可包括一个或多个装置或传感器以测量车辆转向度量、车辆转向条件、车辆转向参数、车辆动态、驾驶员输出、或其它车辆相关的条件或度量。车辆动态测量装置可包括一个或多个转向角传感器70(例如，连接到转向盘82和/或转向系统的其它部件)。车辆动态测量装置还可包括一个或多个加速计72、速度计74、轮速传感器76、惯性测量单元(IMU)78、换挡位置传感器84、油门踏板位置传感器86、制动踏板位置传感器88、或其它装置。车辆动态测量装置可测量驾驶员输出或包括转向角、转向扭矩、转向方向、侧向(例如，角向或向心的)加速度、纵向加速度、偏航率、侧向和纵向速度、速度、车轮转动、和车辆10的其它车辆动态特征的车辆动态参数。测量的车辆动态、车辆条件、转向度量、转向条件、或驾驶员输入信息可以通过例如有线连接(例如，控制器局域网(CAN)总线、FLEXRAY、以太网)40或无线连接传输给系统100。测量的车辆参数、车辆条件、转向度量、转向条件、或驾驶员输入信息数据可以被系统100或其它系统使用以计算转向角、转向扭矩和其它计算值。

在本发明的一个实施例中，碰撞避免控制系统100可以是或可以包括安装在车辆仪表盘上、乘员舱50或行李箱60内的计算装置。在可选实施例中，碰撞避免控制系统100可位于车辆的其它部分，可以位于车辆的多个部分，或可以使全部或部分功能远程定位(例如，在远程服务器或便携式计算装置如蜂窝电话)。

尽管讨论了各种传感器和输入，在特定实施例中可以仅仅使用子集(例如，一个)类型的传感器或输入。

图2是根据本发明实施例的碰撞避免控制系统的示意图。碰撞避免控制系统100可包括一个或多个处理器或控制器110、存储器120、长期存储装置130、输入装置或区域140、和输出装置或区域150。输入装置或区域140可以是例如触摸屏、键盘、麦克风、指示装置或其它装置。输出装置或区域150可以是例如显示器、屏幕、声音装置如扬声器或耳机、或其它装置。输入装置或区域140和输出装置或区域150可以合并为例如触摸屏显示器和输入，其可以是系统100的一部分。

系统100可包括一个或多个数据库170，例如，其可包括控制时程、采样时间、采样速率、摩擦力阈值、侧偏刚度、表面摩擦系数、车辆参数值(例如，车辆质量(或当没有乘员时的质量等)、从车辆重心到前后轴的纵向距离)、和其它信息。数据库170可以全部或部分地存储在存储器120、长期存储装置130，或其它装置中的一个或两个中。

处理器或控制器110可以是例如中央处理单元(CPU)、芯片或任何合适的计算装置。处理器或控制器110可包括多个处理器、并可包括通用处理器和/或专门处理器如图像处理芯片。例如，处理器110可执行例如存储在存储器120或长期存储装置130内的代码或指令，以实施本发明的实施例。

例如，存储器120可以是或可以包括随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SD-RAM)、双倍数据速率(DDR)存储芯片、闪存、易失存储器、非易失存储器、高速缓冲存储器、缓冲器、短期存储单元、长期存储单元、或其它合适的存储单元或存储装置单元。存储器120可以是或可包括多个存储单元。

例如，长期存储装置130可以是或可包括硬盘驱动器、软盘驱动器、光盘(CD)驱动器、可刻录光盘(CD-R)驱动器、通用串行总线(USB)装置或其它合适的可移除和/或固定存储装置单元、并且可包括多个这种单元或这种单元的组合。

图3是根据本发明实施例的使用转向控制的碰撞避免控制系统的示意图。正常车辆操作期间，碰撞避免控制系统100可以是被动的或在后台操作。例如，当车辆传感器数据指示紧急碰撞、碰撞威胁的可能性、或在其它时刻时，系统100可以变成主动的。例如，车辆10可接近或遭遇道路中的物体202(例如，车辆，静止物体或其它障碍物)。如果车辆处于导致碰撞威胁的物体202的预定距离内、在预定速度范围内、和/或在预定加速度范围内，系统100或其它与车辆10相关的系统可以例如提供预碰撞准备和/或警告车辆10的驾驶员。对车辆10驾驶员的警告可以是信号，例如声音警告、警告灯或其它形式的警告。如果驾驶员不能减轻碰撞威胁，碰撞避免控制系统100可以控制车辆，例如，通过自动转向控制、自动制动、或其它控制或操作以便避开障碍物202或减轻车辆10和物体202之间的碰撞。例如，自动制动可以包括常用或典型制动(例如应用两个前制动、两个后制动、或同时应用所有制动)、和/或其它制动系统或方法。例如，常用制动可以用来在纵向上控制车辆。例如，差速制动可以用来在纵向、侧向和其它方向上控制车辆。

碰撞避免控制系统100采用哪种避开操作或致动系统(例如、自动转向、差速制动、自动制动或其它系统)可以基于例如车辆10的速度、车辆和物体202之间的相对距离、道路中的其它物体、道路的尺寸、道路的曲率、和其它因素。例如，如果车辆10处于预定转向操作阈值距离210内，对于车辆10不可能行驶绕开障碍物202，应用自动制动以降低车辆10和物体202之间的碰撞速度可能是更有利的。

根据一些实施例，碰撞避免控制系统100可以确定车辆10可通过操作绕开物体以避免与物体202碰撞。因此，系统100可计算绕开物体的所需路径220。为了引导车辆在所需路径220上，转向角控制、转向扭矩控制、或其它指令可输出到自动转向控制系统。绕开物体的所需路径和转向角指令或其它指令可使用基于模型的预测控制(MPC)系统基于单轨迹线性二轮车模型或其它车辆动态模型计算。在一些实施例中，使用MPC计算的转向角指令可以由车辆稳定性约束来约束或与车辆稳定性约束比较以确保转向操作期间车辆是稳定的。

碰撞避免控制系统可以确定或计算绕开物体所需的路径220。例如，绕开物体的所需路径220可以沿着或处于光滑曲线上(例如，二次曲线和/或抛物线曲线)。所需路径可以基于位置计算，例如测量的或确定的物体的相对位置(或绝对位置)，道路参数(例如，道路曲率、道路中的其它物体、道路尺寸、车道宽度、路肩位置、道路宽度等)、一个或多个车辆参数和/或其它因素。可使用其它路径计算或确定方法。

根据一些实施例，使用MPC，碰撞避免控制系统100可确定一个或多个车辆转向角控制指令、转向扭矩指令、或其它控制参数值以引导车辆在所需路径220上。可以计算一个或多个车辆控制参数以最小化与所需车辆路径的预测偏差。例如，碰撞避免控制系统可输出转向角控制指令、转向扭矩指令、或控制参数值到电动助力转向(EPS)、主动前轮转向(AFS)、主动后轮转向(ARS)、或其它车辆自动控制装置以引导车辆在路径上。

例如，转向角控制指令可以使用MPC方法计算，其目的是最小化与所需路径的偏差。例如，MPC可以通过确定一个或多个转向角指令值u_x计算一个或多个转向角指令，该u_x最小化成本函数，例如：

在成本函数中，成本J可表示预测车辆10在从0到时间ΔT的时间段(例如，如1秒的时间段或其它时间段)与所需路径偏差多少。从0到ΔT的时间段可以是MPC控程。成本J可以基于车辆参数、道路特征(例如车道曲率)、和其它参数计算。车辆参数可包括例如车辆动态参数、车辆侧向偏移量、车辆航向角、车辆侧向速度、车辆偏航率、车轮角度、从车辆重心(CG)到前后轴的纵向距离、车辆轨迹或路径、车辆质量、车辆偏航惯性、前后轮胎侧偏刚度和其它参数。侧向偏移量误差y_err可以是所需侧向偏移量y_desired和预测侧向偏移量y_predicted之间的差。侧向偏移量可以是车辆重心离车道(例如车道标记、车道中心或其它车道特征)的偏移量。航向角误差可以是所需航向角和预测航向角之间的差。例如，航向角可以是车辆的行驶方向相对于道路的偏航角或其它角度。预测的侧向偏移量y_predicted和预测的航向角可以基于车辆动态、道路特征、和其它参数来预测。预测的侧向偏移量y_predicted、预测的航向角和控程时间段(例如，从0到ΔT的时间段)的值可以指示一路径，系统100基于在时间0时的车辆参数、道路特征和其它因素预测车辆沿该路径而行。

Q(x)和R(t)可以是权重因数，例如，其可通过车辆动态仿真或车辆测试或两种方法的组合来调整。Q(x)是控制权重并可表示从预测路径到所需路径的运动应该多快地发生。R(t)可以是为指令转向角ux提供倒数权重因数的函数，以便与Q(x)平衡。转向指令控制值u_x，其导致J的最低值或最小化成本函数中的J，可以是用于滑动角约束、侧向加速度约束、或其它车辆稳定性约束计算的转向指令值。

根据一些实施例，系统100可通过计算转向角指令u_k的数值解来确定最小化以上成本函数的一个或多个转向角指令值。确定一个或多个转向角指令u_k的成本函数的数值解可以使用以下公式计算：

u_{k} = - \frac{Σ_{j = 1}^{p} [Σ_{i = 1}^{j} {({CA}^{i - 1} B)}^{T} R_{k + j} {CA}^{j}]}{Σ_{j = 1}^{p} [Σ_{i = 1}^{j} {({CA}^{i - 1} B)}^{T} R_{k + j} {CA}^{i - 1} B] + Q_{k}} x_{k} + \frac{Σ_{j = 1}^{p} [Σ_{i = 1}^{j} {({CA}^{i - 1} B)}^{T} R_{k + j} r_{k + j} - C Σ_{i = 1}^{j} A^{i - 1} h_{k}]}{Σ_{j = 1}^{p} [Σ_{i = 1}^{j} {({CA}^{i - 1} B)}^{T} R_{k + j} {CA}^{i - 1} B] + Q_{k}}

转向角指令u_k可以是输出到自动转向控制系统的转向角指令值。采样数p可以是以控程时间ΔT计算的时间步长数。例如，如果控程时间ΔT是1秒并且采样时间T_s是0.1秒，采样数p可以是10或其它采样数。状态向量x_k可以表示由侧向偏移量、航向角、侧向速度和偏航率r_k+j组成的向量。例如，循迹误差上的权重R_k+j和控制权重Q_k可以通过车辆动态仿真或车辆测试调整。矩阵A、B和C可以包括表示车辆运动线性公式的车辆参数。车道曲率因子h_k可以基于车辆参数和道路尺寸。根据一些实施例，车道曲率因子h_k可以由例如以下公式定义：

h_{k} = [\begin{matrix} - \frac{1}{2} V_{x}^{2} T_{s}^{2} k (s) \\ - V_{x} T_{s} k (s) \\ 0 \\ 0 \end{matrix}]

纵向速度V_x可以是车辆速度在纵向方向或其它方向沿所需路径的分量。例如，车道曲率k_(s)可以是车道的曲率半径的倒数、车道中心线、车道标志、或其它道路特征，并且T_s可以是采样时间(例如0.1秒)。

在一些实施例中，转向角指令值u_k可以与一个或多个车辆稳定性约束或参数比较以帮助确保计算的转向角不会导致车辆变得不稳定。例如，如果轮胎失去牵引(例如，轮胎滑动)，侧向加速度超过阈值，或超过其它车辆稳定性约束阈值，则车辆可能变得不稳定。

根据一些实施例，预测前轮胎滑动角α_f和后轮胎滑动角α_r可以基于转向角指令u_k计算。前轮胎滑动角α_f可以使用例如以下公式计算：

α_f＝H_fA^j-1x_k+(H_fA^j-2B+...+H_fB)u_k

滑动角α_f可以对于在每个预测点(例如，在点j＝1，2，...，p)计算的转向指令值u_k进行计算，以确保车辆10在车辆的预测路径上的每个预测点处是稳定的。矩阵H_f可表示车辆速度和车辆尺寸。例如，矩阵H_f可包括：

H_{f} = [0,0, - \frac{1}{V_{x}}, - \frac{a}{V_{x}}]

纵向速度V_x可以是纵向方向上沿所需路径的车辆速度的分量。纵向距离a可以是从车辆重心到前方车辆前轴的纵向距离。

根据一些实施例，预测后轮胎滑动角α_r可以使用如下公式计算：

a_j＝H_rA^j-1x_k+(H_rA^j-2B+...+H_rB)u_k

矩阵H_r可表示车辆速度和车辆尺寸。例如，矩阵H_r可包括：

H_{r} = [0,0, - \frac{1}{V_{x}}, - \frac{b}{V_{x}}]

纵向速度V_x可以是纵向方向上沿所需路径的车辆速度的分量。纵向距离b可以是从车辆重心到车辆后轴的纵向距离。

计算的预测前后轮胎滑动角α_f和α_r可以结合前后轮侧偏刚度C_f和C_r使用来计算前后轮胎转向约束。前后轮的阈值轮胎摩擦力也可以计算为动态轮胎摩擦μ和最大法向力W_f的乘积。转向角指令u_k可以与转向约束和阈值轮胎摩擦力比较，例如利用以下不等式：

{(C_{f} α_{j})}^{2} + u_{k}^{2} \leq {(μ W_{f})}^{2}

根据一些实施例，如果转向角指令u_k满足不等式并且不超过(或导致车辆的预测行为超过)轮胎稳定性约束，转向角指令可以不改变或降低并可以输出到自动转向控制系统或与其它车辆稳定性约束比较。

根据一些实施例，如果确定指令转向角u_k超过(或导致车辆超过)轮胎稳定性约束(例如不满足上述不等式)，轮胎可能变得不稳定。因此，转向角指令u_k可以改变或降低到不超过(或导致车辆超过)一个或多个车辆稳定性约束的转向角指令值(例如车辆控制参数值)以确保车辆保持稳定。例如，以下公式可以用来计算降低的转向角指令u_k以确保车辆稳定性：

u_{k}^{2} = {(μ W_{f})}^{2} - {(C_{f} α_{j})}^{2}

改变或降低的转向角指令值可以例如被输出到自动转向控制系统或与其它车辆稳定性约束进行比较。

根据一些实施例，例如，碰撞避免控制系统100可以比较一个或多个指令转向角u_k和侧向加速度约束，以确定如果指令转向角输出到自动转向控制系统，是否导致车辆变得不稳定。

根据一些实施例，指令转向角u_k可以根据例如以下公式用来计算侧向加速度α_yj：

a_yj＝FA^j-1x_k+(FA^j-2B+...+FB)u_k

侧向加速度α_yj可以对于在每个预测点(例如，在点j＝1，2，...，p)计算的转向指令值u_k进行计算，以确保车辆10在车辆的预测路径上的每个预测点是稳定的。矩阵F可以表示车辆速度和车辆尺寸。例如，矩阵F可以包括：

F＝[0，0，a₁₁，a₁₂+V_x]

矩阵元素a₁₁可表示前后侧偏刚度C_f和C_r；车辆质量M；和车辆纵向速度V_x之间的关系，例如如下：

a_{11} = - \frac{C_{f} + C_{r}}{{MV}_{x}}

矩阵元素a₁₂可表示前后侧偏刚度C_f和C_r；车辆质量M；车辆CG到静油的纵向距离a；车辆CG到后轴的纵向距离b；和车辆纵向速度V_x之间的关系，如下：

a_{12} = - V_{x} - \frac{C_{f} a - C_{r} b}{{MV}_{x}}

根据一些实施例，计算的侧向加速度a_yj可以在一些实施例中与阈值侧向加速度a_ymax比较，例如在以下不等式中所示：

|a_yj|≤a_ymax

如果计算的侧向加速度的绝对值|a_yj|超过阈值侧向加速度a_ymax，例如，可以改变或降低转向角指令u_k。指令转向角u_k可以降低为一个值，以便使用降低的指令转向角计算的侧向加速度等于阈值侧向加速度a_ymax。指令转向角u_k可以降低到一个不超过(或导致车辆超过)一个或多个车辆稳定性约束(例如，阈值侧向加速度)的转向角指令值(例如，车辆控制参数值)以确保车辆保持稳定。阈值侧向加速度a_ymax可以通过一个或多个以下方式定义：车辆动态测试、制造、人为因素研究或其它方法。在一些实施例中，阈值侧向加速度a_ymax可以是4.9米每秒的平方(m/s²)(例如，0.5g’s)，或其它值。

根据一些实施例，如果转向角指令u_k满足不等式并且不超过(或导致车辆超过)车辆稳定性约束，转向角指令可以不改变或降低并且可以输出到自动转向控制系统或与其它车辆稳定性约束比较。

根据一些实施例，如果一个或多个转向角指令u_k不超过(或导致车辆超过)一个或多个车辆稳定性约束(例如，滑动角约束、侧向加速度约束和/或其它约束)，一个或多个转向角指令可以输出到自动转向控制系统以引导车辆沿所需路径。

尽管这里示出了特定的公式，其它公式可以用于本发明的实施例。

图4是根据本发明实施例的碰撞避免控制系统的操作的流程图。

图5是根据本发明实施例的在碰撞避免控制操作期间车辆侧向位置与纵向位置的关系曲线图。

图6是根据本发明实施例的在碰撞避免控制系统的离线调整期间车辆侧向位置与纵向位置的关系曲线图。

图7是根据本发明实施例的在碰撞避免控制系统的离线调整期间偏航角与时间的关系曲线图。

图8是根据本发明实施例的在碰撞避免控制系统的离线调整期间车辆侧向位置与纵向位置的关系曲线图。

图9是根据本发明实施例的在碰撞避免控制系统的离线调整期间偏航角与时间的关系曲线图。

图10是根据本发明实施例的碰撞避免控制系统的测试期间转向角与时间的关系曲线图。

图11是根据本发明实施例的碰撞避免控制系统的测试期间侧向加速度与时间的关系曲线图。

图12是根据本发明实施例的轮胎摩擦约束的图形描述。

图13是根据本发明实施例的车辆参考坐标系的图形描述。根据本发明的实施例，在车辆10参考坐标系内的运动的线性方程可以用来计算车辆控制参数、车辆稳定性约束和其它参数。

根据一些实施例，例如，车辆侧向偏移量的变化可以通过如下公式与车辆侧向速度V_y、车辆纵向速度V_x、和车辆航向角误差Δψ相关：

Δ \overset{\cdot}{y} = V_{y} + V_{x} Δψ

根据一些实施例，航向角误差的改变可以与车辆偏航率r、车辆纵向速度V_x、和车道曲率ρ相关，如下公式所示：

Δ \overset{\cdot}{ψ} = r + V_{x} ρ

根据一些实施例，车辆侧向加速度的变化率可以与前轮侧偏刚度C_f、后轮侧偏刚度C_r、车辆侧向速度V_y、车辆质量M、车辆纵向速度V_x、从车辆CG到前轴的纵向距离a、从车辆CG到后轴的纵向距离b、和车轮角度δ相关，通过如下公式所示：

{\overset{\cdot}{V}}_{y} = - \frac{C_{f} + C_{r}}{{MV}_{x}} V_{y} - (V_{x} + \frac{C_{f} a - C_{r} b}{{MV}_{x}}) r + \frac{C_{r}}{M} δ

根据一些实施例，车辆偏航变化率r可以与车辆偏航惯性I_z、和以上定义的车辆参数相关，通过如下所示公式：

\overset{\cdot}{r} = - \frac{C_{f} a - C_{r} b}{I_{z} V_{x}} V_{y} - \frac{a^{2} C_{f} + b^{2} C_{r}}{I_{z} V_{x}} r + \frac{a C_{f}}{I_{z}} δ

根据一些实施例，如下公式可以用来计算或确定矩阵A、B和C：

x_k+1＝Ax_k+Bu_k+h_k

y_k＝Cx_k

根据一些实施例，例如，x_k可以是状态向量，y_k可以是由以下公式定义的输出向量：

x = [\begin{matrix} Δy \\ Δψ \\ V_{y} \\ r \end{matrix}]

y = [\begin{matrix} Δy \\ Δψ \end{matrix}]

尽管特定操作和值如图4-13所示，但可以使用其它操作和值。

本发明的实施例可以包括用于执行这里所述操作的装置。这种装置为了所需目的可以特别构造，或可以包括通过存储在计算机内的计算机程序可选择地作用或重新构造的计算机或处理器。这种计算机程序可以存储在计算机可读或处理器可读的永久性存储介质内，任意类型的磁盘包括软盘、光盘、CD-ROM、磁光盘、只读存储器(ROMs)、随机访问存储器(RAMs)、电子可编程只读存储器(EPROMs)、电子可擦可编程只读存储器(EEPROMs)、磁性或光学卡片、或任意其它类型的适合存储电子指令的介质。可以认识到各种编程语言可以用来实现这里描述的本发明的教导。本发明的实施例可包括如永久性计算机或处理器可读永久性存储介质之类的物品、例如存储器、磁盘驱动器、或USB闪存编码、包括或存储指令，例如计算机可执行指令，当通过处理器或控制器执行时，其使得处理器或控制器执行上述方法。这些指令可使得处理器或控制器执行实施这里所述方法的过程。

这里公开了不同的实施例。特定实施例的特征可与其它实施例的特征组合；因此特定实施例可以是多个实施例的特征的组合。本发明实施例的前述说明为了描述和说明的目的提出。不试图是专门的或限制本发明到所公开的精确形式。本领域技术人员可以意识到根据以上教导许多改进、改变、替代、变化、和类似物是可能的。因此，可以理解权利要求旨在覆盖落入本发明的真实精神内的所有改进和变化。

Claims

1. 一种增强车辆控制的方法，包括：

在车辆内，基于物体相对于该车辆的位置、相对速度、道路参数和一个或多个车辆参数确定绕开该物体的所需路径；

计算使得与所需车辆路径的预测偏差最小化的一个或多个车辆控制参数值；

确定所述一个或多个车辆控制参数值是否会导致车辆超过一个或多个车辆稳定性约束；

如果所述一个或多个车辆控制参数值会导致车辆超过一个或多个车辆稳定性约束，则将所述一个或多个车辆控制参数值改变为不导致车辆超过所述一个或多个车辆稳定性约束的一个或多个车辆控制参数值；和

将不导致车辆超过所述一个或多个车辆稳定性约束的一个或多个车辆控制参数值输出到车辆自动控制装置。

2. 如权利要求1的方法，其中，所述使得与所需车辆路径的预测偏差最小化的一个或多个车辆控制参数值包括一个或多个转向角指令。

3. 如权利要求1的方法，其中，计算使得与所需车辆路径的预测偏差最小化的一个或多个车辆控制参数值包括计算使成本函数最小化的一个或多个转向角指令。

4. 如权利要求1的方法，其中，所述一个或多个车辆稳定性约束包括滑动角约束和侧向加速度约束。

5. 如权利要求1的方法，其中，所述一个或多个车辆稳定性约束包括滑动角约束。

6. 如权利要求1的方法，其中，所述一个或多个车辆稳定性约束包括侧向加速度约束。