CN103419783A - 车道保持辅助系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于车辆的行驶信息及道路信息，在车辆发生脱离车道的危险时，控制车辆防止脱离车道的车道保持辅助系统，尤其涉及一种车道保持辅助系统，生成使得行驶中的车辆不脱离车道行驶的路径即多重目标轨迹，并演算对于各个目标轨迹的目标横摆角速度，并根据利用所述目标横摆角速度计算的目标转向角控制车辆，由此辅助车辆保持车道行驶。

Description

车道保持辅助系统及方法

技术领域

本发明涉及能够防止驾驶员无意识地脱离车道的车道保持辅助系统，尤其涉及一种以车辆的目前行驶状态为基准设计目标轨迹，根据所述目标轨迹演算目标横摆角速度(yaw rate)，并根据基于所述目标横摆角速度生成的目标转向角控制车辆的转向装置，从而能够有效地防止所述车辆脱离车道的车道保持辅助系统及方法。

背景技术

车道保持辅助系统(Lane Keeping Assist System：LKAS)是指基于行驶中的车辆的行驶信息及道路信息，预测行驶车辆将要脱离车道时，通过控制车辆，而防止行驶车辆脱离车道。

以往发明的LKAS控制方式，通过由安装于车辆的影像装置获得的车道信息，计算车道与车辆之间的距离及角度，并利用从车辆的控制器局域网(Controller Area Network：CAN)数据获得的车辆的行驶方向和车速，演算车道脱离速度，并根据车辆的脱离车道与否，发出车道脱离警报或进行转向控制。

然而，这种以往的控制方式只通过脱离距离和自身车辆与车道之间的角度即偏向角演算控制量(控制程度)，因此只要稍微发生偏向角，即超越车道脱离速度的临界值，使得控制器敏感地工作。并且，在演算控制量时，因使用基于经验的转向力矩图表，无法确保对侧风、路面坡度等干扰的控制性能的稳定性。

虽然有提议通过估算可预测的未来车辆动作或变数并进行补偿的方法来解决上述问题，但因控制演算法复杂，并且对摄像头信号的误差很敏感，很难提高控制性能。

发明内容

技术问题

为了解决上述问题，本发明目的在于提供一种控制演算法，设计以运动学(Kinematic)为基础的使得行驶车辆到达前方目标地点的目标轨迹，并演算为追踪目标轨迹的目标横摆角速度及其目标转向角。

并且，本发明目的在于提供一种适合于行驶状况的车道保持辅助系统，该系统生成多重目标轨迹，演算对于各目标轨迹的多重目标横摆角速度，并且，在多重目标横摆角速度中选择适合行驶状况的目标横摆角速度进行转向控制。

技术方案

本发明提供一种车道保持辅助系统，其包括：基于由图像传感器及车辆传感器接收的信息、输出有关车辆的信息及行驶中的道路信息的接收部；接收由所述接收部输出的所述信息、生成所述车辆的目标轨迹的目标轨迹生成部；接收从所述目标轨迹生成部输入的所述目标轨迹、计算所述车辆的目标横摆角速度的目标横摆角速度演算部；以及基于所述接收部输出的所述信息、判断所述车辆的车道保持辅助控制时间点，并且利用从所述目标横摆角速度演算部接收的所述目标横摆角速度、计算目标转向角，并根据所述目标转向角控制转向装置的控制部。

根据本发明的一方面，提供一种适合于行驶状况的车道保持系统，其中，所述目标轨迹生成部对于使得所述车辆不不脱离行驶中的道路行驶至任意目标地点的路径及使得所述车辆不脱离由所述道路的警戒线间隔预定偏移范围内的地点行驶的路径中至少一个路径，生成多重目标轨迹，另外，所述目标横摆角速度演算部接收从所述目标轨迹生成部输入的多个目标轨迹，演算有关各个目标轨迹的所述目标横摆角速度。所述控制部在所述多重目标横摆角速度中选择适合于行驶状况的目标横摆角速度，利用选择的目标横摆角速度计算所述目标转向角，由此控制转向装置。

所述目标轨迹生成部利用到所述车辆的任意目标地点的距离、到所述目标地点的道路曲率及所述车辆的横方向偏移中的至少一个值，演算所述目标轨迹，并且，所述目标横摆角速度演算部计算有关从所述目标轨迹生成部输入的所述目标轨迹的曲率半径，并利用所述曲率半径计算所述目标横摆角速度，所述控制部利用所述目标横摆角速度、所述车辆的正常状态的转向角及所述车辆的正常状态的横摆角速度，演算所述目标转向角。

另外，本发明可提供一种车道保持辅助方法，其包括：接收车辆的图像检测信号、车辆检测信号中的至少一个以上的信号，输出所述车辆的行驶信息的步骤；基于所述行驶信息，生成所述车辆的目标轨迹的步骤；基于所述目标轨迹，演算所述车辆的目标动作即目标横摆角速度的步骤；基于所述行驶信息，判断车道保持辅助控制时间点，并利用所述目标横摆角速度计算目标转向角的步骤；以及根据所述目标转向角，控制所述车辆的转向装置的步骤。

技术效果

本发明提供一种适合于行驶状况的车道保持辅助系统，该系统通过使用目标横摆角速度、控制车辆保持车道，从而提供对于误差不敏感的车道保持辅助系统，并且，在多重目标横摆角速度中选择适合于行驶状况的目标横摆角速度，而对转向装置进行控制。

并且，本发明提供一种非常容易实施的控制演算法，该控制演算法通过有选择地使用可变性的目标距离，从而能够根据用户需要容易地对控制强度及敏感度进行调整(tuning)，并且本发明具有可适用于自动行驶及自动车道变更技术等自动行驶技术的优点。

附图说明

图1是示出根据本发明的一实施例的车道保持辅助系统的结构框图；

图2是为了说明根据本发明的一实施例的车道保持辅助系统生成多重目标轨迹的过程的附图；

图3是为了说明根据本发明的一实施例的车道保持辅助系统为了演算目标横摆角速度，求目标轨迹的曲率半径的过程的附图；

图4是根据本发明的一实施例的车道保持辅助方法的流程图。

附图标记说明

100：车道保持辅助系统(LKAS)

101：接收部                  102：目标轨迹生成部

103：目标横摆角速度演算部    104：控制部

110：图像传感器              120：车辆传感器

130：转向装置

具体实施方式

参照附图与下面的实施例，本发明的优点、特征以及达成其的方法将更加明确。但是，本发明并非限定于以下公开的实施例，将以相互不同的多种形态体现，本实施例只是提供用于使本发明的公开更完全，让本发明所属技术领域的技术人员能够容易地理解发明的范畴，本发明根据权利要求项的记载进行定义。

另一方面，在本说明书中使用的术语用于说明实施例，并非意在限定本发明。在本说明书中，只要在语句中未特别提及，单数形也包括复数形。在说明书中使用的“包括(comprises)”或“包括的(comprising)”，不排除提及的构成要素、步骤、动作及/或元件之外的一个以上的其它构成要素、步骤、动作及/或元件的存在或追加。

图1是示出根据本发明的一实施例的车道保持辅助系统的结构框图。

车道保持辅助系统(Lane Keeping Assist System：LKAS)包括接收部101、目标轨迹生成部102、目标横摆角速度演算部103及控制部104。

接收部101从车辆的图像传感器110及车辆传感器120接收图像检测信息及车辆检测信息。

图像传感器110实时识别行驶前方的车道，推定以车道为基准的车辆的横方向位置、方位角(heading angle)、道路曲率及车道信息等，向接收部101传送。

车辆传感器120向接收部101传送车辆的行驶方向、速度等有关车辆的动作的信息。

接收部101向目标轨迹生成部102传送从所述图像传感器110及车辆传感器120接收的有关行驶中的车辆行驶状态信息和行驶中的道路信息。

目标轨迹生成部102基于从所述接收部101接收的有关行驶中的车辆行驶信息及道路信息，生成使得行驶中的车辆不脱离车道行驶的目标轨迹。此时，为了使得车辆在车道内稳定地行驶，可生成能够在从车道预定偏移范围内的地点行驶的轨迹。由此，能够生成多个目标轨迹，并基于其中一个目标轨迹，而控制车辆。

图2是为了说明在车道保持辅助系统中生成多重目标轨迹的过程的附图。

在图2中，假设车辆的现位置为C，车辆的任意目标距离为L，将为了使得车辆不脱离车道行驶的目标点用4，B表示。并且，将为了不脱离从车道预定偏移范围内的地点行驶的目标点用A^*，B^*表示。由此，目标轨迹可以生成为到达目标地点A，B，A^*，B^*的轨迹。

为了达到目标点A，B，A^*，B^*的目标圆轨迹上的坐标(x，y)，可由数学式1和数学式2进行演算。

【数学式1】

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=\sqrt{L^2-{y_i}^2}\\ {x_i}^{*}=\sqrt{L^2-{y_i}^{*2}}\end{array}\right.,(i=L,R)$

【数学式2】

$\left\{\begin{array}{c}{y}_i=\frac{L^2-{\mathrm{\ϵ}}_i^2-2{\mathrm{\ϵ}}_i(R_i-{\mathrm{\ϵ}}_i)}{2(R_i-{\mathrm{\ϵ}}_i)}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_i(L^2-{\mathrm{\ϵ}}_i^2)}{2(1-{\mathrm{\ρ}}_i{\mathrm{\ϵ}}_i)}-{\mathrm{\ϵ}}_i\\ y_i^{*}=\frac{L^2-{\mathrm{\ϵ}}_i^{*2}-2{\mathrm{\ϵ}}_i^{*}(R_i^{*}-{\mathrm{\ϵ}}_i^{*})}{2(R_i^{*}-{\mathrm{\ϵ}}_i^{*})}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_i^{*}(L^2-{\mathrm{\ϵ}}_i^{*2})}{2(1-{\mathrm{\ρ}}_i^{*}{\mathrm{\ϵ}}_i^{*})}-{\mathrm{\ϵ}}_i^{*}\end{array}\right.,(i=L,R)$

在此，(x_i，y_i)是为了达到目标点A，B的目标轨迹上的坐标，是为了达到目标点A^*，B^*的目标轨迹上的坐标，ρ_i(ρ_i＝1/R_i)为目标点基准的道路曲率，并且，ε_i是车辆横方向偏移(offset)。

目标轨迹生成部102将有关根据所述数学式生成的多重目标轨迹的信息传送至目标横摆角速度演算部103。

目标横摆角速度演算部103利用从目标轨迹生成部102接收的多重目标轨迹和从目标轨迹生成部102接收的车辆信息及道路信息，演算车辆的目标动作，即目标横摆角速度。

目标横摆角速度演算部103先计算从目标轨迹生成部102输入的目标圆轨迹的曲率半径，之后利用所述曲率半径，演算目标横摆角速度。

图3是为了说明目标横摆角速度演算部103计算目标圆轨迹的曲率半径的过程的附图。

如果假设目标轨迹

的曲率半径为r_L、

与

之间的角度为α、车辆和车道之间的偏向角为φ、至目标地点的距离为L，它们之间的关系可用数学式3表示。

【数学式3】

r_Lcos(φ+a)＝L/2

由此，可通过数学式4表示为达到目标地点的圆轨迹的曲率ρ_k，L。

【数学式4】

${\mathrm{\ρ}}_{k,L}=\frac{1}{r_L}=\frac{2}{L^2}(y_L\cos \mathrm{\φ}-x_L\sin \mathrm{\φ})$

在此，X_L＝Lsina，y_L＝Lcosa。

从而，可用数学式5表示为达到目标点A，B，A^*，B^*的圆轨迹的曲率。

【数学式5】

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ρ}}_{k,i}=\frac{2}{L^2}(y_i\cos \mathrm{\φ}-x_i\sin \mathrm{\φ})\\ {{\mathrm{\ρ}}^{*}}_{k,i}=\frac{2}{L^2}({y^{*}}_i\cos \mathrm{\φ}-{x^{*}}_i\sin \mathrm{\φ})\end{array}\right.,(i=L,R)$

通过上述方法计算目标圆轨迹的曲率时，目标横摆角速度可根据所述曲率和车辆的速度的乘积而计算，因此，多重目标横摆角速度YR_d，i可根据数学式6进行演算。

【数学式6】

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{YR}}_{d,i}={\mathrm{\ρ}}_{k,i}\·v_x\\ {{\mathrm{YR}}^{*}}_{d,i}={{\mathrm{\ρ}}^{*}}_{k,i}\·v_x\end{array}\right.,(i=L,R)$

目标横摆角速度演算部103将根据上述的过程演算的有关多重目标横摆角速度的信息传送至控制部104。

控制部104接收由目标横摆角速度演算部103输入的多重目标横摆角速度，监测车辆的行驶状态，而判断车道保持辅助系统介入的时间点。控制部104当判断存在车辆的车道脱离危险，为系统介入的时间点时，在多重目标横摆角速度中选择适合于行驶状况的目标横摆角速度，并根据选择的目标横摆角速度计算目标转向角。

目标转向角通过数学式7进行计算。

【数学式7】

δ_cmd＝k_p(δ_ss/YR_ss)YR_d

在此，δ_cmd为目标转向角，k_p为控制增益即比例增益，δ_ss为正常状态的转向角，YR_ss为正常状态的横摆角速度(yaw rate)、YR_d为目标横摆角速度。

控制部104将有关所述目标转向角的信息传送至转向装置130，而对转向装置130进行控制，从而可辅助行驶中的车辆不脱离车道行驶。

图4是示出根据本发明的一实施例的车道保持辅助方法的流程图。

为了控制车道保持辅助系统即控制车辆保持车道，在S400步骤中从车辆的图像传感器及车辆传感器接收图像检测信号和车辆检测信号。在S410步骤中，从接收的图像检测信号推定车道信息、车道内车辆的位置信息及道路曲率等，从车辆检测信号提取车辆的行驶方向及速度等信息，而输出行驶信息及道路信息。

在S420步骤中，基于所述行驶信息及道路信息，生成有关使得车辆不越过车道行驶的路径或使得不越过从车道预定偏移以内的地点而行驶的路径的目标圆轨迹。目标圆轨迹可根据到任意目标地点的距离、道路曲率及车辆横方向偏移而生成。

在S430步骤中，计算有关所述多重目标圆轨迹的曲率，并将所述曲率乘以行驶中的车辆的速度，演算根据各个目标轨迹的目标横摆角速度。

在S440步骤中，车道保持辅助系统对车辆的车道脱离与否进行监视，当存在车道脱离危险时，判断为车道保持辅助系统介入的时间点，在S450步骤中，在对于多重目标圆轨迹的多重目标横摆角速度中选择适合于行驶状况的目标横摆角速度，在S460步骤中，基于选择的目标横摆角速度，计算目标转向角。

目标转向角可利用所述目标横摆角速度和正常状态的转向角和横摆角速度(yaw rate)、比例增益(gain)进行计算。

在S470步骤中，车道保持辅助系统根据所述目标转向角控制转向装置，辅助车辆的运行，从而可辅助车辆不脱离车道行驶。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。因此，本发明中表示的实施例并不限定本发明的技术思想，只是为了说明本发明的技术思想，这些实施例并不限定本发明的权利范围。本发明的保护范围应当根据权利要求范围进行解释，与之同等或在均等范围内的所有技术思想应包含于本发明的权利范围。

Claims (16)

1.一种车道保持辅助系统，其特征在于，包括：

接收部，其基于由图像传感器及车辆传感器接收的信息，输出有关车辆的信息及行驶中的道路信息；

目标轨迹生成部，其接收由所述接收部输出的所述信息，生成所述车辆的目标轨迹；

目标横摆角速度演算部，其接收从所述目标轨迹生成部输入的所述目标轨迹，计算所述车辆的目标横摆角速度；以及

控制部，其基于所述接收部输出的所述信息、判断所述车辆的车道保持辅助控制时间点，利用从所述目标横摆角速度演算部接收的所述目标横摆角速度、计算目标转向角，并根据所述目标转向角控制转向装置。

2.根据权利要求1所述的车道保持辅助系统，其特征在于，

所述目标轨迹生成部将未越过所述行驶中的道路警戒线的行驶路径中至少一个以上的行驶路径生成为所述目标轨迹。

3.根据权利要求1所述的车道保持辅助系统，其特征在于，

所述目标轨迹生成部对于使得所述车辆不不脱离行驶中的道路行驶至任意目标地点的路径及使得所述车辆不脱离由所述道路的警戒线间隔预定偏移范围内的地点行驶的路径中至少一个路径，生成多重目标轨迹。

4.根据权利要求1所述的车道保持辅助系统，其特征在于，

所述目标横摆角速度演算部接收从所述目标轨迹生成部输入的多个目标轨迹，演算有关各个目标轨迹的所述目标横摆角速度。

5.根据权利要求4所述的车道保持辅助系统，其特征在于，

所述控制部在所述多重目标横摆角速度中选择适合于行驶状况的目标横摆角速度，利用选择的目标横摆角速度计算所述目标转向角。

6.根据权利要求1所述的车道保持辅助系统，其特征在于，

所述目标横摆角速度演算部计算有关从所述目标轨迹生成部输入的所述目标轨迹的曲率半径，并利用所述曲率半径计算所述目标横摆角速度。

7.根据权利要求6所述的车道保持辅助系统，其特征在于，

所述目标横摆角速度演算部利用所述车辆的到任意目标地点的距离及所述车辆与所述行驶中的道路之间的偏向角，计算所述曲率半径。

8.根据权利要求7所述的车道保持辅助系统，其特征在于，

所述目标横摆角速度演算部通过如下数学式演算对于所述目标轨迹的所述曲率半径，

$R\·\cos (\mathrm{\φ}+\mathrm{\α})=\frac{L}{2}$

其中，R为曲率半径，φ为偏向角，α为到目标地点为止的直线及至以道路为弧线的圆的中心的直线之间的角度，L为到目标地点为止的距离。

9.根据权利要求6所述的车道保持辅助系统，其特征在于，

所述目标横摆角速度演算部根据所述目标轨迹的曲率与所述车辆的速度的乘积，演算所述目标横摆角速度。

10.根据权利要求1所述的车道保持辅助系统，其特征在于，

所述目标横摆角速度演算部在所述车辆的行驶期间实时对所述目标横摆角速度进行更新。

11.根据权利要求1所述的车道保持辅助系统，其特征在于，

所述目标轨迹生成部利用到所述车辆的任意目标地点的距离、到所述目标地点的道路曲率及所述车辆的横方向偏移中的至少一个值，演算所述目标轨迹。

12.根据权利要求11所述的车道保持辅助系统，其特征在于，

所述目标轨迹生成部通过如下数学式演算使得所述车辆到任意目标地点为止不脱离所述道路而行驶的目标轨迹上的坐标x_i，y_i，

$x_i=\sqrt{L^2-{y_i}^2},$ $y_i=\frac{{\mathrm{\ρ}}_i(L^2-{{\mathrm{\ϵ}}_i}^2)}{2(1-{\mathrm{\ρ}}_i{\mathrm{\ϵ}}_i)}-{\mathrm{\ϵ}}_i$

其中，L为任意目标距离，ρ_i为道路曲率，ε_i为车辆横方向偏移。

13.根据权利要求1所述的车道保持辅助系统，其特征在于，

所述控制部利用所述目标横摆角速度、所述车辆的正常状态的转向角及所述车辆的正常状态的横摆角速度，演算所述目标转向角。

14.根据权利要求13所述的车道保持辅助系统，其特征在于，

所述控制通过如下数学式演算所述目标转向角，

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{cmd}}=k_p\·{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ss}}\·\frac{{\mathrm{YR}}_d}{{\mathrm{YR}}_{\mathrm{ss}}}$

其中，δ_cmd为目标转向角、k_p为控制增益即比例增益、δ_ss为正常状态的转向角、YR_ss为正常状态的横摆角速度(yaw rate)以及YR_d为目标横摆角速度。

15.一种车道保持辅助方法，其特征在于，包括：

接收车辆的图像检测信号、车辆检测信号中的至少一个以上的信号，输出所述车辆的行驶信息的步骤；

基于所述行驶信息，生成所述车辆的目标轨迹的步骤；

基于所述目标轨迹，演算所述车辆的目标动作即目标横摆角速度的步骤；

基于所述行驶信息，判断车道保持辅助控制时间点，并利用所述目标横摆角速度计算目标转向角的步骤；以及

根据所述目标转向角，控制所述车辆的转向装置的步骤。

16.根据权利要求15所述的车道保持辅助方法，其特征在于，

演算所述车辆的目标动作即目标横摆角速度的步骤包括：

计算所述目标轨迹的曲率半径的步骤；以及

利用所述曲率半径及所述车辆的速度，演算所述目标横摆角速度的步骤。

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