CN105774801A - 用于引导车道上的车辆的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于引导车道(104)上的车辆(100)的方法。在此，在使用回旋曲线的情况下求取的用于引导车辆(100)的期望轨迹(110)以及至少一个与车辆(100)在车道(104)上的行驶相关的参数(Δy_act，θ)。在另一方法步骤中，在使用所述期望轨迹(110)和所述参数(Δy_act，θ，v_ego)的情况下确定车辆(100)预期望轨迹(110)偏离的偏离值(Δy_pred，Θ)。最后，在使用所述偏离值(Δy_pred，Θ)的情况下提供用于控制和/或调节车辆(100)的转向的控制信号(M_des)。

Description

用于引导车道上的车辆的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于引导车道上的车辆的方法、相应的设备以及相应的计算机程序。

背景技术

车辆可以装配有用于在转弯行驶期间横向引导车辆的车道保持辅助装置。

发明内容

在此背景下，借助在此所提出的方法提出根据主权利要求的用于引导车道上的车辆的方法、使用所述方法的设备以及相应的计算机程序。有利的构型由相应的从属权利要求和以下的描述得出。

在此所提出的方案创造一种用于引导车道上的车辆的方法，所述方法包括以下步骤：

读取在使用回旋曲线的情况下求取的用于引导车辆的期望轨迹和至少一个与车辆在车道上的行驶有关的参数；

在使用所述期望轨迹和所述参数的情况下确定车辆与所述期望轨迹偏离的偏离值；并且

在使用所述偏离值的情况下提供用于控制和/或调节车辆的转向的控制信号。

车道可以理解为行车道的行驶带。车道可以单侧或两侧地通过例如以标记形式或另一个车辆形式的车道边界来限界。车道尤其可以涉及弯道区段。回旋曲线可以理解为其曲率与弯道长度成比例地变化的曲线。期望轨迹可以理解为在使用回旋曲线或回旋曲线模型的情况下求取的、车辆在行驶车道时应当跟随的轨迹。期望轨迹例如能够以曲率值或由此推导出的值、例如与时间相关的曲率变化的形式读取。

在行驶车道时，车辆可以位于与期望轨迹偏离的轨迹上，所述轨迹也可以称作实际轨迹。车辆与期望轨迹的偏离例如可以通过车辆固定的坐标系的原点与车道固定的坐标系的原点之间的间距来限定。参数可以是以下值：所述值例如可以描述车辆相对于车道、例如相对于车道边界或者相对于车道中心的位置或位置变化并且可以与车道的曲率或曲率变化相关。所述参数例如可以通过车辆的传感器或行驶动态调节装置来提供。

在此所提出的方案基于以下认识：为了行驶动态地稳定车辆、尤其为了在转弯行驶期间的横向引导，可以基于回旋曲线模型以相对小的计算耗费来模拟人的转向行为。根据实施方式，回旋曲线模型例如可以用于车辆的期望轨迹或实际轨迹的计算以及所述两个轨迹之间的偏离的计算。现在，可以将所求取的偏离用作用于控制和/或调节车辆的转向行为的输入参量，通过所述输入参量车辆可以转向到期望轨迹上或者保持在期望轨迹上。

用于控制横向的车辆运动的所述方法可以借助非常简单且稳健的构造来实现并且通过可相应容易且直观地掌控的软件在车辆中应用。因此，所述方法特别适于批量使用。

所述方法在大的速度范围上(即不仅在低速时而且也在非常高的速度时)并且在不同的弯道半径时(即不仅在直线路段上而且在弯曲路段上)提供高的效率能力的优点。因此，可以取消参数的为了在不同条件下达到好的功率能力可能需要的通常费时且困难地调节。

根据一种实施方式，在读取的步骤中可以读取车辆相对于期望轨迹的横向的初始错位作为所述参数。附加地或替代地，可以读取车辆的偏航角、偏航率或纵向速度。横向的初始错位例如可以理解为车辆固定的坐标系的原点与车道固定的坐标系的原点之间尽可能小的初始间距。车道固定的坐标系的原点例如可以位于期望轨迹上，并且车辆固定的坐标系的原点可以相应于车辆的后轴的中点。偏航角可以相应于车道固定的坐标系与车辆固定的坐标系之间的角。偏航率可以理解为车辆围绕其垂直轴线(也称作偏航轴线)转动的角速度。通过所述实施方式，可以根据少的参数快速且精确地计算所述偏离。

此外，当在确定的步骤中在使用纵向速度的情况下确定车辆的实际轨迹时，是有利的。附加地或替代地，可以在使用偏航率的情况下确定实际轨迹。根据实施方式，还可以在使用实际轨迹或从实际轨迹推导出的值、例如实际轨迹的曲率变化的情况下确定所述偏离值。如上所述，实际轨迹可以理解为车辆的真实的轨迹。因此，可以根据车辆的驾驶员的直观的行驶行为模拟道路走向和车辆的自身运动。如在期望轨迹的情形中那样，可以基于回旋曲线或回旋曲线模型以少的计算耗费来求取实际轨迹的曲率或者从实际轨迹推导出的值、即所述实际轨迹的曲率的变化。

在确定的步骤中，可以将车辆相对于期望轨迹的横向错位确定为所述偏离值。附加地或替代地，在确定的步骤中，可以将用于使车辆转向到期望轨迹上的校正旋转角确定为所述偏离值。横向错位可以理解为在经过预确定的路径路段之后两个坐标系的原点之间尽可能小的最终距离，所述预确定的路径路段也称作预测距离。校正旋转角可以理解为车辆为了跟随期望轨迹必须转动的旋转角。通过所述偏离值能够以少的计算步骤唯一地确定所述偏离。

当在确定的步骤中在使用以下公式的情况下确定横向错位时是特别有利的：

附加地或替代地，可以在使用以下公式的情况下来确定所述校正旋转角：

在此：

Δy_pred代表横向错位，

Δy_act代表初始错位，

θ代表偏航角，

d_pred代表用于确定横向错位的预给定的路径路段，

κ_des代表期望轨迹的曲率，

代表期望轨迹的曲率变化，

κ_act代表实际轨迹的曲率，

代表实际轨迹的曲率变化，

Θ代表校正旋转角。

所述方法可以设置有在使用控制信号的情况下调节转向的步骤。在此，可以将偏离值调节到零。所述实施方式具有以下优点：为了调节转向可以使用相对更简单且相对更稳健的调节器、例如PID调节器。

在读取的步骤中可以读取以下轨迹作为期望轨迹：所述轨迹根据实施方式可以由车道的在使用回旋曲线的情况下近似的左侧车道边界或者在使用回旋曲线的情况下近似的右侧车道边界构成。例如可以通过由左侧车道边界的曲率和右侧车道边界的曲率的求算术平均来构成期望轨迹的曲率。由此，可以通过简单的方式来确定相应于车道的车道中心的期望轨迹。

此外，当在确定的步骤中在使用期望轨迹的情况下还确定预控制值时是有利的，其中在提供的步骤中还可以在使用所述预控制值的情况下提供控制信号。预控制值例如可以理解为预控制角、例如所谓的阿克曼角(Ackermann-Winkel)。由此，可以改善车辆的转向行为。

根据另一实施方式，在读取的步骤中还可以读取方向盘角。在求取的步骤中，可以在使用偏离值的情况下求取期望方向盘角，在提供的步骤中除方向盘角以外可以使用所述期望方向盘角以便提供控制信号。所述控制信号尤其可以代表转向力矩。期望方向盘角可以理解为车辆必须具有的、以便转向到期望轨迹上的方向盘角。方向盘角可以理解为车辆的真实的方向盘角。通过所述实施方式能够实现车辆的转向的可靠、简单且准确的控制。

如果在求取的步骤中还在使用预控制值的情况下求取期望方向盘角，则可以进一步改善车辆的转向行为。

在此所提出的方案还创造一种设备，所述设备构造用于在相应的装置中实施、控制或实现在此所提出的方法的一种变型方案的步骤。本发明所基于的任务也可以通过本发明的以设备形式的所述实施变型方案快速且有效地解决。

在此，设备可以理解为处理传感器信号并且据此输出控制信号和/或数据信号的电设备。所述设备可以具有可能按照硬件方式和/或按照软件方式构造的接口。当按照硬件方式构造时，所述接口例如可以是所谓的系统ASIC的一部分，其包含所述设备的不同功能。然而，所述接口也可能是单独的集成电路或者至少部分地由分立的组件组成。当按照软件方式构造时，所述接口可以是例如在微控制器上与其他软件模块并存的软件模块。

计算机程序产品也是有利的，其具有程序代码，其存储在机器可读的载体——例如半导体存储器、硬盘存储器或光学存储器上并且用于尤其当在计算机或设备上实施所述程序产品或程序时实施、实现和/或控制根据以上所述的实施方式中任一种所述的方法的步骤。

附图说明

以下将根据附图示例性地详细阐述在此所提出的方案。附图示出：

图1：具有根据本发明的一个实施例的设备的车辆的转弯行驶的示意图；

图2：根据本发明的一个实施例的车道保持系统的框图；以及

图3：根据本发明的一个实施例的方法的流程图。

在本发明的有利实施例的以下描述中，对于在不同附图中示出的并且相似作用的元件使用相同或相似的参考标记，不重复描述这些元件。

具体实施方式

图1示出具有根据本发明的一个实施例的设备102的车辆100的转弯行驶的示意图。车辆100位于弯曲的车道104上，所述车道例如通过左侧车道边界106和右侧车道边界108限界。通过虚线标记两个车道边界106、108之间的车道中心。根据所述实施例，车道中心相应于车辆100的期望轨迹110。车辆100沿着在期望轨迹110和右侧车道边界108之间延伸的实际轨迹112行驶。在图1中示例性示出车辆100在实际轨迹112上的第一位置和第二位置，其中第二位置代表车辆100的可以通过设备102预先确定的位置。

根据所述实施例，车辆100构造用于在使用回旋曲线或回旋曲线模型的情况下求取期望轨迹110并且将相应的回旋曲线参数传输到设备102。

设备102构造用于读取期望轨迹110以及与车辆100在车道104上的行驶相关的参数，在此示例性地确定车辆100的横向的初始错位Δy_act和偏航角θ并且在使用期望轨迹110和参数Δy_act、θ的情况下确定偏离值Δy_pred。

初始错位Δy_act代表横向错位，车辆100在实际轨迹112上的第一位置处相对于期望轨迹110具有所述横向错位。偏离值Δy_pred代表前瞻性横向错位，车辆100在经过预给定的路径路段d_pred(也称作预测距离)之后在实际轨迹112上的第二位置处具有所述前瞻性横向错位。根据所述实施例，初始错位Δy_act和偏离值Δy_pred分别代表车道固定的坐标系114(也称作车道边界坐标系)的位于期望轨迹110上的原点与车辆固定的坐标系116(也称作车辆坐标系)的代表车辆100的后轴的中点的原点之间尽可能小的间距。附加地，偏离值Δy_pred代表校正旋转角Θ。

通过校正旋转角Θ限定车辆100围绕车辆100的延伸经过后轴的中点的偏航轴线的旋转。围绕校正旋转角Θ的旋转代表航线校正，通过所述航线校正车辆100从实际轨迹112转向到期望轨迹110上。

偏航角θ相应于车道固定的坐标系114的x轴与车辆固定的坐标系116的x轴之间的角，其中车道固定的坐标系114的x轴指向期望轨迹110的方向，而车辆固定的坐标系116的x轴指向车辆100的行驶方向。在此，车道固定的坐标系114的原点相应于期望轨迹110上的与车辆固定的坐标系116的原点具有最小间距的点。

根据一个实施例，车辆100构造用于，为了控制其横向位置例如借助周围环境传感机构、如视频摄像机或激光扫描仪(Velo-Dyn)来检测其相对于车道104的当前位置和定向。借助周围环境传感机构能够实现求取两个车道边界106、108，所述车道边界例如涉及车道标记、路边石等等。此外，能够实现根据其它车辆来估计期望车道，例如在不能好地识别标记的拥塞情况中。

车道边界106、108例如借助回旋曲线模型来近似。在此，通常假设曲率的线性变化：

${\mathrm{\κ}}_1={\mathrm{\κ}}_0+\stackrel{\·}{\mathrm{\κ}}\·s$

其中，K₀代表初始曲率，K₁代表以间距s的曲率。

附加地，车辆100构造用于测量横向的初始错位Δy_act并且测量代表车辆100的当前定向的偏航角θ。通过求算术平均能够实现计算车道中心的回旋曲线参数，所述车道中心例如可以用作期望轨迹110。

为了估计车辆100的实际轨迹112，所述设备102可以根据实施方式构造用于处理作为输入信号的由车辆100的行驶动态调节装置提供的经偏置补偿的偏航率或由光学流(Fluss)计算出的偏航率。实际轨迹112的曲率可以根据以下公式计算：

其中，v_ego代表车辆的纵向速度。与期望轨迹110和车道边界106、108类似地，可以根据回旋曲线或回旋曲线模型来求取实际轨迹112。

根据一个实施例，所述设备102构造用于借助回旋曲线公式对于确定的预测距离d_pred在使用以下公式的情况下求取预测间距Δy_pred：

其中，

κ_des：期望轨迹110的曲率，

期望轨迹110的曲率变化，

κ_act：实际轨迹112的曲率，

实际轨迹112的曲率变化。

可以在使用以下公式的情况下通过设备102来确定校正旋转角Θ：

其中，路径路段d_pred等于纵向速度v_ego和预给定的例如1s的预测时间t_pred的乘积：

d_pred＝v_ego·t_pred

所述设备102原则上用于人的转向行为的模拟。人可以直观地估计道路走向和车辆的自身运动。在此，其尝试如此控制车辆，使得偏离值Δy_pred或Θ变为零，从而使得车辆沿着期望轨迹110、例如沿着车道中心行驶。所述行为通过设备102在以下范围中被模拟：在使用偏离值Δy_pred或Θ、更确切地说在使用基于偏离值Δy_pred或Θ的控制信号的情况下可以如此控制车辆100的转向，使得偏离值Δy_pred或Θ趋向于零，如以下详细描述的那样。

图2示出根据本发明的一个实施例的车道保持系统200的框图。车道保持系统200包括设备102以及车道检测装置202。车道检测装置202构造用于求取初始错位Δy_act、偏航角θ以及期望轨迹110的曲率κ_des和曲率变化并且将其作为输入信号输送到设备102的轨迹处理单元204。轨迹处理单元204构造用于，还接收实际轨迹的曲率κ_act和曲率变化以及纵向速度v_ego作为输入信号并且在使用所述输入信号的情况下根据实施方式而定确定横向错位Δy_pred或校正旋转角Θ。

根据所述实施例，所述设备102借助横向位置调节器206实现，所述横向位置调节器用于在使用偏离值Δy_pred、Θ的情况下确定期望方向盘角ω_des并且将其发送到所述设备102的转向调节器208。转向调节器208构造用于，除期望方向盘角ω_des以外接收车辆的真实的方向盘角ω_act并且在使用两个方向盘角的情况下生成用于控制车辆的转向的控制信号M_des。控制信号M_des例如代表转向力矩，所述转向力矩可以如此确定，使得方向盘角ω_act尽可能快速且准确地跟随期望方向盘角ω_des。转向调节器208例如可以实施为PID调节器。

所述设备102还包括一个可选择的预控制装置210，所述预控制装置构造用于从轨迹处理装置204接收期望轨迹的曲率κ_des并且在使用曲率κ_des的情况下产生例如在确定期望方向盘角ω_des时考虑的预控制值。

根据一个实施例，横向位置调节器206实现为PID调节器并且构造用于将Δy_pred或Θ调节到零。放大系数可以与曲率相关地选择。

可选择的预控制装置210例如用于计算所谓的阿克曼角，所述阿克曼角等于轴间距与曲率的乘积。替代地也可能的是，借助所谓的特征速度或者直接借助车辆的自身转向梯度来计算预控制角。然而，这在实践中不一定是必须的。

图3示出根据本发明的一个实施例的方法300的流程图。用于引导车道上的车辆的方法300例如可以由如其以上根据图1和2所描述的设备实施、控制或实现。在步骤302中，首先读取用于引导车辆的期望轨迹以及至少一个预车辆在车道上的行驶相关的参数。在此，期望轨迹代表在使用回旋曲线或回旋曲线模型的情况下求取的轨迹，所述轨迹例如相应于车道的车道中心或者在最广泛的意义上相应于车辆在行驶车道时应当跟随的理想线。在步骤302中，例如可以读取代表所述期望轨迹的曲率值或者由此推导出的值作为所述期望轨迹。在使用在步骤302中读取的输入信号的情况下，在步骤304中确定偏离值，所述偏离值代表车辆与期望轨迹的偏离。在另一步骤306中，在使用偏离值的情况下提供用于控制车辆的转向的控制信号。

根据一个实施例，在步骤302中读取车辆的纵向速度或偏航率作为参数，其中在步骤304中在使用所述参数的情况下首先确定车辆的实际轨迹，随后在使用所述实际轨迹的情况下确定偏离值。

仅仅示例性地选择所描述的以及在示图中示出的实施例。可以完全地或者在单个特征方面相互组合不同实施例。一个实施例也可以通过另一个实施例的特征来补充。

此外，可以重复实施以及以不同于所描述的顺序的顺序实施根据本发明的方法步骤。

如果实施例在第一特征和第二特征之间包括“和/或”关系，则这样理解：所述实施例根据一种实施方式不仅具有第一特征而且具有第二特征而根据另一种实施方式或者仅仅具有第一特征或者仅仅具有第二特征。

Claims (13)

1.一种用于引导车道(104)上的车辆(100)的方法(300)，所述方法(300)包括以下步骤：

读取(302)在使用回旋曲线的情况下求取的用于引导所述车辆(100)的期望轨迹(110)并且读取至少一个与所述车辆(100)在所述车道(104)上的行驶相关的参数(Δy_act，θ)；

在使用所述期望轨迹(110)和所述参数(Δy_act，θ，v_ego)的情况下确定(304)所述车辆(100)与所述期望轨迹(110)偏离的偏离值(Δy_pred，Θ)；以及

在使用所述偏离值(Δy_pred，Θ)的情况下提供(306)用于控制和/或调节所述车辆(100)的转向的控制信号(M_des)。

2.根据权利要求1所述的方法(300)，其特征在于，在所述读取的步骤(302)中，读取所述车辆(100)相对于所述期望轨迹(110)的横向初始错位(Δy_act)和/或所述车辆(100)的偏航角(θ)和/或所述车辆(100)的偏航率和/或所述车辆(100)的纵向速度(v_ego)作为所述参数。

3.根据权利要求2所述的方法(300)，其特征在于，在所述确定的步骤(304)中，在使用所述纵向速度(v_ego)和/或所述偏航率的情况下确定所述车辆(100)的实际轨迹(112)，其中，还在使用所述实际轨迹(112)和/或从所述实际轨迹(112)推导出的值的情况下确定所述偏离值(Δy_pred，Θ)。

4.根据以上权利要求中任一项所述的方法(300)，其特征在于，在所述确定的步骤(304)中，确定所述车辆(100)相对于所述期望轨迹(110)的横向错位(Δy_pred)和/或用于将所述车辆(100)转向到所述期望轨迹(110)上的校正旋转角(Θ)作为所述偏离值。

5.根据权利要求2至4所述的方法(300)，其特征在于，在所述确定的步骤(304)中，在使用以下公式的情况下确定所述横向错位(Δy_pred)：

${\mathrm{\Δy}}_{pred}={\mathrm{\Δy}}_{act}+tan\left(\mathrm{\θ}\right)\·d_{pred}+\frac{\left({\mathrm{\κ}}_{des}-{\mathrm{\κ}}_{act}\right)\·d_{pred}^2}{2}+\frac{\left({\stackrel{\·}{\mathrm{\κ}}}_{des}-{\stackrel{\·}{\mathrm{\κ}}}_{act}\right)\·d_{pred}^3}{6}$

和/或在使用以下公式的情况下确定校正旋转角(Θ)：

$\mathrm{\Θ}=\arctan \left(\frac{{\mathrm{\Δy}}_{pred}}{d_{pred}}\right)=\arctan \left(\frac{{\mathrm{\Δy}}_{act}}{d_{pred}}+\frac{\left({\mathrm{\κ}}_{des}-{\mathrm{\κ}}_{act}\right)\·d_{pred}}{2}+\frac{\left({\stackrel{\·}{\mathrm{\κ}}}_{des}-{\stackrel{\·}{\mathrm{\κ}}}_{act}\right)\·d_{pred}}{6}\right)+\mathrm{\θ}$

其中：

Δy_pred代表所述横向错位，

Δy_act代表所述初始错位，

θ代表所述偏航角，

d_pred代表用于确定所述横向错位的预给定的路径路段，

κ_des代表所述期望轨迹(110)的曲率，

代表所述期望轨迹(110)的曲率变化，

κ_act代表所述实际轨迹(112)的曲率，

代表所述实际轨迹(112)的曲率变化，

Θ代表所述校正旋转角。

6.根据以上权利要求中任一项所述的方法(300)，其特征在于，在使用所述控制信号(M_des)的情况下调节所述转向的步骤，其中，将所述偏离值(Δy_pred，Θ)调节到零。

7.根据以上权利要求中任一项所述的方法(300)，其特征在于，在所述读取的步骤(302)中，读取以下轨迹作为所述期望轨迹(110)：所述轨迹尤其通过求算术平均由所述车道(104)的在使用所述回旋曲线情况下近似的左侧车道边界(106)和/或在使用所述回旋曲线情况下近似的右侧车道边界(108)构成。

8.根据以上权利要求中任一项所述的方法(300)，其特征在于，在所述确定的步骤(304)中，在使用所述期望轨迹(110)的情况下还确定预控制值，其中，在所述提供的步骤(306)中还在使用所述预控制值的情况下提供所述控制信号(M_des)。

9.根据以上权利要求中任一项所述的方法(300)，其特征在于，在所述读取的步骤(302)中还读取方向盘角(ω_act)，其中，在所述求取的步骤中在使用所述偏离值(Δy_pred，Θ)的情况下求取期望方向盘角(ω_des)，其中，在所述提供的步骤(306)中在使用所述期望方向盘角(ω_des)和所述方向盘角(ω_act)的情况下提供所述控制信号(M_des)，尤其其中，所述控制信号(M_des)代表转向力矩。

10.根据权利要求8和9所述的方法(300)，其特征在于，在所述求取的步骤中，还在使用所述预控制值的情况下求取所述期望方向盘角(ω_des)。

11.一种设备(102)，其构造用于实施、实现和/或控制以上权利要求中任一项所述的方法(300)的所有步骤。

12.一种计算机程序，其设置用于实施以上权利要求中任一项所述的方法(300)的所有步骤。

13.一种机器可读的存储介质，其具有在其上存储的根据权利要求12所述的计算机程序。