CN107054459A - 用于机动车辆的车道保持方法和车道保持辅助系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于机动车辆的车道保持方法和车道保持辅助系统，所述方法包括：确定机动车辆相对于目标车道中心线的横向偏差和偏差角；利用横向偏差和偏差角计算参考轨迹，以使机动车辆遵循参考轨迹而回到目标车道中心线；利用参考轨迹的曲率和机动车辆的纵向速度确定参考偏航率；将机动车辆的实际偏航率与参考偏航率进行比较，以确定控制偏差。然后将转向输入施加到机动车辆的转向系统，以使控制偏差最小化。

Description

用于机动车辆的车道保持方法和车道保持辅助系统

本申请是申请日为2012年12月28日、申请号为201210585125.6、发明名称为“用于机动车辆的车道保持方法”的发明专利申请的分案申请。

本申请要求于2012年1月2日提交的DE 10 2012 200 009.7的外国优先权权益，该外国申请通过完全引用被包含于此。

技术领域

本发明涉及一种用于辅助机动车辆的驾驶员保持车道的方法及车道保持辅助系统。

背景技术

在驾驶机动车辆时的一个主要任务是设置转向角，以遵循期望驾驶路线，该期望驾驶路线(例如)可由道路上标识的车道确定。由于驾驶员注意力不集中导致的偏离当前车道是发生事故的常见原因。

因此，为了提高机动车辆的主动安全性，提出向注意力不集中的驾驶员通知偶然性车道偏离的装置。然而，可通过机动车辆中自动应对当前危险情况的装置来实现安全性的更大改善。为此一个条件是可对机动车辆的转向系统进行干预，从而影响或自动激发转向角和车辆反应。

DE 10 2004 047 861 A1公开了在检测到车道偏离且驾驶员没有动作时，检查驾驶员是否在执行其转向任务。可利用图像传感器检测车道偏离，该图像传感器通过对于车道边界的图案识别来检测车道线。如果检测到没有执行转向任务，则向驾驶员提供光、声或触觉的警报。可选地或者除了警报之外，可通过施加方向盘扭矩启动校正性的转向干预。

US 2008/0091318 A1公开了一种用于车道居中控制的系统，其中，沿着基于来自车道传感器的信息确定的目标车道产生引导。为此，基于车速、偏航率和转向角，处理器计算预测轨迹，控制单元产生控制信号，并触发前车轮转向致动器，以减小预测轨迹和目标车道之间的差。

上述现有技术没有提供沿着可预定轨迹的控制，以使机动车辆最优地回到车道中心。

根据DE 103 12 513 A1，利用位置检测装置来确定车辆相对于车道的位置，并在车道控制器中形成用于确定名义转向角的基准，从名义转向角确定名义转向力矩，该名义转向力矩与由驾驶员产生的转向力矩叠加。来自位置检测装置的信号、来自名义车道发射器的与相对于道路观察到的横向名义偏差相关的数据、来自车辆状态检测传感器的信号提供给车道控制器，在车道控制器中存储车道控制算法，并不再更加详细地描述。

已知的方案不会在相应的条件下一直使车辆产生最优行为。因此，例如，对于直前驾驶的反应和对于转弯的反应可能基本上不同。

发明内容

本发明的目的在于描述一种用于辅助机动车辆的驾驶员保持车道的方法及车道保持辅助系统，其中，避免了上述缺点，其中，尤其改善了机动车辆的驾驶行为和驾驶员支持。

在公开的一个实施例中，一种用于机动车辆的车道保持方法包括：确定机动车辆相对于目标车道中心线的横向偏差和偏差角；利用横向偏差和偏差角计算参考轨迹，以使机动车辆遵循参考轨迹而回到目标车道中心线；利用参考轨迹的曲率和机动车辆的纵向速度确定参考偏航率；将机动车辆的实际偏航率与参考偏航率进行比较，以确定控制偏差。然后将转向输入施加到机动车辆的转向系统，以使控制偏差最小化。

在公开的另一实施例中，计算参考轨迹，使得参考轨迹的瞬时曲率和参考轨迹的曲率变化率中的至少一个不超过相应的预定最大值。

在公开的另一实施例中，目标车道中心线具有曲率，基于目标车道中心线的曲率控制转向输入。

在公开的另一实施例中，仅仅在机动车辆进入(或将要进入)干预区域的情况下，才施加转向输入。干预区域的几何取决于以下参数中的至少一个：车道宽度、机动车辆的与车道相关的横向速度、纵向速度、目标车道中心线的曲率、机动车辆偏离目标车道中心线的方向。

在公开的另一实施例中，一种用于机动车辆的车道保持辅助系统包括：车道检测传感器，确定机动车辆相对于目标车道中心线的横向偏差和偏差角；速度传感器，产生指示机动车辆的纵向速度的信号；偏航率传感器，产生指示机动车辆的实际偏航率的信号；控制器，操作以进行下面的操作：(a)利用横向偏差和偏差角计算参考轨迹，以使机动车辆遵循参考轨迹而回到目标车道中心线；(b)利用参考轨迹的曲率和所述纵向速度确定参考偏航率；(c)将实际偏航率与参考偏航率进行比较，以确定控制偏差。控制器命令转向致动器，以将转向输入施加到机动车辆的转向系统，以使控制偏差最小化。

在公开的另一实施例中，一种用于机动车辆的车道保持方法包括：确定机动车辆相对于目标车道中心线的横向偏差和偏差角；利用横向偏差和偏差角计算参考轨迹，以使机动车辆遵循参考轨迹而回到目标车道中心线，且计算参考轨迹，使得参考轨迹的瞬时曲率和参考轨迹的曲率变化率中的至少一个不超过相应的预定最大值；利用参考轨迹的曲率和机动车辆的纵向速度确定参考偏航率；将机动车辆的实际偏航率与参考偏航率进行比较，以确定控制偏差；参照以下参数中的至少一个确定机动车辆相对于限定的干预区域的位置：车道宽度、机动车辆的与车道相关的横向速度、纵向速度、目标车道中心线的曲率、机动车辆偏离目标车道中心线的方向；在机动车辆位于干预区域内的情况下以及仅仅在机动车辆位于干预区域内的情况下，将转向输入施加到机动车辆的转向系统，以使控制偏差最小化。

在公开的另一实施例中，在计算参考轨迹时，机动车辆的横向偏差和偏差角彼此独立地加权，其中，各个加权独立于所述纵向速度。

在公开的另一实施例中，目标车道中心线具有曲率，基于目标车道中心线的曲率控制转向输入。

在公开的另一实施例中，转向输入与用于补偿转向摩擦的摩擦补偿力叠加。

在公开的另一实施例中，转向输入与用于抑制不是由机动车辆的驾驶员产生的快速转向干预的阻尼力叠加。

在公开的另一实施例中，预先计算用于使机动车辆回到目标车道中心线的全部参考轨迹中的有限部分轨迹。

在公开的另一实施例中，一种用于机动车辆的车道保持辅助系统包括：车道检测传感器，确定机动车辆相对于目标车道中心线的横向偏差和偏差角；速度传感器，产生指示机动车辆的纵向速度的信号；偏航率传感器，产生指示机动车辆的实际偏航率的信号；控制器，操作以进行下面的操作：(a)利用横向偏差和偏差角计算参考轨迹，以使机动车辆遵循参考轨迹而回到目标车道中心线；(b)利用参考轨迹的曲率和所述纵向速度确定参考偏航率；(c)将实际偏航率与参考偏航率进行比较，以确定控制偏差；转向致动器，受到控制器命令，以将转向输入施加到机动车辆的转向系统，以使控制偏差最小化。

控制器还操作以进行下面的操作：参照以下参数中的至少一个确定机动车辆相对于限定的干预区域的位置：车道宽度、机动车辆的与车道相关的横向速度、纵向速度、目标车道中心线的曲率、机动车辆偏离目标车道中心线的方向；在机动车辆位于干预区域内的情况下以及仅仅在机动车辆位于干预区域内的情况下，命令转向致动器施加转向输入。

附图说明

现在，下面参照附图以示例来解释本发明。这些附图示出了下面的内容：

图1是以俯视图表示的驾驶条件的示例；

图2是以俯视图表示的示例性干预区域；

图3是根据本发明的方法的简化流程图；

图4是用于实施该方法的系统的示意性框图。

具体实施方式

根据需要，在此公开本发明的具体实施例；然而，应该理解到，公开的实施例仅仅是可以以各种和可选形式实施的本发明的示例。附图未必按照比例绘制；可夸大或最小化一些特征，以示出具体部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能性细节不被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域的技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。

作为示例，如图1所示，在开始位置1象征性地标示的车辆A与目标车道中心线2隔开或偏离横向偏差d_y，机动车辆A的前进方向3以偏差角Ψ围绕目标车道中心线2。横向偏差d_y和偏差角Ψ由位置检测系统确定。为此，合适的车道检测方法和设备，具体地说，用于检测车道标识的光学方法已经在现有技术中已知。这里，例如，进行对应的图像处理的一个或多个面向前方的相机或者面向下方的传感器检测机动车辆所处的当前车道的标识并确定位置，尤其是机动车辆相对于标识的横向偏差和偏差角。

计算名义或参考轨迹4，以使机动车辆A回到目标车道中心线2，即，使机动车辆从开始位置1运动到目标位置5，在目标位置5，机动车辆遵循目标车道中心线2。参考轨迹4通常具有曲率(例如，在图1中看见的“S”形状)，以在特定距离之后补偿与目标车道中心线的偏差。利用横向偏差d_y和偏差角Ψ来计算参考轨迹4，并考虑驾驶动力学、安全和舒适性的要求。具体地说，参考轨迹被确定为允许以相对于安全和舒适性最优的方式快速地从可能的危险区域出来并到达目标车道中心线2。目标车道中心线2(例如)可以是通过车道标识检测器检测的车道的中心。

遵循参考轨迹4所需要的参考偏航率在沿着参考轨迹的每个点从在所述每个点处参考轨迹的曲率和机动车辆的实际纵向速度来确定。实际纵向速度可(例如)通过传感器(例如，速度计、加速度计/惯性测量单元或GPS)确定，或者可从机动车辆的信息系统(例如，车辆总线)获得，以用于其他系统。

在沿着参考轨迹4的每个点，确定或测量机动车辆A的实际偏航率。实际偏航率可通过传感器(例如，加速度计/惯性测量单元或GPS)检测，或者可从机动车辆的信息系统获得，如在车辆稳定性领域所公知的。

参考偏航率和实际偏航率之间的差用于控制电路，以使机动车辆A与参考轨迹4的偏差最小化，以在回到目标车道中心线2的过程中实现改善的驾驶行为。在控制电路中产生对应的控制偏差或确定控制偏差。

将转向输入引入到机动车辆A的转向系统中，以使控制偏差最小化。如在此使用的，转向输入被限定为被计算出来且以力或力矩来施加，这取决于转向系统和/或致动器的设计。因此，除了由驾驶员产生的任何转向输入起作用之外，被确定为使控制偏差最小化的转向输入起作用。公开的方法尤其适合于具有可控转向支撑件的机动车辆。

由于控制偏差由参考偏航率与实际偏航率的比较确定，然后最小化，因此，在许多驾驶条件下，尤其是在车辆的轮胎滑转相对于道路独立(尤其是由路面条件导致)时，可实现最优地回到期望的目标车道中心线。相比之下，通过对存在轮胎滑转的车辆的转向角进行自动控制，可能仅仅部分地导致期望的车辆反应，这是因为路面条件(μ)可能不恒定，对于一个驾驶条件，在轮胎和道路之间可产生不同的滑转角度，导致在机动车辆的实际轨迹和参考轨迹之间可能仍然存在未知的偏差。

本方法基于这样的知识：在许多驾驶条件下，即使车辆存在轮胎滑转，也可假设准静态的车辆行为，其中，在车辆的偏航率、参考轨迹曲率和车速之间存在固定的数学关系。因此，可从车辆的偏航率直接确定曲率半径。因此，根据公开的方法，从参考轨迹计算的参考偏航率与在车辆中测量的实际偏航率比较，并形成用于控制的基准。因此，准静态条件的假设允许控制电路获得关于回到目标车道中心线所需要的偏航率的结论。因此，车辆可以可靠地转向回到其车道，并定向为平行于现存的标识。

此外，由于引入了转向输入力和/或力矩，所以与将附加转向角与由驾驶员设置的转向角叠加相比，可能更加有效且更加安全地支持驾驶员。

具体地说，还可仅仅预先计算回到目标车道中心线所需要的全部参考轨迹中的有限部分轨迹。

图1示出了目标车道中心线2是直线，但是在更通常的情况下，目标车道中心线可以是曲线。在这种情况下，可确定目标车道中心线或道路的曲率，且可根据前方车道的曲率计算参考轨迹，以使机动车辆回到弯曲的目标轨迹车道。具体地说，检测的车道的曲率可与计算的参考轨迹叠加。这允许即使在期望车道弯曲的情况下，机动车辆也极准确、安全及舒适地回到期望车道。

在本方法的一个实施例中，确定的/已知的车道曲率可用于预先控制施加的转向输入力和/或力矩。具体地说，通过机动车辆当前实际纵向速度和确定的/已知的道路曲率，可计算对应的机动车辆横向加速度。由此，例如，对于机动车辆中给定的重量分布，可直接确定可转向的前轴上的横向力。如果假设相对小的车道曲率(大的曲率半径)，则可假设转向几何的线性转换，其中，根据将要引入的道路曲率进行预先控制所需要的齿条力和/或对应的转向力矩与曲率是线性地增加关系，且与车速是二次方地增加关系。然后，从实际偏航率和参考偏航率确定的使控制偏差最小化的转向力/力矩可与从曲率预先控制获得的转向力/力矩叠加。对于转向系统的干预，导致的总转向输入或对应地确定的总转向输入提供给转向系统，对于转向系统，可设置叠加接口。因此，除了由驾驶员产生的转向力/力矩起作用之外，所述总转向输入力/力矩起作用。因此，可实现使机动车辆极准确、安全及舒适地回到弯曲车道的目标车道中心线。

还可有利于：将从实际偏航率和参考偏航率确定的使控制偏差最小化的转向输入与用于补偿转向摩擦的摩擦补偿力和/或用于抑制不是由驾驶员导致的快速转向干预的阻尼力叠加。这样的附加转向摩擦或干预可能归因于(例如)描述的控制过程或其他影响。对应的总转向输入被引入到系统中，对由驾驶员产生的转向力/力矩附加地起作用。因此，相对于安全和舒适性，进一步提高转向干预的质量。

可计算参考轨迹4，使得参考轨迹的瞬时曲率(在任意单个点的曲率)不超过所述瞬时曲率的预定最大值，和/或当机动车辆沿着参考轨迹行使时由机动车辆经历的曲率的(随着时间和/或距离的)变化率不超过所述变化率的预定最大值。因此，可以以更大的安全性确保：在任何时候都可控制转向干预，且对驾驶舒适性基本上没有不利影响。

在计算参考轨迹时，可有利于机动车辆的横向偏差和偏差角彼此独立地被加权。加权可独立于机动车辆的纵向速度。因此，可实现在不同驾驶条件的宽范围内进一步提高安全和驾驶舒适性。

还可能的是，描述的自然连续转向干预可导致异常转向反馈。因此，仅仅当由于偏离车道而即将发生危险时，才可启用这些干预。具体地说，仅仅当机动车辆进入干预区域时，才可施加转向输入(从实际偏航率和参考偏航率确定以使控制偏差最小化，可施加的转向输入是上述总转向力的量)。为此，可限定车道内侧和/或外侧的标识以及一个或多个干预区域，在机动车辆进入干预区域时启用上述方法，和/或其中，仅仅在机动车辆进入干预区域时，才发生对转向的干预。

具体地说，干预区域的几何(布置方式和/或尺寸)可取决于当前车道的确定宽度、机动车辆的与车道相关的横向速度、机动车辆的纵向速度和/或目标车道中心线的曲率或车道的曲率半径。干预区域的几何(例如，干预区域与目标车道中心线或检测的车道边界的距离)还可取决于机动车辆偏离目标车道中心线的方向，使得沿着驾驶方向观察，与在车道右侧的干预区域相比，在车道左侧的干预区域可具有不同的尺寸和/或布置在与车道中心不同的距离。

根据图2，可限定左干预区域6和右干预区域7，左干预区域6和右干预区域7分别由机动车辆A所处的当前车道10的左标识8和右标识9确定，左标识8和右标识9(例如)可以是引导线或边界线。相对于标识8，干预区域6包括宽度为z_i1的内区域以及宽度为z_o1的外区域，相对于标识9，干预区域7包括宽度为z_i2的内区域以及宽度为z_o2的外区域。车道10的宽度为W_L，机动车辆A的宽度为W_V。

位置检测系统(未示出)可(例如)确定机动车辆A与车道10的中心的横向偏差，由此确定机动车辆A的中心轴11与标识8、9的左距离d_y1和右距离d_y2。当机动车辆A进入左干预区域6时，即，当满足下面的条件式时，

d_y1–W_V/2<z_i1

或者当机动车辆进入右干预区域7时，即，当满足下面的条件式时，

d_y2–W_V/2<z_i2

可(例如)发生对于在此描述的用于辅助车道保持的方法的启用。

此外，为了启用在此描述的用于辅助机动车辆A保持车道的方法，可利用机动车辆A相对于车道10或标识8、9的偏差角(未在图2中示出)。

图3以简化流程形式示出了车道保持的方法。车道检测系统操作(框100)，从车道检测系统获得的信息用于确定机动车辆相对于车道中心线的横向偏差d_y和偏差角Ψ(框110)。如果从由位置检测系统提供的数据得到需要进行干预的条件存在(框120中的“是”)，则计算参考轨迹，以使机动车辆回到目标轨迹车道(框130)，以及计算参考轨迹的当前曲率(框140)。

利用由车辆总线提供的实际车速，确定参考偏航率(框150)。利用由车辆总线提供的实际偏航率，确定参考偏航率和实际偏航率之间的差，该差在控制电路中用作控制偏差，以使与参考轨迹的偏差最小化(框160)。转向力被确定为使控制偏差最小化(框170)并施加到机动车辆的转向系统(框180)。

在通过传感器和控制电路的设计而预定的循环中，如果机动车辆还没有回到参考轨迹(框190中的“否”)，则所述方法返回框140，且再次确定参考轨迹的与机动车辆的当前位置对应的当前曲率，并重复方法的后续步骤。还可规定：在控制电路内再次确定横向偏差和偏差角，每次重新计算可应用的参考轨迹(未示出)。在机动车辆回到参考轨迹之后或者当横向偏差d_y和偏差角Ψ小于各自的最小值时(框190中的“是”)，方法结束，并再次执行车道检测、对于横向偏差d_y和偏差角Ψ的确定以及对于干预条件的监测。

现在参照图4，用于实施如上所述的车道保持辅助方法的车道保持辅助系统可包括车辆位置检测装置，以确定机动车辆相对于机动车辆所处的当前车道的横向偏差和偏差角。这样的位置检测装置可(例如)包括一个或多个车道传感器210，例如，进行对应的图像处理以检测车道标识的相机，和/或布置在车辆的车身底部上用于检测当前车道标识的指向下方的传感器装置。GPS导航装置220还可用于提供位置信息，如本领域公知的。

此外，车道保持辅助系统可包括传感器，以检测机动车辆的纵向速度(230)和实际偏航率(240)并产生与机动车辆的纵向速度(230)和实际偏航率(240)相关的输出。可(例如)在机动车辆的信息系统中(例如，在车辆总线中)获得这样的输出。车道保持辅助系统可额外包括或者反而还包括传感器装置，以确定机动车辆的纵向速度和实际偏航率。

此外，车道保持辅助系统可包括控制器或处理器装置250，该控制器或处理器装置250操作以进行下面的操作：计算参考轨迹，以使机动车辆回到车道的目标车道中心线；从参考轨迹的曲率和机动车辆的实际纵向速度确定参考偏航率；通过参考偏航率和实际偏航率的比较产生控制偏差；确定转向力以使控制偏差最小化；控制致动器260或其他装置将转向力引入机动车辆的转向系统中。车道保持辅助系统还可被设计成与可控转向支撑装置的致动器协作。

虽然在上面描述了示例性实施例，但是并不意味着这些实施例描述了本发明的所有可能的形式。相反，在说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，且理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行各种改变。另外，实施的各个实施例的特征可结合，以形成本发明的进一步的实施例。

Claims (8)

1.一种用于机动车辆的车道保持方法，包括：

确定机动车辆相对于目标车道中心线的横向偏差和偏差角；

利用横向偏差和偏差角计算参考轨迹，以使机动车辆遵循参考轨迹而回到目标车道中心线，并且参考轨迹被计算为使得参考轨迹的瞬时曲率和参考轨迹的曲率变化率中的至少一个不超过相应的预定最大值；

利用参考轨迹的曲率和机动车辆的纵向速度确定参考偏航率；

将机动车辆的实际偏航率与参考偏航率进行比较，以确定控制偏差；

参照以下参数中的至少一个确定机动车辆相对于限定的干预区域的位置：车道宽度、机动车辆的与车道相关的横向速度、纵向速度、目标车道中心线的曲率、机动车辆偏离目标车道中心线的方向；

在机动车辆位于干预区域内的情况下以及仅仅在机动车辆位于干预区域内的情况下，将转向输入施加到机动车辆的转向系统，以使控制偏差最小化。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在计算参考轨迹时，机动车辆的横向偏差和偏差角被彼此独立地加权，其中，各个加权独立于所述纵向速度。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，目标车道中心线具有曲率，基于目标车道中心线的曲率控制转向输入。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，转向输入与用于补偿转向摩擦的摩擦补偿力叠加。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，转向输入与用于抑制不是由机动车辆的驾驶员产生的快速转向干预的阻尼力叠加。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，预先计算用于使机动车辆回到目标车道中心线的全部参考轨迹中的有限部分轨迹。

7.一种用于机动车辆的车道保持辅助系统，包括：

车道检测传感器，确定机动车辆相对于目标车道中心线的横向偏差和偏差角；

速度传感器，产生指示机动车辆的纵向速度的信号；

偏航率传感器，产生指示机动车辆的实际偏航率的信号；

控制器，执行下面的操作：(a)利用横向偏差和偏差角计算参考轨迹，以使机动车辆遵循参考轨迹而回到目标车道中心线；(b)利用参考轨迹的曲率和所述纵向速度确定参考偏航率；(c)将实际偏航率与参考偏航率进行比较，以确定控制偏差；

转向致动器，受到控制器命令，以将转向输入施加到机动车辆的转向系统，使得控制偏差最小化。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，控制器执行下面的操作：

参照以下参数中的至少一个确定机动车辆相对于限定的干预区域的位置：车道宽度、机动车辆的与车道相关的横向速度、纵向速度、目标车道中心线的曲率、机动车辆偏离目标车道中心线的方向；

在机动车辆位于干预区域内的情况下以及仅仅在机动车辆位于干预区域内的情况下，命令转向致动器施加转向输入。