CN108162959B - 车辆自动车道追随控制系统与方法 - Google Patents

车辆自动车道追随控制系统与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种车辆自动车道追随控制系统与方法，其包含一影像感测器、一转向角感测器、一惯性量测单元、一车速感测器、一电子装置与一控制器。该影像感测器产生一车道信息；该转向角感测器产生一转向角信息；该惯性量测单元产生一加速度信息、一偏航率信息与一倾斜角信息；该车速感测器产生一车速信息；该控制器分别电连接该影像感测器、该转向角感测器、该惯性量测单元、该电子装置与该车速感测器，且该控制器接收一数字地图信息、该车道信息、该转向角信息、该加速度信息、该偏航率信息、该倾斜角信息以及该车速信息，计算该方向盘的一补偿角信息。

Description

车辆自动车道追随控制系统与方法
技术领域
本发明涉及一种车辆自动车道追随控制系统与方法，特别涉及一种考量车辆的倾斜角与车道的坡度角的车辆自动车道追随控制系统与方法。
背景技术
在美国交通部的统计数据显示，车辆因偏离车道所造成的碰撞事故，约占所有碰撞事故的51％，而在另外一份美国州际高速公路与交通协会的报告指出，车辆偏离车道所造成的死亡率，占了所有交通事故死亡率的58％。可见，车辆偏离车道导致碰撞事故发生的机率很高，且是常容易导致死亡的交通事故。
因此，汽车厂商设计一种车道追随控制系统(Lane Following Control，LFC)，车道追随控制系统的中控系统经由感测系统获得相对于车辆的车道几何信息，通过控制转向系统使车辆维持行驶于车道中央线上，防止车辆偏离车道，进而避免交通事故的发生，更能减少驾驶者的负担。
现有的车道追随控制系统大多利用影像感测器检测车道线，当车辆在平坦的车道上行驶时，车道追随控制系统可以成功地控制该车辆的方向盘，让该车辆维持于两侧的二车道线之间行驶。
然而，当该车辆在行驶时产生倾斜角(Roll Angle)，或者当车道具有坡度角(BankAngle)时，该车道追随控制系统可能因为该车辆的该倾斜或该车道具有该坡度角而导致方向盘偏离控制，该车辆可能无法有效地维持在该二车道线之间行驶。
在中国专利CN101778753B中，公开了一种用于支持车辆的车道保持的操作方法和系统，其主要目的是防止车辆在行经弯道时偏移车道，通过预测该车辆的未来轨迹与所期望的车道位置进行比较，决定该车辆的转向。然而，该专利并没有考虑该车辆的倾斜角，其所使用的操作方法仍可能无法将该车辆维持在车道线之间。
因此，如图6所示，需要考虑一车辆60在行驶时碰到一倾斜角61或一车道具有一坡度角的状况，改善现有车道追随控制系统，让该车道追随控制系统在方向盘控制上，不会偏离过多，将该车辆60维持在二车道线之间行驶，降低驾驶因疲劳或偏离车道所造成的意外伤亡。
发明内容
本发明的目的在于提供一种车辆自动车道追随控制系统，该车辆自动车道追随控制系统参考车辆的倾斜角与车道的坡度角调整该车辆的方向盘的转向角，有效地将该车辆控制在车道线之间。
根据上述的目的，本发明提供一种车辆自动车道追随控制系统，包含：
一影像感测器，感测一车辆的一车道以产生一车道信息；
一转向角感测器，感测该车辆的一方向盘的一转向角以产生一转向角信息；
一惯性量测单元，感测该车辆的一加速度、一偏航率与一倾斜角以产生一加速度信息、一偏航率信息与一倾斜角信息；
一车速感测器，感测该车辆的车速以产生一车速信息；
一电子装置，接收一数字地图信息；
一控制器，分别电连接该影像感测器、该转向角感测器、该惯性量测单元、该车速感测器及该电子装置，且该控制器接收该数字地图信息、该车道信息、该转向角信息、该加速度信息、该偏航率信息、该倾斜角信息以及该车速信息，计算该方向盘的一补偿角信息。
在车辆自动车道追随控制系统中，该控制器包含：
一中央线计算单元，电连接该影像感测器，接收该车道信息，计算该车道的一中央线以输出一中央线信息；
一预测轨迹计算单元，分别电连接该转向角感测器与该惯性量测单元，接收该转向角信息、该加速度信息、该偏航率信息以及该数字地图信息，计算该车辆的一预测偏移轨迹信息；
一横向位移面积计算单元，电连接该中央线计算单元与该预测轨迹计算单元，接收该预测偏移轨迹信息与该中央线信息，计算一第一面积与一第二面积；
一转向角计算单元，电连接该惯性量测单元与该横向位移面积计算单元，接收该第一面积与该第二面积，并参考该车道的一坡度角信息与该车辆的一倾斜角，计算该方向盘的该补偿角信息。
在车辆自动车道追随控制系统中，该第一面积与该第二面积之间的差值为一偏移面积，根据该偏移面积，该转向角计算单元计算该方向盘的该补偿角信息。
在车辆自动车道追随控制系统中，该电子装置为一全球定位系统，该全球定位系统接收该数字地图信息，该控制器根据该数字地图信息获得该车道的该坡度角。
在车辆自动车道追随控制系统中，该偏移面积为该第一面积与该第二面积之间的差值，该第一面积与该第二面积的公式为：
其中d1为一第一点，该第一点为该车辆的一水平延伸线与该中央线的一交叉点，d2为一第二点，该第二点为该预测偏移轨迹信息的一轨迹与该中央线的交叉点，d3为一第三点，该第三点为前视点，d4为一第四点，该第四点为该第三点的该水平延伸线与该中央线的该交叉点，A为该第一面积，B为该第二面积，func2(s)为该中央线信息，func1(s)为该预测偏移轨迹信息。
本发明的另一目的在于提供一种车辆自动车道追随控制方法，通过该方法可计算该车辆的该方向盘的该补偿角信息，并根据该车辆的该倾斜角信息与该车道的该坡度角信息，控制该车辆在二车道线的中央线上。
根据上述的目的，本发明提供一种车辆自动车道追随控制方法，包含下列步骤：
通过一影像感测器感测一车辆的一车道的二车道线以产生一车道信息，并输出该车道信息至一中央线计算单元；
通过一中央线计算单元接收该车道信息以计算一中央线信息，并输出该中央线信息；
根据一车辆的偏航率信息、加速度信息、车速信息以及该车辆的一方向盘的一转向角，计算该车辆的预测偏移轨迹信息；
根据该车辆的该预测偏移轨迹信息与该中央线信息，计算该车辆的横向位移面积；
根据该横向位移面积以计算一偏移面积，进而计算该车辆的该方向盘的一补偿角信息；
参考该车道的一坡度角信息、该车辆的一倾斜角信息以及一对照表，修正该车辆的该方向盘的该补偿角信息。
在车辆自动车道追随控制方法中，在根据该横向位移面积以计算该偏移面积，进而计算该车辆的该方向盘的该补偿角信息的步骤中，计算在该中央线信息与该预测偏移轨迹信息之间的一第一面积与一第二面积，该偏移面积等于该第一面积与该第二面积之间的差值，该第一面积与该第二面积的公式为：
其中d1为一第一点，该第一点为该车辆的一水平延伸线与该中央线的一交叉点，d2为一第二点，该第二点为该预测偏移轨迹信息的一轨迹与该中央线的交叉点，d3为一第三点，该第三点为前视点，d4为一第四点，该第四点为该第三点的该水平延伸线与该中央线的该交叉点，A为该第一面积，B为该第二面积，func2(s)为该中央线信息，func1(s)为该预测偏移轨迹信息。
在车辆自动车道追随控制方法中，该车道的该坡度角信息是参考一数字地图信息而获得。
在车辆自动车道追随控制方法中，该对照表是根据该车道的该坡度角、该车辆的该倾斜角与该车速，并应用一线性回归方法计算统计而得。
本发明的有益效果是：进一步参考该车辆的倾斜角与该车道的坡度角，让该车辆自动车道追随控制系统在该方向盘控制上，不会偏离过多，可将该车辆维持在二车道线的中央线上行驶，降低驾驶因疲劳或偏离车道所造成的意外伤亡。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为本发明的车辆自动车道追随控制系统的系统方框图；
图2为车辆目测轨迹与预测轨迹的示意图；
图3为该车辆的横向位移面积的示意图；
图4为车辆的倾斜角或车道的坡度角与方向盘的转向角之间的关系曲线图；
图5为本发明的车辆自动车道追随控制方法的步骤流程图；
图6为车辆的倾斜角的示意图。
具体实施方式
以下配合图式及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。
请参阅图1，本发明的车辆自动车道追随控制系统10包含一影像感测器(ImageSensor)11、一控制器(Control Unit)12、一转向角感测器(Steering Angle Sensor)13、一惯性量测单元(Inertial Measurement Unit，IMU)14与一车速感测器(Vehicle SpeedSensor)15。该控制器12包含一中央线计算单元(Centerline Compute)121、一预测轨迹计算单元(Predicted Trajectory Compute)122、一横向位移面积计算单元(LateralDisplacement Area Compute)123与一转向角计算单元(Steering Angle Compute)124。
该影像感测器11电连接该控制器12，该控制器12分别电连接该转向角感测器13、该惯性量测单元14与该车速感测器15。进一步来说，该控制器12的该中央线计算单元121电连接该影像感测器11，该预测轨迹计算单元122电连接该转向角感测器13、该惯性量测单元14与该车速感测器15。该横向位移面积计算单元123电连接该中央线计算单元121与该预测轨迹计算单元122。该转向角计算单元124电连接该横向位移面积计算单元123与该惯性量测单元14。
该影像感测器11用于感测一车道的二车道线以产生一车道信息，并将该车道信息输出至该中央线计算单元121，该中央线计算单元121根据所接收的该车道信息计算一中央线以输出一中央线信息，该中央线位于该二车道线之间，且该中央线为该车辆所在的该二车道线之间的一中央假想线，该中央线信息输出至该横向位移面积计算单元123。本发明的车辆自动车道追随控制系统10根据该中央线信息判断该车辆向左偏移或向右偏移，再对该车辆的偏移调整。另外，该转向角感测器13感测该车辆的该方向盘的一转向角以产生一转向角信息，并将该转向角信息输出至该预测轨迹计算单元122。
该惯性量测单元14为用于测量车辆的一偏航率(Yaw rate)信息以及一加速度信息的装置，一般来说，一个该惯性量测单元14包含装有三轴的陀螺仪与三个方向的加速度计，可量测物体在三维空间中的一偏航角速度与一加速度，并以此算出该物体的姿态。在本发明中，该惯性量测单元14设置于该车辆上，可输出该车辆的该加速度信息与该偏航率信息至该预测轨迹计算单元122。另外，该惯性量测单元14更输出该车辆的一倾斜角信息至该转向角计算单元124，本发明的车辆自动车道追随控制系统10根据该车辆的该倾斜角信息修正该方向盘的该转向角。
该车速感测器15用于感测该车辆的车速，以输出一车速信息至该预测轨迹计算单元122。因此，根据该方向盘的该转向角信息以及该车辆的该加速度信息、该偏航率信息与该车速信息，该预测轨迹计算单元122可以计算出该车辆的一预测偏移轨迹信息，并将该预测偏移轨迹信息输出至该横向位移面积计算单元123。
该横向位移面积计算单元123根据所计算出的该中央线信息以及该预测偏移轨迹信息，计算该车辆的一横向位移面积，然后输出该横向位移面积至该转向角计算单元124。如何计算该横向位移面积会于下面段落中有进一步的说明。
该转向角计算单元124进一步连接一电子装置16，该电子装置16较佳为全球定位系统(Global Positioning System，GPS)，或者该电子装置16可以是一无线网卡，可无线连接至因特网下载一数字地图信息，在此并不局限。电子装置16可输出该数字地图信息至该转向角计算单元124，通过该数字地图信息，该转向角计算单元124可获得该车道的一坡度角(Bank angle)信息。另外，该转向角计算单元124接收一对照表(Lookup Table)，该对照表储存于该车辆自动车道追随控制系统10内部的一记忆体125中，该记忆体125可设置于该转向角计算单元124内或设置于该转向角计算单元124外，在此并不局限。该对照表储存该车速信息、该车道的该坡度角信息或该车辆的该倾斜角信息以及该方向盘的该转向角信息之间的关系列表。
该转向角计算单元124根据该横向位移面积，计算该车辆的该方向盘的一补偿角信息。另外，该转向角计算单元根据该方向盘的该转向角信息、该车道的该坡度角信息与该车速信息，并参考该对照表调整该车辆的该补偿角信息。根据该补偿角信息，该车辆自动车道追随控制系统10修正该方向盘的该转向角，以维持该车辆在该车道线之间。如何建立该对照表会于下面段落中有进一步的说明。
通过本发明的该车辆自动车道追随控制系统10，将该车辆的该倾斜角信息与该车道的该坡度角信息考虑在内，降低该车辆偏移计算的误差，因此可以有效地将该车辆控制在该二车道线之间。
实际上，请参阅图2，驾驶人目测该车辆20的偏移路径为轨迹21，而本发明的预测轨迹计算单元计算出的该车辆的预测偏移轨迹为轨迹22，由图2的该车辆的两个轨迹可以看出，目测的该车辆20的偏移路径的该轨迹21与该车辆20的预测偏移轨迹的该轨迹22之间存在误差，因此需要根据该车辆20的该预测偏移轨迹的该轨迹22，进行该车辆的行径方向的修正。
请参阅图3，一第一轨迹31为该二车道线的该中央线，而一第一函数(func1)为代表该第一轨迹的数学函数，一第二轨迹32为本发明的车道追随控制系统所计算出车辆30偏移的该预测偏移轨迹信息，一第二函数(func2)为代表该第二轨迹32的数学函数。第一点(d1)为该车辆30的车头的水平延伸线与该中央线的交叉点，该车头的水平延伸线系垂直于该中央线；第二点(d2)为该第二轨迹32与该中央线的交叉点；第三点(d3)为前视点，该车辆30的该车头与该第三点(d3)之间的距离为前视距离(Look ahead distance)，该前视距离为车速(Vcar)*时间(t)，该时间(t)为固定值，该车速越快，所需的该前视距离越长，在本发明的一实施例中，该时间为2。该第三点(d3)的水平延伸线与该第一轨迹31的交叉点为第四点(d4)，该第三点(d3)的水平延伸线是垂直于该中央线(x`)。
第一面积(A)为该第一轨迹31与该第二轨迹32在该第二点(d2)与该第四点(d4)之间所夹的面积；第二面积(B)为该第一轨迹31与该第二轨迹32在该第一点(d1)与该第二点(d2)之间所夹的面积，该第一面积(A)与该第二面积(B)的公式如下：
该第一面积(A)的公式为
该第二面积(B)的公式为
偏移面积为第二面积(B)减去第一面积(A)，若该偏移面积>0，表示该第二面积(B)大于该第一面积(A)，则该车辆的方向盘应该往右转，反之，若该偏移面积<0，表示该第一面积(A)大于该第二面积(B)，则该车辆30的该方向盘应该往左转。通过将上述的计算公式嵌入图1所示的该转向角计算单元124，该转向角计算单元124即可计算出该方向盘所需转向左方或右方以及该补偿角。
表1为该车辆的平均速度(Avg.Speed)、该车道的该倾斜角或该车道的该坡度角(Avg.Roll Angle/Bank Angle)与该方向盘的该转向角(Steering Wheel Angle，SWA)之间的该对照表(Look up table)：
表1
图4为该车辆的该倾斜角或该车道的该坡度角与该方向盘的该转向角的曲线图。根据表1与图4，二虚线分别为倾斜角与坡度角的曲线，二实线为针对倾斜角与坡度角所求出的线性回归曲线，应用一线性回归方法，可计算出该车辆的该倾斜角或该车道的该坡度角在几度时，该方向盘的转向角所需要的一补偿角信息为多少。在统计学中，线性回归(Linear regression)是利用线性回归方程式的最小平方函数对一个或多个自变量和因变量之间关系进行建立模型的一种回归分析。因此本发明的该车辆自动车道追随控制系统10将所计算的该方向盘的该补偿角信息，并参考该对照表与该线性回归方法所绘制的该曲线图，找出该车辆在该车速时需要微调的该补偿角信息为多少，进一步修正该补偿角信息，让该车辆可以持续保持在该二车道线之间。
请参阅图5，本发明的车辆自动车道追随控制方法包含下列步骤。在步骤S501中，通过一影像感测器感测路面上的二车道线，并将感测所产生的一车道信息输出至一中央线计算单元。为了让一车辆保持在该二车道线之间，需要先知道该二车道线的位置，本发明的该车辆自动车道追随控制系统则可以参考该二车道线，知道要控制一方向盘转左或转右。
在步骤S502中，通过该中央线计算单元接收该车道信息计算一中央线以产生一中央线信息。该车辆以该中央线为基准，判断该车辆目前是左偏移还是右偏移，并根据该中央线信息，进而计算该车辆的一横向位移面积，进而知道要控制该方向盘转左或转右。
在步骤S503中，获得该车辆的一偏航率信息、一加速度信息、一车速信息以及该车辆的方向盘的一转向角信息以计算该车辆的一预测偏移轨迹信息。通过一惯性量测单元可获得该车辆的该偏航率信息与该加速度信息，通过一车速感测器可获得该车辆的该车速信息，通过一转向角感测器可获得该方向盘的该转向角信息，因此可计算出该车辆的该预测偏移轨迹信息。
在步骤S504中，根据该车辆的该预测偏移轨迹信息与该中央线信息，通过一横向位移面积计算单元计算该车辆的该横向位移面积。通过该横向位移面积，判断该车辆是向左偏移还是向右偏移，并可进一步计算该车辆的该方向盘的一补偿角信息。
在步骤S505中，根据该横向位移面积以计算一偏移面积，进而获得该方向盘的该补偿角信息。计算该车辆在该中央线的左右两侧的该横向位移面积(一第一面积与一第二面积)，该偏移面积等于该第二面积减去该第一面积，若该偏移面积>0，该方向盘则控制该车辆往右转，反之，若该偏移面积<0，该方向盘控制该车辆往左转。该横向位移面积的计算公式如上所示，在此不再赘述。
在步骤S506中，根据在步骤S505所计算出的该方向盘的该补偿角信息，并参考一数字地图信息的该车道的一坡度角信息、该车辆的一倾斜角信息以及一对照表，修正该车辆的该方向盘的该补偿角信息。在步骤S505所计算出的该补偿角信息为假设该车辆无倾斜且该车道无该坡度角存在，在计算出该补偿角信息后，根据该车辆实际的该倾斜角以及该车道的该坡度角，参考该对照表，找出该车辆在该车速时需要微调的该补偿角信息为多少，进一步修正该补偿角信息，以维持该车辆在该二车道线的该中央线上行驶。
通过参考该车辆的该倾斜角与该车道的该坡度角，本发明的车辆自动车道追随控制系统与方法，可以当该车辆在偏移时，更准确地控制该车辆的该方向盘转左或转右。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种车辆自动车道追随控制系统，其特征在于，该车辆自动车道追随控制系统包含有：
一影像感测器，感测一车辆的一车道以产生一车道信息；
一转向角感测器，感测该车辆的一方向盘的一转向角以产生一转向角信息；
一惯性量测单元，感测该车辆的一加速度、一偏航率与一倾斜角以产生一加速度信息、一偏航率信息与一倾斜角信息；
一车速感测器，感测该车辆的车速以产生一车速信息；
一电子装置，接收一数字地图信息；
一控制器，分别电连接该影像感测器、该转向角感测器、该惯性量测单元、该车速感测器及该电子装置，且接收该数字地图信息、该车道信息、该转向角信息、该加速度信息、该偏航率信息、该倾斜角信息以及该车速信息，以计算该方向盘的一补偿角信息，其中，该控制器包含：
一中央线计算单元，电连接该影像感测器，接收该车道信息，计算该车道的一中央线以输出一中央线信息；
一预测轨迹计算单元，分别电连接该转向角感测器与该惯性量测单元，接收该转向角信息、该加速度信息、该偏航率信息以及该数字地图信息，计算该车辆的一预测偏移轨迹信息；
一横向位移面积计算单元，电连接该中央线计算单元与该预测轨迹计算单元，接收该预测偏移轨迹信息与该中央线信息，计算一第一面积与一第二面积；
一转向角计算单元，电连接该惯性量测单元与该横向位移面积计算单元，接收该第一面积与该第二面积，并参考该车道的一坡度角信息与该车辆的一倾斜角，计算该方向盘的该补偿角信息。
2.根据权利要求1所述的车辆自动车道追随控制系统，其特征在于，该第一面积与该第二面积之间的差值为一偏移面积，根据该偏移面积，该转向角计算单元计算该方向盘的该补偿角信息。
3.根据权利要求1所述的车辆自动车道追随控制系统，其特征在于，该电子装置为一全球定位系统，该全球定位系统接收该数字地图信息，该控制器根据该数字地图信息获得该车道的该坡度角。
4.根据权利要求2所述的车辆自动车道追随控制系统，其特征在于，该偏移面积为该第一面积与该第二面积之间的差值，该第一面积与该第二面积的公式为：
其中d1为一第一点，该第一点为该车辆的一水平延伸线与该中央线的一交叉点，d2为一第二点，该第二点为该预测偏移轨迹信息的一轨迹与该中央线的交叉点，d3为一第三点，该第三点为前视点，d4为一第四点，该第四点为该第三点的该水平延伸线与该中央线的该交叉点，A为该第一面积，B为该第二面积，func2(s)为该中央线信息，func1(s)为该预测偏移轨迹信息。
5.一种车辆自动车道追随控制方法，其特征在于，该辆自动车道追随控制方法包含：
通过一影像感测器感测一车辆的一车道的二车道线以产生一车道信息，并输出该车道信息至一中央线计算单元；
通过一中央线计算单元根据该车道信息以计算一中央线信息，并输出该中央线信息；
根据一车辆的一偏航率信息、一加速度信息、一车速信息以及该车辆的一方向盘的一转向角，计算该车辆的一预测偏移轨迹信息；
根据该车辆的该预测偏移轨迹信息与该中央线信息，计算该车辆的横向位移面积；
根据该横向位移面积以计算一偏移面积，进而计算该车辆的该方向盘的一补偿角信息；
参考该车道的一坡度角信息、该车辆的一倾斜角信息以及一对照表，修正该车辆的该方向盘的该补偿角信息。
6.根据权利要求5所述的车辆自动车道追随控制方法，其特征在于，在根据该横向位移面积以计算该偏移面积，进而计算该车辆的该方向盘的该补偿角信息的步骤中，计算在该中央线信息与该预测偏移轨迹信息之间的一第一面积与一第二面积，该偏移面积等于该第一面积与该第二面积之间的差值，该第一面积与该第二面积的公式为：
其中d1为一第一点，该第一点为该车辆的一水平延伸线与该中央线的一交叉点，d2为一第二点，该第二点为该预测偏移轨迹信息的一轨迹与该中央线的交叉点，d3为一第三点，该第三点为前视点，d4为一第四点，该第四点为该第三点的该水平延伸线与该中央线的该交叉点，A为该第一面积，B为该第二面积，func2(s)为该中央线信息，func1(s)为该预测偏移轨迹信息。
7.根据权利要求5所述的车辆自动车道追随控制方法，其特征在于，该车道的该坡度角信息是参考一数字地图信息而获得。
8.根据权利要求5所述的车辆自动车道追随控制方法，其特征在于，该对照表系根据该车道的该坡度角、该车辆的该倾斜角与该车速，并应用一线性回归方法计算统计而得。
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