CN108482370B - 一种商用车车道保持系统及其控制策略设计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种商用车车道保持系统。该商用车车道保持系统有道路信息获取装置、车辆行驶控制装置、执行器三部分。道路信息获取装置获取车道线信息，将获得的数据发送给控制装置，控制器进行数据处理，将车道保持的附加力矩叠加到执行器上，从而控制车辆实现车道保持功能。商用车的执行装置采用智能电液转向系统，该控制器在LKA模式下，控制转向系统提供一个复位操纵扭矩，以帮助引导驾驶员返回到车道中心线。

Description

一种商用车车道保持系统及其控制策略设计
技术领域
本发明涉及商用车的车道保持系统，具体涉及结合智能电液转向系统的车道保持系统的工作流程和控制策略。
背景技术
高级辅助驾驶系统(ADAS)在乘用车上的应用已经成为汽车行业的热点。与乘用车相比，商用车上无人驾驶的可行性和必要性更具优势。可行性方面：客车的行进线路相对固定，高精度地图可以一次投入反复利用，同样，固定的路线也能获得较好的安全性保障，比如城市BRT线路、旅游区环线、厂区接驳车、机场接驳车等；必要性方面：客车司机的疲劳驾驶情况往往要比乘用车严重得多，不少客车事故的祸因都是司机的疲劳驾驶或其他不当操作。因此，利用可靠的智能驾驶技术来规避危险也有助于提高客车驾驶的安全性。
本发明是针对商用车的车道保持系统具体实施方案，详细描述了包括信息采集、执行器控制、车辆转向的车道保持全过程。主要解决两类问题：第一类为避免由于驾驶员由于心理或是身体的原因导致驾驶车辆时注意力不集中从而导致的车道偏离引发交通事故，第二类则是为了减轻驾驶员的负担，驾驶员仅提供较小的力就可以轻松保持车辆行驶于道路中线区域。
发明内容
(一)通过摄像头检测道路两边喷涂过的路边标线，可以获得车辆的相关参数：车辆相对于车道线横向位置、汽车的航向角、车道线曲率等。利用获得的参数可以建立车道模型，计算出车辆的车道偏移量，根据偏离量生成车道保持辅助控制信号。
(二)摄像头获取的车道线信号以及车速、汽车航向角、转向灯开关信号、驾驶员手力等信号传递给LKAS控制器。当LKAS处于工作状态时，利用驾驶员预瞄模型计算预瞄点处车辆的偏离距离，若横向偏离距离满足x＜x0，则控制器控制转向系统产生修正力矩使车辆回到理想行驶轨迹；若横向偏离距离满足x0＜x＜x1，则LKAS系统发出预警，提醒驾驶员车辆偏离车道；若横向偏离距离满足x＞x1，此时驾驶员仍未采取措施修正车辆的车道偏离，则LKAS控制转向系统处于自动驾驶状态，主动控制车辆回到理想车道。(x1、x0为事先设定的阈值)
使车辆回到理想车道上的转向修正手段有方向盘角控制和方向盘力矩控制。方向盘角控制即为当车辆偏离车道时，直接改变方向盘转角，将车辆自动驶回期望路线，该方法可以直接有效地实现车辆车道保持，但是系统有时会违背驾驶员意图，驾驶员的驾驶感受较差。方向盘的力矩控制并非直接转动方向盘，而是通过在车辆偏离方向的反方向叠加一个力矩(施加在方向盘上的修正力矩)，使得驾驶员向偏离方向转动方向盘更加困难，向驶回车道方向转动方向盘更为省力，该方法的缺点是不如转角控制直接有效，但是却保留了驾驶员操作的最高优先级，实现良好的人机交互。为了能够保护驾驶员的驾驶安全，同时考虑到车道保持系统可以提供驾驶员友好的人机交互体验，本发明基于方向盘的力矩控制方法进行LKA的开发，即车道保持辅助系统在车辆即将偏离当前车道时，方向盘上施加轻微的转向力矩将偏离车道的车辆导正回原本的车道中，实现无驾驶员扭矩输入的道路保持功能。其修正力道相当轻微，不至于影响驾驶人的操作。
方向盘修正力矩获得过程：根据驾驶员预瞄模型获得预瞄点处车辆的横向偏差信息，结合车速、偏航角等信息计算出车辆跟踪目标车道的期望转向盘转角，与实际转向盘转角进行比较，计算出所需的修正力矩T’，控制转向助力电机的电压，从而使转向助力电机提供修正力矩。
力矩的大小与车辆偏离车道距离的大小及横向速度有关有关，相对车辆偏移量越大，横向速度越高，修正力矩越大，系统辅助驾驶员的强度增加。
(三)本发明的执行器为智能电液转向系统。一方面能够在驾驶员在环时能够体现转向系统优越的操纵性和稳定性，将电动助力转向系统的诸多优势应用到商用车转向系统，以实现商用车转向系统的电动化；另一方面能够为辅助驾驶和无人驾驶提供控制系统的执行器，并且能够控制电机以转角伺服的模式代替驾驶员控制整车的方向，满足车道保持、自动泊车、自动转向等辅助驾驶或自动驾驶工况，以实现商用车转向系统的智能化。在一般助力模式，液压部分提供绝大部分助力、电动部分提供的助力主要用于进一步减轻驾驶员手力，并做相位补偿、阻尼补偿和回正控制；在无人驾驶状态下，控制器控制电机以转角伺服的模式代替驾驶员控制整车的方向；在LKAS模式下，控制器控制转向系统提供一个复位操纵扭矩，以帮助引导驾驶员返回到车道中心线。
车辆偏离车道时，，转向系统给转向盘一个附加力矩，使得驾驶员偏离方向转动方向盘更加“吃力”，向驶回车道方向转动方向盘更为“省力”，因此驾驶员仅提供较小的力就可以轻松保持车辆行驶于道路中线区域；当车道偏离车道严重，时，若测得驾驶员作用在方向盘上的力小于阈值,则此时判断驾驶员未主动控制车辆，LKAS控制器控制转向电机以转角伺服的模式代替驾驶员控制整车的方向。
(四)车道保持系统的控制器可以和EPS控制器集成在一起，EPS控制器拿出部分资源处理摄像机的数据，以此来确定车道回正修正力矩的大小，EPS控制器仅仅接受叠加转矩的信号。如果整车进一步做ADAS的其他功能，可以将车道保持的功能实现转移到ADAS的整车控制器端。
附图说明
图1是本发明的信息传递路线
图2是车道保持控制流程图
图3是基于力矩叠加的LKAS系统控制策略
图4是智能电液转向系统原理图
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。
(1)图1描述了LKAS车道保持系统外围信息的传递情况,摄像头获取的参数(车道线信息、车辆的航向角)以及驾驶员操纵车辆的转向信号、车速信号通过CAN线传递到EPS控制单元上(在该情况下，车道保持系统控制器与EPS控制器集成在一起)，控制器根据获取的信息判断：①车辆由驾驶员控制转向(转向灯亮)，不需要激活LKAS系统，电机不需要提供叠加力矩；②转向灯不亮，车辆略微偏离目标车道(计算出的横向偏离小于阈值)，控制器控制电机产生叠加力矩，使驾驶员操纵车辆回到目标车道时，方向盘力较小，操纵车辆离开目标车道时，方向盘力矩较大，从而减轻驾驶员的负担，驾驶员仅提供较小的力就可以轻松保持车辆行驶于道路中线区域；③车辆偏离目标车道的偏离距离较大，控制器通过控制仪表盘上相应指示灯亮以及发出报警的方式提醒驾驶员，若警报时间超过时间阈值驾驶员还未采取修正措施，则LKAS控制器通过控制EPS电机，主动控制车辆回到目标车道线，避免由于驾驶员由于心理或是身体的原因导致驾驶车辆时注意力不集中从而导致的车道偏离引发交通事故。
利用获取的车辆和车道线信息，通过计算车道偏离距离，获得使车辆回到目标车道线的叠加力矩大小，该叠加力矩由电液耦合转向器的电机提供，基于该叠加力矩计算获得电机的控制电压，最终控制车辆发生转向。转向轮上安装转角传感器以及转矩传感器获取转向信息，输入LKAS控制单元形成控制闭环。
(2)图2描述了车道保持系统控制流程图。LKAS控制器通过驾驶员状态识别模块判断驾驶员是否在操作车辆：①驾驶员在操作车辆，则转向系统工作在正常转向助力模式，智能电液转向系统根据助力特性曲线与相应的控制策略，计算并跟踪目标助力转矩；②驾驶员并未操作车辆，根据获取的车道线信息以及车辆信息判断车辆是否偏离目标车道，车辆未偏离车道，则LKAS系统不实施辅助；车辆偏离车道，则LKAS控制器控制转向电机产生叠加力矩，该力矩使车辆回到目标车道。
(3)图3是智能电液转向系统原理图。智能电液系统由液压助力部分、电动助力部分、机械部分三部分组成，由于商用车的转向阻力较大，单独的电动助力不能提供足够的转向助力，因此需要液压助力部分提供大部分的助力。结合了电动助力部分，则转向系统还能实现相位补偿、阻尼补偿和回正控制，相较于只有液压助力转向的商用车，装备了智能电液转向的商用车转向性能更好。在本发明中，由于存在电动助力转向系统，因此还能利用电机提供一个复位操纵扭矩，以帮助引导驾驶员返回到车道中心线。车道保持功能的实现是基于该智能电液转向系统的电动助力部分。
(4)图4描述了基于力矩叠加的LKAS系统控制策略，在该控制策略下，控制器需要协调转向力矩以及车道保持力矩之间的关系。
在EPS力矩生成器中，EPS控制器根据方向盘转矩信号、车速信号、电机转速信号判断转向系统分别处于基本助力、摩擦补偿、惯性补偿、阻尼补偿工况，在不同的工况下，对应不同的助力大小和方向，使车辆转向实现“低速转向轻便，高速转向稳定”，提高车辆的操纵性和稳定性。
车道保持系统力矩生成器则是考虑车道信息以及车辆信息，在车辆发生车道偏离时，产生一定大小的力矩，使车辆回到目标车道，避免车辆发生车道偏离。该力矩也由电机产生。
转向力矩和车道保持力矩通过叠加最终得到对应电流作用在电机上，使电机最终产生一个叠加后的力矩作用在转向机构上。
(5)车道警示线。X0,x1,x2.,(驾驶员预瞄模型)，力矩叠加以后输出的电流的计算以及控制过程。

Claims (2)

1.一种适用于装配了智能电液耦合转向系统的商用车的车道保持系统，所述系统包括：
相机：其被配置成检测车辆所行驶道路的两侧车道线；
惯性测量单元：确定所述车辆的相对运动；
控制器：根据获取的道路信息和车辆信息控制车辆在目标车道上行驶；
执行器：智能电液耦合转向系统；
其中相机用于检测目标车道两侧的车道线，当相机无法识别车道线信息时，LKAS处于未激活状态；通过相机获取的车道线信息，可以获取车辆当前时刻偏移车道中心线的距离以及车道线的曲率或曲率半径；
所述惯性测量单元获取车辆信息，包括：车辆横摆角速度、车辆航向角、车辆加速度，结合驾驶员预瞄模型，可以获得当前时刻在预瞄点处车辆偏离车道中心线的距离；
相机获取的车道线信号以及车速、车辆航向角、转向灯开关信号、驾驶员手力信号传递给控制器；当LKAS处于工作状态时，利用驾驶员预瞄模型计算预瞄点处车辆的偏离距离，若横向偏离距离满足x＜x0，则控制器控制转向系统产生修正力矩使车辆回到目标中心线；若横向偏离距离满足x0＜x＜x1，则LKAS系统发出预警，提醒驾驶员车辆偏离车道；若横向偏离距离满足x＞x1，此时驾驶员仍未采取措施修正车辆的车道偏离，则LKAS控制转向系统处于自动驾驶状态，主动控制车辆回到目标车道；x1、x0为事先设定的阈值。
2.根据权利要求1所述的适用于装配了智能电液耦合转向系统的商用车的车道保持系统，利用获得的预瞄点处车辆偏离车道中心线的距离以及获得的偏移车道中心线的距离，可以获得使车辆不偏离车道中心线的控制器输入参量；
控制器根据车辆偏离车道情况，计算获得使车辆在预瞄点处回到目标中心线的修正力矩；考虑执行机构为智能电液转向系统，修正力矩由电机助力部分提供；由于电机助力部分同时还需要在车辆转向以及回正时提供基本助力、惯性补偿、阻尼补偿、摩擦补偿，则在控制器生成转向电机控制电流参数时，需要叠加车道保持力矩与EPS力矩，最终将叠加力矩作用于方向盘；
控制器可以与EPS控制器集成在一起，共同控制车辆的转向与车道保持。
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