CN109177974A - 一种智能汽车的人机共驾型车道保持辅助方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能汽车的人机共驾型车道保持辅助方法，属于智能汽车的驾驶辅助技术领域。本发明适用于具有线控转向或主动转向装置的智能车辆平台，将驾驶员的方向盘转角输入和控制器的期望转向输入以线性加权的形式进行融合，实现了一种人机共驾模式的车道保持辅助功能。该发明中，控制器的期望转向输入通过对参考轨迹的跟踪控制算法计算得到。考虑到驾驶员在动态交通环境中的期望轨迹存在时变特性，该发明中的系统参考轨迹可在满足安全约束的条件下，根据驾驶员的方向盘操作进行实时调节，有效提升了车道保持辅助系统的舒适性和安全性。

Description

一种智能汽车的人机共驾型车道保持辅助方法

技术领域

本发明是一种智能汽车的人机共驾型车道保持辅助方法，属于智能汽车驾驶辅助系统技术领域。

背景技术

随着中国汽车保有量的逐年增加，日趋密集的道路交通不断加重着驾驶员的操作及认知负荷。长时间的高负荷驾驶持续占用驾驶员的认知生理资源，进而导致精神疲劳并引起驾驶能力下降，易酿成严重交通事故。统计数据表明，在各类交通安全事故中，人为因素导致的事故占比高达90％，其中源于驾驶员操作过失的事故占70％—80％。智能汽车是指搭载先进传感部件、计算单元以及控制执行装置的新一代汽车类型，旨在通过车载智能系统对驾驶员的感知、决策和操作等各级职能进行辅助或取代，从而实现降低驾驶员工作负荷和提升行车安全的双重目的。

车道保持辅助系统是智能汽车的重要功能组成部分，主要用于对驾驶员在长时间车道保持任务中的方向盘操作进行干预和协助。传统的车道保持辅助系统可在车辆无意识偏离车道时对方向盘施加临时干预力矩以警示驾驶员或将车辆推回至车道内，但由于其仅具备临时干预警示功能而不能起到分担驾驶员方向盘操作的作用。以特斯拉AutoPilot系统和通用凯迪拉克Super Cruise系统为代表的主动式车道保持辅助系统可直接控制方向盘使车辆沿车道内自动驾驶，旨在完全解放驾驶员的方向盘操作。然而，在主动式车道保持辅助作用下驾驶员可能因长时间脱离方向盘控制而出现注意力下降和分心等现象，进而可能导致紧急情况下驾驶员无法及时接管而引起安全事故。截止目前，特斯拉AutoPilot系统已至少造成四起死亡事故，足以说明当前的主动式车道保持辅助技术尚未完全成熟。

“人机共驾”指驾驶员和智能辅助系统分享智能车辆的控制权并协同完成驾驶任务，可实现智能系统对驾驶员驾驶操作任务的持续控制辅助。具体到车道保持辅助层面，人机共驾型车道保持辅助技术指系统在驾驶员进行车道保持任务的同时，对其方向盘操作进行持续的修正与补偿，以达到减轻驾驶员工作负荷并同时提升车辆车道保持性能的目的。与传统的干预警示型车道保持辅助系统相比，人机共驾型车道保持辅助可持续分担驾驶员的方向盘操作，因此可进一步减轻驾驶员的操作及认知负荷；与完全接管方向盘控制的主动式车道保持辅助系统相比，人机共驾型车道保持辅助可有效避免驾驶员长期脱离控制所造成的安全隐患，面临相对更小的安全风险与技术瓶颈。人机共驾型车道保持辅助依赖于人机之间的长期控制交互与协同，若设计不当将引起驾驶员的主观不适甚至反感，因此需格外关注驾驶员的操控舒适性问题。研究表明，人机共驾车道保持辅助过程中人机目标轨迹不一致是造成驾驶员不适的主要原因。另有研究表明，驾驶员在高速过弯时的期望参考轨迹存在内侧偏移现象；同时，当道路两侧存在动/静态障碍时驾驶员的期望轨迹也会临时偏离车道中心。因此，人机共驾型车道保持辅助系统的参考轨迹应能在满足安全约束的基础上符合驾驶员操作习惯并响应驾驶员的动态需求，从而在保障系统安全性的前提下提升其操控舒适性。

发明内容

本发明的目的是提出一种智能汽车的人机共驾型车道保持辅助方法，将驾驶员的方向盘转角输入和系统的期望转向输入以线性加权的形式进行融合，实现人机共驾模式的车道保持辅助功能。

本发明提出的智能汽车的人机共驾型车道保持辅助方法，包括以下步骤：

(1)求解智能汽车的实际方向盘转角输入u_k：

A：当智能汽车的转向系统为线控转向系统时：

利用下式计算智能汽车的实际方向盘转角输入u_k：

u_k＝2_Du_D，k+λ_Au_A，k，λ_A，λ_D≥0且λ_A·λ_D≠0

其中，u_k是k时刻智能汽车的实际方向盘转角输入，由智能汽车控制器驱动线控转向系统的底层伺服转向机构产生，u_D，k是k时刻驾驶员的方向盘转角输入，由智能汽车控制器通过方向盘转角传感器进行实时观测得到；u_A，k是k时刻智能汽车控制器根据智能汽车的状态和参考轨迹，利用特定轨迹跟踪方法计算得到的期望方向盘转角输入，λ_D和λ_A分别为驾驶员和控制器的控制权重，要求非负且不同时为0，λ_D和λ_A由人为进行设置，不同的λ_D和λ_A对应不同程度的车道保持辅助功能；

B：当智能汽车的转向系统为主动转向系统时：

利用下式计算智能汽车的实际方向盘转角输入u_k：

其中，为k时刻智能汽车控制器利用主动转向系统在驾驶员方向盘转角上叠加的方向盘转角补偿量，u_D，k-1为k-1时刻智能汽车控制器所观测的驾驶员方向盘转角，由智能汽车控制器通过方向盘转角传感器进行实时观测得到；其余符号定义与上述步骤(1)的A部分相同；

(2)将智能汽车控制器的参考轨迹定义为一系列空间路径点，根据空间路径点相对于车道中心线的横向位移表示智能汽车车道保持参考轨迹，具体过程如下：

(2-1)在智能汽车当前行驶车道的中心线上选取离车辆质心C最近的一个点，作为基准参考点O；

(2-2)从基准参考点出发，沿车道中心线以车辆速度U与控制采样时间T的乘积为距离等间距采样第1个参考点O₁、第2个参考点O₂……第N个参考点O_N，如图1所示。将车道中心线在第i个参考点O_i处的曲率记为ρ_k+i|k，设定车道向左弯时曲率为正，车道向右弯时曲率为负，1≤i≤N，N为规划智能汽车控制器参考轨迹时的预瞄长度，由人为设置；

(2-3)对于车道中心线上的第i个参考点O_i，取垂直于车道中心线在该参考点的切线方向且离参考点横向距离为Δy_k+i|k的轨迹点P_i，作为智能汽车控制器的第i个车道保持参考轨迹点，智能汽车控制器的参考轨迹由一系列相对于车道中心线的横向位移Δy_k+i|k表示；

(2-4)利用下式表达智能汽车控制器的车道保持参考轨迹：

R_k＝[α_ρ，kρ_k+1|k+e_y0，k，α_ρ，kρ_k+2|k+e_y0，k，…，α_ρ，kρ_k+N|k+e_y0，k]

其中，R_k为一个N维向量，向量中的第i个元素表示第i个参考轨迹点P_i距离车道中心线的横向位移Δy_k+i|k，ρ_k+i|k为k时刻第i个参考点O_i所对应的车道中心线曲率，α_ρ，k为待定参数，表示k时刻的参考轨迹比例系数，e_y0，k为待定参数，表示k时刻的参考轨迹平移系数；

(3)实时求解上述步骤(2)中的车道保持参考轨迹表达式中的待定参数α_ρ，k和e_y0，k并调节智能汽车控制器的车道保持参考轨迹：

(3-1)初始化时，设k＝0，记α_ρ，k和e_y0，k的初始值分别为α_ρ，0和e_y0，0，并设定比例系数α_ρ实时调节的上下界为和 设上述待定参数α_ρ的参数调节学习率设上述待定参数e_y0的参数调节学习率初始化完毕后，设k＝1并进入步骤(3-2)；

(3-2)设定一个驾驶员方向盘转角输入阈值u_crit，对当前驾驶员的方向盘转角输入进行判断，若当前驾驶员的方向盘转角输入大于阈值u_crit，则进行步骤(3-3)，若若当前驾驶员的方向盘转角输入小于或等于阈值u_crit，则令参考轨迹待定参数α_ρ，k和e_y0，k保持不变，并利用步骤(2-4)中的公式计算智能汽车控制器的车道保持参考轨迹，使k＝k+1，在下一控制周期重复本步骤；

(3-3)利用下式计算参考轨迹平移系数e_y0实时调节的上界和下界

其中，和分别为车辆质心在当前车道可行驶区域的最大横向位移和最小横向位移，根据车道线和障碍物位置信息确定，为当前行驶车道的平均曲率，取ρ_k+1|k，…，ρ_k+N|k的平均值；

(3-4)利用下式计算并更新参考轨迹比例系数α_ρ：

其中，u_D，k为k时刻驾驶员的方向盘转角输入，为当前行驶车道的平均曲率，是比例系数α_ρ的参数调节学习率，和分别为比例系数α_ρ实时调节的上下界；

利用下式计算并更新参考轨迹平移系数e_y0：

其中，是平移系数e_y0的参数调节学习率，和分别是平移系数e_y0实时调节的上下界；

利用步骤(2-4)中的公式计算智能汽车控制器的车道保持参考轨迹，设k＝k+1并在下一控制周期返回步骤(3-2)，实现智能汽车的人机共驾型车道保持辅助。

本发明提出的智能汽车的人机共驾型车道保持辅助方法，其优点是：

1、本发明方法适用于具有变转向比功能的线控转向系统或主动转向系统，可减轻车道保持辅助过程中的人机冲突，并提升车道保持性能。

2、本发明方法可通过改变人机控制权重值，方便地调节车道保持辅助程度，有利于工程调试和实际应用。

3、本发明方法可根据驾驶员方向盘操作，实时调节控制器的参考轨迹，使得车道保持辅助作用更加符合驾驶员的操作习惯和实时需求，提升了舒适性。

4、本发明方法中的控制器参考轨迹，其调节范围考虑了环境和障碍物约束，保障了安全性。

附图说明

图1是智能汽车控制器车道保持参考轨迹的示意图。

图2智能汽车控制器车道保持参考轨迹实时调节的流程框图。

具体实施方式

本发明提出的智能汽车的人机共驾型车道保持辅助方法，包括以下步骤：

(1)求解智能汽车的实际方向盘转角输入u_k：

A：当智能汽车的转向系统为线控转向系统时：

利用下式计算智能汽车的实际方向盘转角输入u_k：

u_k＝λ_Du_D，k+λ_Au_A，k，λ_A，λ_D≥0且λ_A·λ_D≠0

其中，u_k是k时刻智能汽车的实际方向盘转角输入，由智能汽车控制器驱动线控转向系统的底层伺服转向机构产生，u_D，k是k时刻驾驶员的方向盘转角输入，由智能汽车控制器通过方向盘转角传感器进行实时观测得到；u_A，k是k时刻智能汽车控制器根据智能汽车的状态和参考轨迹，利用特定轨迹跟踪方法(该方法为已有技术，可以是基于比例-积分-微分(PID)、模型预测控制(MPC)或线性二次型调节器(LQR)的轨迹跟踪方法)计算得到的期望方向盘转角输入，λ_D和λ_A分别为驾驶员和控制器的控制权重，要求非负且不同时为0，λ_D和λ_A由人为进行设置，不同的λ_D和λ_A对应不同程度的车道保持辅助功能；

一种控制权重的设置方法是将驾驶员和控制器的控制权重之和设计为1，此时，设置λ_D＝λ，λ_A＝1-λ，其中0≤λ≤1，则智能汽车的实际方向盘转角输入u_k表达为：

u_k＝λu_D，k+(1-λ)u_A，k，0≤λ≤1

其中，λ为驾驶员的控制权重，智能汽车控制器的控制权重为1-λ，在本发明的一个实施例中，取λ＝0.7，表示一种弱辅助车道保持辅助模式，此时控制器系统以较小的控制权重轻微补偿驾驶员的方向盘操作；取λ＝0.3表示一种强辅助车道保持辅助模式，此时系统以较大的控制权重分担驾驶员的方向盘操作。

B：当智能汽车的转向系统为主动转向系统时：

利用下式计算智能汽车的实际方向盘转角输入u_k：

其中，为k时刻智能汽车控制器利用主动转向系统在驾驶员方向盘转角上叠加的方向盘转角补偿量，u_D，k-1为k-1时刻智能汽车控制器所观测的驾驶员方向盘转角，由智能汽车控制器通过方向盘转角传感器进行实时观测得到；其余符号定义与上述步骤(1)的A部分相同；

一种控制权重设置方法是将驾驶员和控制器的控制权重之和设计为1，此时，设置λ_D＝λ，λ_A＝1-λ，其中0≤λ≤1，则智能汽车的实际方向盘转角输入u_k表达为：

其中，λ为驾驶员的控制权重，智能汽车控制器的控制权重为1-λ，在本发明的一个实施例中，取λ＝0.7表示一种弱辅助车道保持辅助模式，此时控制器系统以较小的控制权重轻微补偿驾驶员的方向盘操作；取λ＝0.3表示一种强辅助车道保持辅助模式，此时系统以较大的控制权重分担驾驶员的方向盘操作。

(2)将智能汽车控制器的参考轨迹定义为一系列空间路径点，根据空间路径点相对于车道中心线的横向位移表示智能汽车车道保持参考轨迹，具体过程如下：

(2-1)在智能汽车当前行驶车道的中心线上选取离车辆质心C最近的一个点，作为基准参考点O，如图1所示；

(2-2)从基准参考点出发，沿车道中心线以车辆速度U与控制采样时间T的乘积为距离等间距采样第1个参考点O₁、第2个参考点O₂……第N个参考点O_N，如图1所示。将车道中心线在第i个参考点O_i处的曲率记为ρ_k+i|k，设定车道向左弯时曲率为正，车道向右弯时曲率为负，1≤i≤N，N为规划智能汽车控制器参考轨迹时的预瞄长度，由人为设置；

(2-3)对于车道中心线上的第i个参考点O_i，取垂直于车道中心线在该参考点的切线方向且离参考点横向距离为Δy_k+i|k的轨迹点P_i，作为智能汽车控制器的第i个车道保持参考轨迹点，如图1所示。因此，智能汽车控制器的参考轨迹由一系列相对于车道中心线的横向位移Δy_k+i|k表示；本实施例中，取预测时域N＝100。此时，假如控制器的控制采样时间为0.02s，当前车速为30m/s，则参考轨迹的长度约为30×0.02×100＝60m；

(2-4)利用下式表达智能汽车控制器的车道保持参考轨迹：

R_k＝[α_ρ，kρ_k+1|k+e_y0，k，α_ρ，kρ_k+2|k+e_y0，k，…，α_ρ，kρ_k+N|k+e_y0，k]

其中，R_k为一个N维向量，向量中的第i个元素表示第i个参考轨迹点P_i距离车道中心线的横向位移Δy_k+i|k，ρ_k+i|k为k时刻第i个参考点O_i所对应的车道中心线曲率，α_ρ，k为待定参数，表示k时刻的参考轨迹比例系数，e_y0，k为待定参数，表示k时刻的参考轨迹平移系数。一旦参考轨迹参数α_ρ，k和e_y0，k确定，在能获取车辆前方道路中心线曲率的前提下，智能汽车控制器的车道保持参考轨迹可随之确定；

(3)实时求解上述步骤(2)中的车道保持参考轨迹表达式中的待定参数α_ρ，k和e_y0，k并调节智能汽车控制器的车道保持参考轨迹：

(3-1)初始化时，设k＝0，记α_ρ，k和e_y0，k的初始值分别为α_ρ，0和e_y0，0，并设定比例系数α_ρ实时调节的上下界为和 设上述待定参数α_ρ的参数调节学习率设上述待定参数e_y0的参数调节学习率初始化完毕后，设k＝1并进入步骤(3-2)；在本发明的一个实施例中，初始化时取α_ρ，0＝100m²、e_y0，0＝0m、

(3-2)设定一个驾驶员方向盘转角输入阈值u_crit，对当前驾驶员的方向盘转角输入进行判断，若当前驾驶员的方向盘转角输入大于阈值u_crit，则进行步骤(3-3)，若当前驾驶员的方向盘转角输入小于或等于阈值u_crit，则令参考轨迹待定参数α_ρ，k和e_y0，k保持不变，并利用步骤(2-4)中的公式计算智能汽车控制器的车道保持参考轨迹，使k＝k+1，在下一控制周期重复本步骤；在本发明的一个实施例中，取u_crit＝2°。

(3-3)利用下式计算参考轨迹平移系数e_y0实时调节的上界和下界

其中，和分别为车辆质心在当前车道可行驶区域的最大横向位移和最小横向位移，根据车道线和障碍物位置信息确定，为当前行驶车道的平均曲率，取ρ_k+1|k，…，ρ_k+N|k的平均值；

(3-4)利用下式计算并更新参考轨迹比例系数α_ρ：

其中，u_D，k为k时刻驾驶员的方向盘转角输入，为当前行驶车道的平均曲率，是比例系数α_ρ的参数调节学习率，和分别为比例系数α_ρ实时调节的上下界；

利用下式计算并更新参考轨迹平移系数e_y0：

其中，是平移系数e_y0的参数调节学习率，和分别是平移系数e_y0实时调节的上下界；

利用步骤(2-4)中的公式计算智能汽车控制器的车道保持参考轨迹，设k＝k+1并在下一控制周期返回步骤(3-2)，实现智能汽车的人机共驾型车道保持辅助。

上述步骤(3)的整体流程框图如图2所示。

Claims (1)

1.一种智能汽车的人机共驾型车道保持辅助方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)求解智能汽车的实际方向盘转角输入u_k：

A：当智能汽车的转向系统为线控转向系统时：

利用下式计算智能汽车的实际方向盘转角输入u_k：

u_k＝λ_Du_D,k+λ_Au_A,k,λ_A,λ_D≥0且λ_A·λ_D≠0

其中，u_k是k时刻智能汽车的实际方向盘转角输入，由智能汽车控制器驱动线控转向系统的底层伺服转向机构产生，u_D,k是k时刻驾驶员的方向盘转角输入，由智能汽车控制器通过方向盘转角传感器进行实时观测得到；u_A,k是k时刻智能汽车控制器根据智能汽车的状态和参考轨迹，利用特定轨迹跟踪方法计算得到的期望方向盘转角输入，λ_D和λ_A分别为驾驶员和控制器的控制权重，要求非负且不同时为0，λ_D和λ_A由人为进行设置，不同的λ_D和λ_A对应不同程度的车道保持辅助功能；

B：当智能汽车的转向系统为主动转向系统时：

利用下式计算智能汽车的实际方向盘转角输入u_k：

其中，为k时刻智能汽车控制器利用主动转向系统在驾驶员方向盘转角上叠加的方向盘转角补偿量，u_D,k-1为k-1时刻智能汽车控制器所观测的驾驶员方向盘转角，由智能汽车控制器通过方向盘转角传感器进行实时观测得到；其余符号定义与上述步骤(1)的A部分相同；

(2)将智能汽车控制器的参考轨迹定义为一系列空间路径点，根据空间路径点相对于车道中心线的横向位移表示智能汽车车道保持参考轨迹，具体过程如下：

(2-1)在智能汽车当前行驶车道的中心线上选取离车辆质心C最近的一个点，作为基准参考点O；

(2-2)从基准参考点出发，沿车道中心线以车辆速度U与控制采样时间T的乘积为距离等间距采样第1个参考点O₁、第2个参考点O₂……第N个参考点O_N，如图1所示。将车道中心线在第i个参考点O_i处的曲率记为ρ_k+i|k，设定车道向左弯时曲率为正，车道向右弯时曲率为负，1≤i≤N，N为规划智能汽车控制器参考轨迹时的预瞄长度，由人为设置；

(2-3)对于车道中心线上的第i个参考点O_i，取垂直于车道中心线在该参考点的切线方向且离参考点横向距离为Δy_k+i|k的轨迹点P_i，作为智能汽车控制器的第i个车道保持参考轨迹点，智能汽车控制器的参考轨迹由一系列相对于车道中心线的横向位移Δy_k+i|k表示；

(2-4)利用下式表达智能汽车控制器的车道保持参考轨迹：

R_k＝[α_ρ,kρ_k+1|k+e_y0,k,α_ρ,kρ_k+2|k+e_y0,k,…,α_ρ,kρ_k+N|k+e_y0,k]

其中，R_k为一个N维向量，向量中的第i个元素表示第i个参考轨迹点P_i距离车道中心线的横向位移Δy_k+i|k，ρ_k+i|k为k时刻第i个参考点O_i所对应的车道中心线曲率，α_ρ,k为待定参数，表示k时刻的参考轨迹比例系数，e_y0,k为待定参数，表示k时刻的参考轨迹平移系数；

(3)实时求解上述步骤(2)中的车道保持参考轨迹表达式中的待定参数α_ρ,k和e_y0,k并调节智能汽车控制器的车道保持参考轨迹：

(3-1)初始化时，设k＝0，记α_ρ,k和e_y0,k的初始值分别为α_ρ,0和e_y0,0，并设定比例系数α_ρ实时调节的上下界为和设上述待定参数α_ρ的参数调节学习率设上述待定参数e_y0的参数调节学习率初始化完毕后，设k＝1并进入步骤(3-2)；

(3-2)设定一个驾驶员方向盘转角输入阈值u_crit，对当前驾驶员的方向盘转角输入进行判断，若当前驾驶员的方向盘转角输入大于阈值u_crit，则进行步骤(3-3)，若若当前驾驶员的方向盘转角输入小于或等于阈值u_crit，则令参考轨迹待定参数α_ρ,k和e_y0,k保持不变，并利用步骤(2-4)中的公式计算智能汽车控制器的车道保持参考轨迹，使k＝k+1，在下一控制周期重复本步骤；

(3-3)利用下式计算参考轨迹平移系数e_y0实时调节的上界和下界

其中，和分别为车辆质心在当前车道可行驶区域的最大横向位移和最小横向位移，根据车道线和障碍物位置信息确定，为当前行驶车道的平均曲率，取ρ_k+1|k,…,ρ_k+N|k的平均值；

(3-4)利用下式计算并更新参考轨迹比例系数α_ρ：

其中，u_D,k为k时刻驾驶员的方向盘转角输入，为当前行驶车道的平均曲率，是比例系数α_ρ的参数调节学习率，和分别为比例系数α_ρ实时调节的上下界；

利用下式计算并更新参考轨迹平移系数e_y0：

其中，是平移系数e_y0的参数调节学习率，和分别是平移系数e_y0实时调节的上下界；

利用步骤(2-4)中的公式计算智能汽车控制器的车道保持参考轨迹，设k＝k+1并在下一控制周期返回步骤(3-2)，实现智能汽车的人机共驾型车道保持辅助。