CN109383500B - 基于预瞄点的车道保持方法及其辅助系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及汽车车道保持领域,具体涉及一种基于预瞄点的车道保持方法及其辅助系统。本发明的方法是通过设置远近预瞄点,针对每个预瞄点计算转角控制量,进而求取它们的加权和,得到最终的转角控制量,根据近距离预瞄点的控制可以让车辆横向偏差迅速减小,而根据远距离预瞄点的控制可以让车辆方向稳定,两者的加权控制使得车辆的车道保持控制更加稳定可靠,避免“画龙”现象发生。
Description
技术领域
本发明涉及汽车车道保持领域,具体涉及一种基于预瞄点的车道保持方法及其辅助系统。
背景技术
随着经济的快速发展和人民生活水平的不断提高,我国汽车保有量不断增长,但随之而来的是严峻的道路交通安全形势,交通事故数一直高居不下。
据交通部统计,约20%的交通事故是由于车道偏离引起的,虽然目前车道偏离预警系统已在中高端车型普遍推广,但其仅能通过报警提醒驾驶员尽快修正车辆方向,而驾驶员可能来不及反应或慌乱下做出误操作引发更严重的事故,如转向过度造成车辆侧翻。
现有的车道保持技术一般是通过在目标轨迹上选取单个预瞄点,根据目标点计算得到控制量进而控制车辆转向沿着目标轨迹行驶,但是单个预瞄点的选取使得检测精度较低,控制稳定性较差,容易造成车辆“画龙”现象,即曲线行驶。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于预瞄点的车道保持方法及其辅助系统,用以解决单个预瞄点的车道保持方法会导致车辆行驶方向控制不稳定的问题。
为实现上述目的,本发明的方案包括一种基于预瞄点的车道保持方法,包括以下步骤:
(1)建立车辆坐标系,确定车辆的目标轨迹,在车辆前方的车辆目标轨迹上选定两个相距设定距离的预瞄点,离车辆近的是近距离预瞄点,离车辆远的是远距离预瞄点;
(2)以车辆到达所述近距离预瞄点为需求,计算得到第一转角控制量θx;以车辆到达所述远距离预瞄点为需求,计算得到第二转角控制量θy;
(3)确定转角控制量θ=kx*θx+ky*θy,其中kx和ky分别是θx和θy的加权值,且kx+ky=1;
(4)根据所述转角控制量θ控制车辆方向盘。
相应的,本发明还提供了一种基于预瞄点的车道保持辅助系统,包括感知单元和控制单元,所述感知单元用于:获取车辆前方道路车道线信息,所述车道线信息包括车道线清晰度、车道线曲率、道路宽度、车道线标线宽度和车道线类型;
所述控制单元用于:接收车辆状态信息和所述车道线信息,根据接收到的信息建立车辆坐标系,确定车辆的目标轨迹,在车辆前方的车辆目标轨迹上选定两个相距设定距离的预瞄点,离车辆近的是近距离预瞄点,离车辆远的是远距离预瞄点;以车辆到达所述近距离预瞄点为需求,计算得到第一转角控制量θx;以车辆到达所述远距离预瞄点为需求,计算得到第二转角控制量θy;确定转角控制量θ=kx*θx+ky*θy,其中kx和ky分别是θx和θy的加权值,且kx+ky=1;根据所述转角控制量θ控制车辆方向盘。
本发明的有益效果是:通过设置远近预瞄点,针对每个预瞄点计算转角控制量,进而求取它们的加权和,得到最终的转角控制量,根据近距离预瞄点的控制可以让车辆横向偏差迅速减小,而根据远距离预瞄点的控制可以让车辆方向稳定,两者的加权控制使得车辆的车道保持控制更加稳定可靠,避免“画龙”现象发生。
作为本发明所述方法或系统的改进,在所述近距离预瞄点的水平方向上选取第一对比点,所述近距离预瞄点和所述第一对比点的距离为设定值Lc;在所述远距离预瞄点的水平方向上选取第二对比点,所述远距离预瞄点和所述第二对比点的距离为设定值Ld;
当所述车辆上的设定点沿着第一圆弧行进到所述近距离预瞄点时,所述车辆上的设定点处与所述第一圆弧相切的切线和当前车辆前进方向形成的锐角为第一夹角θ1;所述第一圆弧连接所述近距离预瞄点和所述车辆上的设定点,且所述第一圆弧的圆心O1和车辆后轮的连线与车辆前进方向垂直;
当所述车辆上的设定点沿着第二圆弧行进到所述第一对比点时,所述车辆上的设定点处与所述第二圆弧相切的切线和当前车辆前进方向形成的锐角为第二夹角θ2;所述第二圆弧连接所述第一对比点和所述车辆上的设定点,且所述第二圆弧的圆心O2和车辆后轮的连线与车辆前进方向垂直;
当所述车辆上的设定点沿着第三圆弧行进到所述远距离预瞄点时,所述车辆上的设定点处与所述第三圆弧相切的切线和当前车辆前进方向形成的锐角为第三夹角θ3;所述第三圆弧连接所述远距离预瞄点和所述车辆上的设定点,且所述第三圆弧的圆心O3和车辆后轮的连线与车辆前进方向垂直;
当所述车辆上的设定点沿着第四圆弧行进到所述第二对比点时,所述车辆上的设定点处与所述第四圆弧相切的切线和当前车辆前进方向形成的锐角为第四夹角θ4;所述第四圆弧连接所述第二对比点和所述车辆上的设定点,且所述第四圆弧的圆心O4和车辆后轮的连线与车辆前进方向垂直;
所述第一对比点的选取要使得θ1和θ2满足θ1>θ2;所述第二对比点的选取要使得θ3和θ4满足θ3>θ4;
第一转角控制量θx=k1*θ1+k2*θ2,其中k1和k2分别是θ1和θ2的加权值,且k1+k2=1;第二转角控制量θy=k3*θ3+k4*θ4,k3和k4分别是θ3和θ4的加权值,且k3+k4=1;
最终的转角控制量θ=kxθx+kyθy,kx和ky分别是θx和θy的加权值,且kx+ky=1。
作为本发明所述方法或系统的进一步改进,所述车辆坐标系是直角坐标系,所述车辆坐标系的原点位于车辆上的设定点,所述车辆坐标系以车辆前进方向为纵轴正方向,以垂直纵轴方向为横轴正方向。
作为本发明所述方法或系统的再一次改进,θ1和θ2的计算公式为:
式中,x1是所述近距离预瞄点的横坐标值,L1为车辆前后轮距,L2为车辆前悬的长度,L3为所述近距离预瞄点的纵坐标值;
θ3和θ4的计算公式为:
式中,x2是所述远距离预瞄点的横坐标值,L1为车辆前后轮距,L2为车辆前悬的长度,L4为所述远距离预瞄点的纵坐标值。
本发明改进后的有益效果是:分别在近距离预瞄点和远距离预瞄点上选取相应的对比点,并计算车辆沿着不同圆弧到达每个预瞄点和对应对比点时车辆和圆弧交点处的切线与车辆前进方向的夹角,通过对夹角设置不同的加权值,从而计算得到每个预瞄点的转角控制量,进而求出总的转角控制量,并根据总的转角控制量控制车辆方向盘,使车辆行驶时的车道保持控制更加稳定可靠。
附图说明
图1是本发明实施例1中计算一个预瞄点的转角控制量的原理图;
图2是本发明实施例2第一步骤的原理图;
图3是本发明实施例2第二步骤的原理图;
图4是本发明闭环控制的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
车辆行进过程中,检测道路宽度、车道线质量(清晰度)、车道线可视距离、车速、转向灯信号及制动信号。当以上检测内容均满足设定要求时,车辆控制单元判定车辆偏离车道并发出警报;如果检测到车辆继续偏离车道,则控制单元开始进入车道保持环节,计算转角控制量,从而控制车辆方向盘使车辆继续沿着目标线路行驶。
本发明通过建立车辆坐标系,确定目标轨迹,并在目标轨迹上选取远近两个预瞄点,针对每个预瞄点选取对应的对比点,计算每个预瞄点处控制车辆需要的转角控制量,进而求出总的转角控制量。
由于针对每个预瞄点求取对应的转角控制量时所用的方法和原理是一样的,因此下面给出了两个实施例,实施例1提供了一种计算一个预瞄点处的转角控制量的方法,实施例2设置了远近两个预瞄点,每个预瞄点处计算对应的转角控制量时都采用实施例1中的方法。
实施例1
如图1所示建立的车辆坐标系,所述车辆坐标系以车辆车头上的设定点为原点,以车辆前进方向为纵轴正方向,以垂直车辆向右为横轴正方向;在此坐标系下建立左右车道线的方程,并由此计算出车道中线方程,所述车道中线方程作为车辆的目标轨迹。
A是车辆,1是左车道,2是车道中线,即目标轨迹,3是右车道,在车道中线上选取一个预瞄点B,设B点坐标为(x,z);L1为车辆前后轮距,L2为车辆前悬长度,L3为预瞄点B的纵坐标z,L0为当前时刻车辆与目标轨迹的横向距离偏差。
设对比点A点与B点纵坐标相等,且A点和B点距离AB=L0,则当车辆沿曲线OA行驶到A点时,可实现在预瞄点处速度方向与目标轨迹一致,而当车辆沿曲线OB行驶到B点时,可实现在预瞄点处横向偏移量与目标轨迹一致。
图1中沿OB曲线行驶时,设第一圆弧的圆心为O1,沿OA曲线行驶时,设第二圆弧的圆心为O2,O1和O2与车辆后轮的连线垂直于当前车辆前进方向;设O1O=O1B=R1,O2O=O2A=R2。对于轨迹OB,由几何关系可知当前车辆和第一圆弧交点处的切线与纵轴正方向的夹角θ1与∠OO1E相等,同理对于轨迹OA,车辆和第二圆弧交点处的切线与纵轴正方向的夹角θ2=∠OO2E,其中z=L3,将z值代入目标轨迹方程可求x值。
本发明采用近似的简便计算方法,由于θ1和θ2均非常小,并且圆弧的半径R1和R2均非常大,因此图1中三角形O1OE中,sinθ1近似等于tanθ1,即O1E近似等于R1;在三角形O1BC中,有O1C2=O1B2-BC2=R12-(L1+L2+L3)2,B点的横坐标为x,O1C=x-O1E,可以求得则θ1=arctan(OE/O1E),同理可求得θ2,θ1和θ2表达式为:
为了均衡考虑横向偏移量和方向偏差,此刻实际发出的转角控制量θ应为θ1和θ2的加权,记为θ=k1*θ1+k2*θ2,k1+k2=1。
根据计算得到的转角控制量θ控制车辆方向盘,使得车辆能够沿着目标轨迹行进,从而实现车道保持,该方案计算简单,控制可靠。另外上述计算过程中车辆并没有实际沿着曲线行驶到预瞄点,而是一种假设,即假设车辆沿着某条曲线行驶到预瞄点时计算此时的转角控制量。
实施例2
实施例1是基于某一特定预瞄点(单个预瞄点)计算出的转角控制量,为提高检测精度和车辆行驶稳定型,避免单个预瞄点不稳定易造成车辆“画龙”现象,可以选取两个或者两个以上的并且相距设定距离的预瞄点,实施例2提供了一种选取两个预瞄点的具体方案,包括两个步骤。
第一步骤:如图2所示,A是车辆,1是左车道,2是车道中线,即目标轨迹,3是右车道,在车道中线上远离车辆设定距离和靠近车辆设定距离的位置各取5个预瞄点,其中P1—P5是近距离预瞄点,并且P1—P5的纵坐标成等差数列;P6—P10是远距离预瞄点,并且P6—P10的纵坐标成等差数列;
第二步骤:如图3所示,P1—P5结合目标轨迹方程经分析计算后,在P3点处计算出近处的等效近距离预瞄点P_near;同理由P6—P10计算出等效远距离预瞄点P_far;对于P_near和P_far两个等效预瞄点分别计算出各自对应的转角控制量θ_near和θ_far,计算过程包括:
在所述等效近距离预瞄点P_near的水平方向上选取第一对比点,所述等效近距离预瞄点P_near和所述第一对比点的距离为设定值Lc;在所述等效远距离预瞄点P_far的水平方向上选取第二对比点,所述等效远距离预瞄点P_far和所述第二对比点的距离为设定值Ld;
当车辆上原点所在设定点沿着第一圆弧行进到所述等效近距离预瞄点P_near时,所述车辆上原点所在设定点处与所述第一圆弧相切的切线和所述纵轴正方向形成的锐角为第一夹角θ1;第一圆弧连接所述原点和所述等效近距离预瞄点P_near;第一圆弧的圆心O1和车辆后轮的连线垂直于当前车辆前进方向;
当车辆上原点所在设定点沿着第二圆弧行进到所述第一对比点时,所述车辆上原点所在设定点处与所述第二圆弧相切的切线和所述纵轴正方向形成的锐角为第二夹角θ2;第二圆弧连接所述原点和所述第一对比点,第二圆弧的圆心O2和车辆后轮的连线垂直于当前车辆前进方向;
当车辆上原点所在设定点沿着第三圆弧行进到所述等效远距离预瞄点P_far时,所述车辆上原点所在设定点处与所述第三圆弧相切的切线和所述纵轴正方向形成的锐角为第三夹角θ3;第三圆弧连接所述原点和所述等效远距离预瞄点P_far,第三圆弧的圆心O3和车辆后轮的连线垂直于当前车辆前进方向;
当车辆上原点所在设定点沿着第四圆弧行进到所述第二对比点时,所述车辆上原点所在设定点处与所述第四圆弧相切的切线和所述纵轴正方向形成的锐角为第四夹角θ4;第四圆弧连接所述原点和所述第二对比点,第四圆弧的圆心O4和车辆后轮的连线垂直于当前车辆前进方向;
所述第一对比点的选取要使得θ1和θ2满足θ1>θ2;所述第二对比点的选取要使得θ3和θ4满足θ3>θ4;
第一转角控制量θx=k1*θ1+k2*θ2,k1和k2分别是θ1和θ2的加权值,且k1+k2=1;
第二转角控制量θy=k3*θ3+k4*θ4,k3和k4分别是θ3和θ4的加权值,且k3+k4=1。
基于θ_near的控制可以让车辆横向偏差迅速减小,基于θ_far的控制可以让车辆方向稳定,避免“画龙”现象发生。综合考虑纠偏的灵敏性和方向稳定性,最终的转角控制量θ=k5θx+k6θy,k5和k6分别是θx和θy的加权值,且k5+k6=1。
根据所述最终的转角控制量θ控制车辆方向盘,这里可以直接把θ作为控制量控制方向盘的转角,也可以对θ进行相应的处理后作为方向盘的转角进行控制,例如可以把θ乘以一个系数,或者加上一个设定值等方式,这些对θ进行等效的微调整的方案也落入本发明的保护范围之内。
实施例2通过远近两个预瞄点的的选取,使得车辆的车道保持控制更加稳定可靠,特别是当车辆行驶在弯道时,本发明提供的技术方案能够更好的对车辆进行车道保持控制。
需要说明的是本发明中计算每个预瞄点的转角控制量的具体方式并不限于本发明提供的方式,利用其他现有技术的方法计算远近预瞄点的转角控制量,从而得到两者的加权和,进而控制车辆方向盘的方案也落入本发明的保护范围。
为了减小执行机构延时产生的影响,提高系统稳定性,本发明引入了闭环控制。
如图4所示,车辆通过高清摄像头获取外界车道线信息,并发往控制器,控制器结合车辆状态计算得到转角控制量并向电转向系统发送控制命令,电转向系统一边通过转向传动机构控制车轮转向,一边向控制器反馈方向盘当前转角信息;同时,车辆检测车轮当前转角信息并反馈到控制器,控制器根据反馈信息对转角控制量进行调整,从而使提高系统控制精度和稳定性。
以上给出了本发明涉及的具体实施方式,通过建立车辆坐标系,建立车道线方程,在车道中线上选取远近预瞄点,根据预瞄点计算车辆转角控制量,从而实现车辆不偏离目标轨迹行驶。
但本发明不局限于所描述的实施方式,例如改变预瞄点或者对比点的具体数量和位置,或者通过其它方式选取近距离预瞄点和远距离预瞄点,或者改变车辆坐标系的坐标轴方向,这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的,这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于预瞄点的车道保持方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)建立车辆坐标系,确定车辆的目标轨迹,在车辆前方的车辆目标轨迹上选定两个相距设定距离的预瞄点,离车辆近的是近距离预瞄点,离车辆远的是远距离预瞄点;
(2)以车辆到达所述近距离预瞄点为需求,计算得到第一转角控制量θx;以车辆到达所述远距离预瞄点为需求,计算得到第二转角控制量θy;
(3)确定转角控制量θ=kx*θx+ky*θy,其中kx和ky分别是θx和θy的加权值,且kx+ky=1;
(4)根据所述转角控制量θ控制车辆方向盘。
2.根据权利要求1所述一种基于预瞄点的车道保持方法,其特征在于:
在所述近距离预瞄点的水平方向上选取第一对比点,所述近距离预瞄点和所述第一对比点的距离为设定值Lc;在所述远距离预瞄点的水平方向上选取第二对比点,所述远距离预瞄点和所述第二对比点的距离为设定值Ld;
当所述车辆上的设定点沿着第一圆弧行进到所述近距离预瞄点时,所述车辆上的设定点处与所述第一圆弧相切的切线和当前车辆前进方向形成的锐角为第一夹角θ1;所述第一圆弧连接所述近距离预瞄点和所述车辆上的设定点,且所述第一圆弧的圆心O1和车辆后轮的连线与车辆前进方向垂直;
当所述车辆上的设定点沿着第二圆弧行进到所述第一对比点时,所述车辆上的设定点处与所述第二圆弧相切的切线和当前车辆前进方向形成的锐角为第二夹角θ2;所述第二圆弧连接所述第一对比点和所述车辆上的设定点,且所述第二圆弧的圆心O2和车辆后轮的连线与车辆前进方向垂直;
当所述车辆上的设定点沿着第三圆弧行进到所述远距离预瞄点时,所述车辆上的设定点处与所述第三圆弧相切的切线和当前车辆前进方向形成的锐角为第三夹角θ3;所述第三圆弧连接所述远距离预瞄点和所述车辆上的设定点,且所述第三圆弧的圆心O3和车辆后轮的连线与车辆前进方向垂直;
当所述车辆上的设定点沿着第四圆弧行进到所述第二对比点时,所述车辆上的设定点处与所述第四圆弧相切的切线和当前车辆前进方向形成的锐角为第四夹角θ4;所述第四圆弧连接所述第二对比点和所述车辆上的设定点,且所述第四圆弧的圆心O4和车辆后轮的连线与车辆前进方向垂直;
所述第一对比点的选取要使得θ1和θ2满足θ1>θ2;所述第二对比点的选取要使得θ3和θ4满足θ3>θ4;
第一转角控制量θx=k1*θ1+k2*θ2,其中k1和k2分别是θ1和θ2的加权值,且k1+k2=1;第二转角控制量θy=k3*θ3+k4*θ4,k3和k4分别是θ3和θ4的加权值,且k3+k4=1;
最终的转角控制量θ=kxθx+kyθy,kx和ky分别是θx和θy的加权值,且kx+ky=1。
3.根据权利要求2所述一种基于预瞄点的车道保持方法,其特征在于:所述车辆坐标系是直角坐标系,所述车辆坐标系的原点位于车辆上的设定点,所述车辆坐标系以车辆前进方向为纵轴正方向,以垂直纵轴方向且车辆向右为横轴正方向。
5.一种基于预瞄点的车道保持辅助系统,包括感知单元和控制单元,其特征在于:
所述感知单元用于:获取车辆前方道路车道线信息,所述车道线信息包括车道线清晰度、车道线曲率、道路宽度、车道线标线宽度和车道线类型;
所述控制单元用于:接收车辆状态信息和所述车道线信息,根据接收到的信息建立车辆坐标系,确定车辆的目标轨迹,在车辆前方的车辆目标轨迹上选定两个相距设定距离的预瞄点,离车辆近的是近距离预瞄点,离车辆远的是远距离预瞄点;以车辆到达所述近距离预瞄点为需求,计算得到第一转角控制量θx;以车辆到达所述远距离预瞄点为需求,计算得到第二转角控制量θy;确定转角控制量θ=kx*θx+ky*θy,其中kx和ky分别是θx和θy的加权值,且kx+ky=1;根据所述转角控制量θ控制车辆方向盘。
6.根据权利要求5所述一种基于预瞄点的车道保持辅助系统,其特征在于:在所述近距离预瞄点的水平方向上选取第一对比点,所述近距离预瞄点和所述第一对比点的距离为设定值Lc;在所述远距离预瞄点的水平方向上选取第二对比点,所述远距离预瞄点和所述第二对比点的距离为设定值Ld;
当所述车辆上的设定点沿着第一圆弧行进到所述近距离预瞄点时,所述车辆上的设定点处与所述第一圆弧相切的切线和当前车辆前进方向形成的锐角为第一夹角θ1;所述第一圆弧连接所述近距离预瞄点和所述车辆上的设定点,且所述第一圆弧的圆心O1和车辆后轮的连线与车辆前进方向垂直;
当所述车辆上的设定点沿着第二圆弧行进到所述第一对比点时,所述车辆上的设定点处与所述第二圆弧相切的切线和当前车辆前进方向形成的锐角为第二夹角θ2;所述第二圆弧连接所述第一对比点和所述车辆上的设定点,且所述第二圆弧的圆心O2和车辆后轮的连线与车辆前进方向垂直;
当所述车辆上的设定点沿着第三圆弧行进到所述远距离预瞄点时,所述车辆上的设定点处与所述第三圆弧相切的切线和当前车辆前进方向形成的锐角为第三夹角θ3;所述第三圆弧连接所述远距离预瞄点和所述车辆上的设定点,且所述第三圆弧的圆心O3和车辆后轮的连线与车辆前进方向垂直;
当所述车辆上的设定点沿着第四圆弧行进到所述第二对比点时,所述车辆上的设定点处与所述第四圆弧相切的切线和当前车辆前进方向形成的锐角为第四夹角θ4;所述第四圆弧连接所述第二对比点和所述车辆上的设定点,且所述第四圆弧的圆心O4和车辆后轮的连线与车辆前进方向垂直;
所述第一对比点的选取要使得θ1和θ2满足θ1>θ2;所述第二对比点的选取要使得θ3和θ4满足θ3>θ4;
第一转角控制量θx=k1*θ1+k2*θ2,其中k1和k2分别是θ1和θ2的加权值,且k1+k2=1;第二转角控制量θy=k3*θ3+k4*θ4,k3和k4分别是θ3和θ4的加权值,且k3+k4=1;最终的转角控制量θ=kx*θx+ky*θy,其中kx和ky分别是θx和θy的加权值,且kx+ky=1。
7.根据权利要求6所述一种基于预瞄点的车道保持辅助系统,其特征在于:所述车辆坐标系是直角坐标系,所述车辆坐标系的原点位于车辆上的设定点,所述车辆坐标系以车辆前进方向为纵轴正方向,以垂直纵轴方向且车辆向右为横轴正方向。
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