CN111007715A - 一种基于车辆位置、航向的自主换道方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于车辆位置、航向的自主换道系统，包括传感器单元，所述传感器单元包括车速传感器和图像采集模块；运算单元，所述运算单元包括模糊自适应PID控制器、换道意图模块和换道方向决策模块；执行单元，所述执行单元具体设置为电子液压助力转向器。本发明应用模糊理论、PID控制原理，基于车辆位置、航向信息进行自主换道控制研究，通过摄像头等传感器识别车道线信息，得到车辆与车道线的位置关系以及车辆相对车道线的航向角，根据车速信息，分别对车辆位置及航向角施加权重值，计算出目标方向盘转角，通过电子助力转向系统控制方向盘转动至目标角度，实现车辆自主换道。
Description
技术领域
本发明涉及基于车辆位置、航向的自主换道技术领域，具体为一种基于车辆位置、航向的自主换道系统，同时本发明还涉及一种基于车辆位置、航向的自主换道方法。
背景技术
自动驾驶汽车可以实现解放驾驶员双手、双脚，即可以由系统控制车辆横向运动和纵向运动，其横向控制功能主要包括车道保持功能、自主换道功能等，而对自主换道功能是SAE L3以上等级自动驾驶的核心功能，自主换道的稳定性与平顺性直接影响驾驶员、乘客的安全与体验感。
目前对于自主换道控制方法基本采用：根据传感器采集环境信息，利用等速偏移换道轨迹、正弦函数换道轨迹等轨迹生成方法，规划局部换道轨迹，利用模型预测控制算法(MPC)、最优控制理论等进行轨迹跟踪，实现自主换道。
基于上述方法实现的自主换道功能，控制算法需进行多次迭代运算，计算量较大，将很大程度上降低系统实时性，且对运算控制单元的运算性能要求较高，车载控制器运算单元无法满要求。基于此背景，本发明提出一种基于车辆位置、航向的自主换道方法及系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于车辆位置、航向的自主换道系统及方法，应用模糊理论、PID控制原理，基于车辆位置、航向信息进行自主换道控制研究，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于车辆位置、航向的自主换道系统，包括：
传感器单元，所述传感器单元包括车速传感器和图像采集模块，所述图像采集单元用于识别车道线信息，并将坐标进行转换，得到车辆与左侧车道线的距离车辆与右侧车道线的距离以及车辆中心线与车道中心线的夹角，所述车速传感器用于实时监控车辆行驶速度；
运算单元，所述运算单元包括模糊自适应PID控制器、换道意图模块和换道方向决策模块，所述运算单元用于通过换道意图、换道方向决策模块得到本次换道操作的目标车道的车道中心线,根据车辆位置信息计算得到车辆与目标车道中心线的距离；
执行单元，所述执行单元具体设置为电子液压助力转向器，所述电子液压助力转向器包括动力转向器、转向助力传感器、单向阀、转向控制灯、发动机传感器、储油罐、限压阀、电动液压泵和动力转向ECU。
优选的，所述车速传感器设置为非接触激光测速传感器，且车速传感器测速传感器有两个端口：一个发射端口，发出LED光源；一个是高速拍照端口，实现CCD面积高速成像对比，通过在极短时间内的两个时间的图像对比，分辨被测物体移动的距离，结合传感器内部的算法，实时输出被测物体的速度。
优选的，所述图像采集模块具体设置为红外摄像头，所述红外摄像头的波长为1.5-400微米，所述红外摄像头包括镜头、感光元件、信号处理元件，外部光线通过镜头聚焦在感光元件上，感光元件与信号处理元件电连接，所述信号处理模块输出端输出模拟信号、数字信号或视频流；所述模拟信号为CVBS、S-VIDEO、VGA；所述数字信号为ITU-R BT.656、ITU-R BT.601、ITU-R BT.1120、DVI、HDMI；所述视频流为通过Ethernet、WIFI、Bluetooth、RS-232、RS-485、CAN传输。
优选的，所述红外摄像头还包括用于检测环境光照度的光线检测模块，所述光线检测模块包括多个扫描线、多个读取线以及多个光感测元件，每一光感测元件耦接该多个扫描线的一者以及该多个读取线的一者，该光线检测方法包括：同时开启该多个扫描线的至少两者，用以开启该多个光感测元件中的多个耦接的光感测元件。
优选的，所述模糊自适应PID控制器是在PID算法的基础上，通过误差e和误差变化率ec作为输入，并且通过模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整，来满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求，所述模糊自适应PID控制器根据车辆中心线与车道中心线的夹角与自车车速信息，利用模糊控制理论与PID控制原理，设计模糊规则,计算PID控制器参数。
优选的，所述传感器单元还包括无线信号收发模块，用于将监测信息传输至运算单元进行运算，所述无线信号收发模块的工作频率为315M，采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度极高，当环境温度在-25°至+85°之间变化时，频飘为3ppm/度。
优选的，所述动力转向ECU的转向摇臂的摆角为120°，且动力转向ECU根据20s内的平均车速与平均转向盘转角判断车辆当前所运行的道路情况，变换控制模式最多需要1.1s可避免助力的急剧变化。
本发明还提供一种基于车辆位置、航向的自主换道方法，包括以下步骤：
S1：采集信息，通过传感器单元对车速信息以及路况信息进行采集，并通过无线信号收发模块将信息传输至运算单元；
S2：信息计算，通过采集到的的车辆中心线与车道中心线的夹角与自车车速信息，利用模糊控制理论与PID控制原理计算出目标方向盘转角；
S3：执行转向，通过电子液压助力转向器执行转向，从而使车辆变道。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明应用模糊理论、PID控制原理，基于车辆位置、航向信息进行自主换道控制研究，通过摄像头等传感器识别车道线信息，得到车辆与车道线的位置关系以及车辆相对车道线的航向角，根据车速信息，分别对车辆位置及航向角施加权重值，计算出目标方向盘转角，通过电子助力转向系统控制方向盘转动至目标角度，实现车辆自主换道。
附图说明
图1为本发明的基于车辆位置、航向的自主换道系统框图；
图2为本发明的基于车辆位置、航向的自主换道方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1，一种基于车辆位置、航向的自主换道系统，包括：
传感器单元，传感器单元包括车速传感器和图像采集模块，图像采集单元用于识别车道线信息，并将坐标进行转换，得到车辆与左侧车道线的距离车辆与右侧车道线的距离以及车辆中心线与车道中心线的夹角，车速传感器用于实时监控车辆行驶速度；车速传感器设置为非接触激光测速传感器，且车速传感器测速传感器有两个端口：一个发射端口，发出LED光源；一个是高速拍照端口，实现CCD面积高速成像对比，通过在极短时间内的两个时间的图像对比，分辨被测物体移动的距离，结合传感器内部的算法，实时输出被测物体的速度；图像采集模块具体设置为红外摄像头，红外摄像头的波长为1.5-400微米，红外摄像头包括镜头、感光元件、信号处理元件，外部光线通过镜头聚焦在感光元件上，感光元件与信号处理元件电连接，信号处理模块输出端输出模拟信号、数字信号或视频流；模拟信号为CVBS、S-VIDEO、VGA；数字信号为ITU-R BT.656、ITU-R BT.601、ITU-R BT.1120、DVI、HDMI；视频流为通过Ethernet、WIFI、Bluetooth、RS-232、RS-485、CAN传输；红外摄像头还包括用于检测环境光照度的光线检测模块，光线检测模块包括多个扫描线、多个读取线以及多个光感测元件，每一光感测元件耦接该多个扫描线的一者以及该多个读取线的一者，该光线检测方法包括：同时开启该多个扫描线的至少两者，用以开启该多个光感测元件中的多个耦接的光感测元件；传感器单元还包括无线信号收发模块，用于将监测信息传输至运算单元进行运算，无线信号收发模块的工作频率为315M，采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度极高，当环境温度在-25°至+85°之间变化时，频飘为3ppm/度；
运算单元，运算单元包括模糊自适应PID控制器、换道意图模块和换道方向决策模块，运算单元用于通过换道意图、换道方向决策模块得到本次换道操作的目标车道的车道中心线,根据车辆位置信息计算得到车辆与目标车道中心线的距离；模糊自适应PID控制器是在PID算法的基础上，通过误差e和误差变化率ec作为输入，并且通过模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整，来满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求，模糊自适应PID控制器根据车辆中心线与车道中心线的夹角与自车车速信息，利用模糊控制理论与PID控制原理，设计模糊规则,计算PID控制器参数；
执行单元，执行单元具体设置为电子液压助力转向器，电子液压助力转向器包括动力转向器、转向助力传感器、单向阀、转向控制灯、发动机传感器、储油罐、限压阀、电动液压泵和动力转向ECU，动力转向ECU的转向摇臂的摆角为120°，且动力转向ECU根据20s内的平均车速与平均转向盘转角判断车辆当前所运行的道路情况，变换控制模式最多需要1.1s可避免助力的急剧变化。
实施例2
请参阅图2，一种基于车辆位置、航向的自主换道方法，包括以下步骤：
S1：采集信息，通过传感器单元对车速信息以及路况信息进行采集，并通过无线信号收发模块将信息传输至运算单元；
S2：信息计算，通过采集到的的车辆中心线与车道中心线的夹角与自车车速信息，利用模糊控制理论与PID控制原理计算出目标方向盘转角；
S3：执行转向，通过电子液压助力转向器执行转向，从而使车辆变道。
实施例3
根据车辆中心线与车道中心线的夹角与自车车速信息，利用模糊控制理论与PID控制原理，设计模糊规则,计算PID控制器参数，得到HeadKp、HeadKi、HeadKd；同理根据DisError与VehicleSpeed信息，得到DisKp、DisKi、DisKd；在换道过程不考虑航向角与横向距离的积分作用，因此HeadKi、DisKi设为0，最终计算出目标方向盘转角TargetWheelAngle，计算方式如下：
HeadingWheelAngle＝HeadingAngle*HeadKp+HeadingAngle’*HeadKd；
DisWheelAngle＝DisError*HeadKp+DisError’*HeadKd；
TargetWheelAngle＝HeadingWheelAngle+DisWheelAngle；
其中HeadingAngle’为HeadingAngle的微分，DisError’为DisError的微分；
具体的模糊规则及PID控制器设计方法：
采集不同车速下换道过程中车辆航向角信息与车辆位置信息，得到航向角的最大值HeadingAngleMax以及最小值HeadingAngleMin，根据模糊控制理论设计语言变量值：
并根据HeadingAngleMin，HeadingAngleMax取值区间进行赋值，通过模糊控制器计算出HeadKp、HeadKd。同理得到车辆与目标车道中心线的距离的最大值DisErrorMax以及最小值DisErrorMin，通过模糊控制器计算出DisKp、DisKd。
综上所述：本发明应用模糊理论、PID控制原理，基于车辆位置、航向信息进行自主换道控制研究，通过摄像头等传感器识别车道线信息，得到车辆与车道线的位置关系以及车辆相对车道线的航向角，根据车速信息，分别对车辆位置及航向角施加权重值，计算出目标方向盘转角，通过电子助力转向系统控制方向盘转动至目标角度，实现车辆自主换道。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种基于车辆位置、航向的自主换道系统，其特征在于，包括：
传感器单元，所述传感器单元包括车速传感器和图像采集模块，所述图像采集单元用于识别车道线信息，并将坐标进行转换，得到车辆与左侧车道线的距离车辆与右侧车道线的距离以及车辆中心线与车道中心线的夹角，所述车速传感器用于实时监控车辆行驶速度；
运算单元，所述运算单元包括模糊自适应PID控制器、换道意图模块和换道方向决策模块，所述运算单元用于通过换道意图、换道方向决策模块得到本次换道操作的目标车道的车道中心线,根据车辆位置信息计算得到车辆与目标车道中心线的距离；
执行单元，所述执行单元具体设置为电子液压助力转向器，所述电子液压助力转向器包括动力转向器、转向助力传感器、发动机传感器、储油罐、限压阀、电动液压泵和动力转向ECU。
2.根据权利要求1所述的一种基于车辆位置、航向的自主换道系统，其特征在于：所述车速传感器设置为非接触激光测速传感器，且车速传感器测速传感器有两个端口：一个发射端口，发出LED光源；一个是高速拍照端口，实现CCD面积高速成像对比，通过在极短时间内的两个时间的图像对比，分辨被测物体移动的距离，结合传感器内部的算法，实时输出被测物体的速度。
3.根据权利要求1所述的一种基于车辆位置、航向的自主换道系统，其特征在于：所述图像采集模块具体设置为红外摄像头，所述红外摄像头的波长为1.5-400微米，所述红外摄像头包括镜头、感光元件、信号处理元件，外部光线通过镜头聚焦在感光元件上，感光元件与信号处理元件电连接，所述信号处理模块输出端输出模拟信号、数字信号或视频流；所述模拟信号为CVBS、S-VIDEO、VGA；所述数字信号为ITU-R BT.656、ITU-R BT.601、ITU-RBT.1120、DVI、HDMI；所述视频流为通过Ethernet、WIFI、Bluetooth、RS-232、RS-485、CAN传输。
4.根据权利要求1所述的一种基于车辆位置、航向的自主换道系统，其特征在于：所述红外摄像头还包括用于检测环境光照度的光线检测模块，所述光线检测模块包括多个扫描线、多个读取线以及多个光感测元件，每一光感测元件耦接该多个扫描线的一者以及该多个读取线的一者，该光线检测方法包括：同时开启该多个扫描线的至少两者，用以开启该多个光感测元件中的多个耦接的光感测元件。
5.根据权利要求1所述的一种基于车辆位置、航向的自主换道系统，其特征在于：所述模糊自适应PID控制器是在PID算法的基础上，通过误差e和误差变化率ec作为输入，并且通过模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整，来满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求，所述模糊自适应PID控制器根据车辆中心线与车道中心线的夹角与自车车速信息，利用模糊控制理论与PID控制原理，设计模糊规则,计算PID控制器参数。
6.根据权利要求1所述的一种基于车辆位置、航向的自主换道系统，其特征在于：所述传感器单元还包括无线信号收发模块，用于将监测信息传输至运算单元进行运算，所述无线信号收发模块的工作频率为315M，采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度极高，当环境温度在-25°至+85°之间变化时，频飘为3ppm/度。
7.根据权利要求1所述的一种基于车辆位置、航向的自主换道系统，其特征在于：所述动力转向ECU的转向摇臂的摆角为120°，且动力转向ECU根据20s内的平均车速与平均转向盘转角判断车辆当前所运行的道路情况，变换控制模式最多需要1.1s可避免助力的急剧变化。
8.一种权利要求1所述的基于车辆位置、航向的自主换道方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：采集信息，通过传感器单元对车速信息以及路况信息进行采集，并通过无线信号收发模块将信息传输至运算单元；
S2：信息计算，通过采集到的的车辆中心线与车道中心线的夹角与自车车速信息，利用模糊控制理论与PID控制原理计算出目标方向盘转角；
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