CN111186434A - 车道改变和防碰撞系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于车辆的防碰撞系统包括至少一个感测装置，用于检测靠近车辆的一个或多个障碍物。还包括模型预测控制模块，用于确定预测模型路径，以避免在车辆的车道改变操纵期间与一个或更多个障碍物发生碰撞。还包括转向系统，从模型预测控制模块接收转向角命令，以自动控制转向系统使车辆沿着预测模型路径转向。

Description

车道改变和防碰撞系统
技术领域
本发明涉及防碰撞系统的转向方面。
背景技术
在过去的几十年中，乘员安全的进步在减少死亡和受伤人数方面发挥了重要作用。这些进步包括被动安全措施(安全带、安全气囊、底盘结构设计等)，以及主动安全措施(ESC、ABS、自适应巡航等)。主动安全技术有助于避免撞车或减轻撞车的严重性。自动制动系统有助于避免追尾碰撞。
就像制动系统一样，转向系统(电动助力转向或线控转向)也可以通过帮助驾驶员避免碰撞或减轻碰撞的影响来为主动安全做出贡献。如果驾驶员通过施加制动或转向或施加制动和转向两者来早期地并有效地做出反应，则有可能避免追尾碰撞。
当今的生产车辆已经具有基于摄像头或雷达的车道辅助功能，例如车道保持辅助和车道居中。但是，转向系统通常不使用摄像头信息来在驾驶员需要时自动改变车道或避免发生事故。为了避开障碍物而自动改变车道已经进行了一段时间的研究，但是，大多数研究工作仅集中在车道改变事件中的车辆水平控制上。同样，此类研究主要集中在自动驾驶(在环路中无驾驶员)场景中。
发明内容
根据本公开的一个方面，提供了一种避免碰撞的方法。该方法包括利用至少一个感测装置评估车辆的周围状况。该方法还包括确定靠近车辆的一个或多个障碍物的障碍物边界。该方法还包括计算预测模型路径，以避免在车道改变期间与一个或更多个障碍物发生碰撞。该方法还包括发送命令以控制车辆转向系统遵循预测模型路径。
根据本公开的另一方面，一种用于车辆的防碰撞系统包括至少一个感测装置，用于检测靠近车辆的一个或更多个障碍物。还包括模型预测控制模块，用于确定预测模型路径，以避免在车辆的车道改变操纵期间与一个或更多个障碍物发生碰撞。还包括转向系统，从模型预测控制模块接收转向角命令，以自动控制转向系统使车辆沿着预测模型路径转向。
根据本公开的又一方面，一种二维防碰撞系统包括至少一个感测装置，用于检测靠近移动物体的一个或更多个障碍物。还包括模型预测控制模块，用于确定预测模型路径，以避免在移动物体操纵期间与一个或更多个障碍物发生碰撞。还包括转向系统，从模型预测控制模块接收转向角命令，以控制转向系统使移动物体沿着预测模型路径转向。
附图说明
在说明书结尾处的权利要求中特别指出并清楚地声明了被视为本发明的主题。通过结合附图的以下详细描述，本发明的前述和其他特征及优点将变得显而易见，在附图中：
图1是具有防碰撞系统的车辆的俯瞰图；
图2示意性地表示用于驾驶员辅助车辆的防碰撞系统；
图3示意性地表示用于防碰撞系统的模型预测控制模块的操作；
图4是根据本公开的另一方面的车辆的俯瞰图；
图5示意性地表示用于图4的驾驶员辅助车辆的防碰撞系统；
图6是根据本公开的另一方面的具有防碰撞系统的车辆的俯瞰图；以及
图7是转向系统的示意图。
具体实施方式
现在参考附图示出了防碰撞系统，其中，将参考具体实施例描述本发明，但不限于此。如本文所述，防碰撞系统利用模型预测控制来检测围绕车辆的至少一部分的障碍物并确定避免与此类障碍物发生碰撞的操纵。操纵可以是，当车辆处于手动驾驶模式、半自动驾驶模式或自动驾驶模式时，改变车道或制动事件。
参照图1，示出了包括本文中描述的防碰撞系统的车辆12。如图所示，车辆位于第一车道13中，在图示的实施例中，第一车道13是具有两个相邻车道的中央车道，具体地，这两个相邻车道是第一相邻车道14和第二相邻车道16。可以理解，车辆12可以在任何替代的车道配置下运行。为了说明的目的，仅以示例的方式详细描述了所示的车道配置。
如图7所示，车辆包括示意性示出的转向系统100。如本文所述，转向系统100可以是EPS、线控转向(SbW)系统、具有电磁转矩覆盖(MTO)的液压转向器等。在各种实施例中，转向系统100包括耦接到转向轴系统116的方向盘114，该转向轴系统116包括转向柱、中间轴和必要的接头。在一个示例性实施例中，转向系统100是EPS系统，其还包括转向辅助单元118，该转向辅助单元118耦接到转向系统100的转向轴系统116，并耦接到车辆的拉杆120、122。可替代地，转向辅助单元118可以将转向轴系统116的上部与该系统的下部耦接。转向辅助单元118包括例如齿条和小齿轮转向机构(未示出)，该齿条和小齿轮转向机构可以通过转向轴系统116耦接到转向致动器马达119和齿轮。在操作期间，当车辆操作者转动方向盘114时，转向致动器马达119提供帮助以移动拉杆120、122，拉杆120、122又分别移动转向节124、126，该转向节124、126分别与车辆12的车轮128、130耦接。
车辆还包括检测和测量转向系统100和/或车辆的可观察到的状况的各种传感器131、132、133。传感器131、132、133基于可观察到的状况生成传感器信号。在一个示例中，传感器131是转矩传感器，其感测由车辆的操作者施加到方向盘114的输入驾驶员方向盘转矩(HWT)。转矩传感器基于此生成驾驶员转矩信号。在另一示例中，传感器132是马达角度和速度传感器，其感测转向致动器马达119的旋转角度以及旋转速度。在又一示例中，传感器133是感测方向盘114的位置的方向盘位置传感器。传感器133基于此生成方向盘位置信号。此外，从车辆110的其他传感器和/或ECU接收诸如车速、横摆角速度、方位角等信号。
再次参考图1，车辆形式的第一障碍物18位于车辆12的前方并且在第一车道13内。在一些其他实施例中，第一障碍物也可以是行人、动物或其他障碍物。由于第一障碍物18的制动，可能有必要使车辆12制动或改变车道以避免与第一障碍物18碰撞。另外，在主动的车道改变操纵期间需要避免碰撞。例如，转向信号的启动可以向防碰撞系统指示驾驶员期望进行车道改变。如本文所述，这种指示促使防碰撞系统以安全有效的方式来实现车道改变操纵。应当注意，即使在周围没有检测到障碍物时，转向信号也可以仅基于车道可用性来请求碰撞系统进行车道改变。在任何一种情况下，都必须确定一个或多个障碍物的障碍物边界，以确保避免碰撞。另一个车辆形式的第二障碍物20也位于车辆12的前方，但在第二相邻车道16中。这种情况示出了确定如何最好地避免车辆12与障碍物之一碰撞的复杂性。应当理解，可以存在更多或更少的障碍物。车辆12配备的防碰撞系统能够评估避免与障碍物18发生碰撞所需的操纵(如果有的话)。
所示示例示出了驾驶员沿着手动转向路径22手动转向远离第一障碍物18的情况。如上所述，并且如在本文中详细描述的，防碰撞系统评估车辆12的周围状况以确定避免例如与第一障碍物18发生碰撞的转向操纵。在该示例中，检测到沿着手动转向路径22与第一障碍物18即将发生碰撞。已确定第一相邻车道14为沿预测模型路径24的车道改变的可行车道，而由于第二相邻车道16中存在第二障碍物20，所以规避第二相邻车道16。确定预测模型路径24是由防碰撞系统确定的用于碰撞避免的最佳路径。驾驶员辅助算法通过图2和图3中示意性示出的过程提供转矩重叠命令。转矩重叠命令帮助驾驶员沿着预测模型路径24转入左车道，以避免与第一障碍物18碰撞。还示出了路径26，该路径被确定为太宽以至于不能将车辆12安全地放置在第一相邻车道16内。
参照图2，示出了防碰撞系统的算法架构。环境感知模块30至少在车辆的向前方向上收集车道可用性和障碍物边界的信息，以确定车辆12的周围状况。环境感知模块30包括摄像头、雷达、LiDAR和GPS中的至少一个。可以想到替代的感测装置。一个或多个感测装置提供数据以用作模型预测控制模块40的输入。模型预测控制模块40还从诸如传感器131-133以及其他感测装置接收与车辆控制有关的输入，例如，车速和转向角。模型预测控制模块40使用优化算法来基于测量的信息以及参考命令来确定控制动作(例如，转向角命令)的序列。
参考图3，示出了模型预测控制模块40内的处理操作。模型预测控制模块40包括参考生成单元41、测量处理单元42、模型单元44、目标函数单元46以及优化器和序列生成器单元48。参考生成单元41处理车道可用性、车道几何形状、障碍物边界和转向信号输入的数据，以创建参考序列和启用标记。测量处理单元42处理车速、转向角、方位角和横摆角速度的数据。模型单元44在车辆动力学模型中使用来自测量处理单元42的输入来预测车辆的X-Y坐标位置(图1)和横摆角速度。该数据用于计算随时间的一系列未来的预测位置。具体而言，确定在接下来的n个点(即，在n*Tmpc时间内)的车辆12的预测位置(X，Y)和方位/方向(Ψ)，如以下等式所示：
Xk+1＝Xk+Vk*cos(Ψk)*Tmpc
Yk+1＝Yk+Vk*sin(Ψk)*Tmpc
Ψk+1＝Ψk+Vk*βk/lr*Tmpc
在公式tan(βk)＝tan(δrw,k)*lr/(lf+lr)中，
lf和Ir分别表示从车辆12的重心到前后轴的距离，其中
δrw,k是车辆12在第k步处的车轮角；
Ψk是车辆12在第k步处的方位角；
Vk是车辆12在第k步处的对地速度；以及
βk是车辆12在第k步处的侧滑角。
目标函数单元46将参考生成单元41的参考序列和来自模型单元44的随时间的下一位置数据合并以预测车辆12的位置和方向，并连同来自优化器和序列生成器单元48的命令序列，以生成代价(Cost)值。使用以下等式计算Cost值：
Cost＝Costcte+Costepsi+Costbeta+CostbetaR，其中
Figure BDA0002272915320000051
Figure BDA0002272915320000052
Figure BDA0002272915320000053
Figure BDA0002272915320000054
T1、T2、T3和T4是可以根据不同的期望轨迹进行调整的参数。此外，基于从环境感知模块30接收到的障碍物边界来计算车辆移动路径的约束条件。这些约束条件有助于模型预测控制来规划不接近障碍物的位置的车辆路径(X，Y)，如图6所示。优化器和序列生成器单元48使用Cost值来迭代地计算多个点上的命令序列以最小化Cost值。该循环导致从模型预测控制模块40输出角度命令。应当注意，输出角度命令δi可以是来自命令序列的第一计算角度命令δ1，或者是来自命令序列的所有值的组合，即δi＝j1*δ1+j2*δ2+…jn*δn，其中，所有j均小于或等于1，并且大于或等于0，所有j的总和等于1。
再次参考图2，输出转向角命令从模型预测控制模块40发送到位置伺服模块50。位置伺服模块50使用模型预测控制模块40的角度命令和来自方向盘握力模块60的方向盘握力指示器值，以生成用于转向的伺服命令。方向盘握力指示器值来自方向盘握力模块60，该方向盘握力模块60使用方向盘转矩信号以及基于阈值的比较来估计驾驶员对车辆的方向盘的握力，以计算方向盘握力指示器值。辅助模块70计算辅助命令，该命令被添加到位置伺服器50的伺服命令中，以生成电动助力转向系统的马达转矩命令。
参照图4，再次示出了车辆12、第一障碍物18和第二障碍物20，以说明车辆配备了线控转向系统，而不是EPS系统。特别地，方向盘未机械地连接至车辆12的车轮。与EPS系统的情况一样，上述感测装置检测即将发生的碰撞以及可行车道。然而，如果驾驶员未能响应或为车道改变选择了错误的路径80，则车轮致动器系统切换到主动辅助模式(其也可以被表征为自动或部分自动控制)以遵循用于车道改变的可行路径82，而不管方向盘执致动器处的驾驶员输入。在一些实施例中，这可以通过将方向盘转变成非旋转状态来实现。
现在参考图5，示出了针对图4的线控转向实施例的防碰撞系统的算法架构。环境感知模块30和模型预测控制模块40与以上结合图2和图3描述的那些相同。然而，角度命令转到命令选择模块90，该命令选择模块90将适当的角度命令作为最终角度命令发送到位置伺服模块50。在正常操作中，车轮致动器将方向盘单元角度用作命令在车轮致动器单元上执行位置/角度控制。方向盘单元以车轮命令的形式将方向盘角度测量/信号发送到车轮执行器。车轮单元将每个车轮控制到命令的位置或角度。
本文描述的实施例利用模型预测控制架构来使用感测装置信息以在驾驶员期望时自动改变车道或避免碰撞。如上所述，这可以在车辆在手动驾驶模式、半自动驾驶模式或全自动驾驶模式中操作的情况下完成。此外，配备有EPS系统或线控转向系统的车辆可受益于本文所述的实施例。
如本文所使用的术语模块和子模块指的是一个或多个处理电路(例如专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或群组的)和存储器、组合逻辑电路)和/或提供所述功能的其他合适组件。可以理解，本文描述的子模块可以进行组合和/或被进一步划分。
虽然仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但应容易理解，本发明不限于这些公开的实施例。相反，可以修改本发明以包含此前未描述但与本发明的精神和范围相当的任何数量的变型、改变、替换或等同布置。另外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是应该理解，本发明的各方面可以仅包括所描述的实施例中的一些实施例。因此，本发明不应被视为受前述描述限制。

Claims (18)

1.一种避免碰撞的方法，包括：
利用至少一个感测装置评估车辆的周围状况；
确定靠近车辆的一个或更多个障碍物的障碍物边界；
计算预测模型路径，以避免在车道改变期间与所述一个或更多个障碍物发生碰撞；以及
发送命令以控制车辆转向系统遵循预测模型路径。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个感测装置包括摄像头、雷达装置、LiDAR装置和GPS中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，利用模型预测控制模块计算所述预测模型路径。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述模型预测控制模块包括参考生成单元、测量处理单元、模型单元、目标函数单元以及优化器和序列生成器单元。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述参考生成单元处理车道可用性、车道几何形状、障碍物边界和转向信号输入中的至少一项的数据，以创建参考序列和启用标记。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述测量处理单元处理车速、转向角、方位角和横摆角速度中的至少一项的数据。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述模型单元在车辆动力学模型中处理来自测量处理单元的输入，以预测随着时间的下一位置的车辆的X、Y位置和方位角。
8.根据权利要求4所述的方法，其中，所述目标函数单元将参考生成单元的参考序列和来自模型单元的随着时间的下一位置数据合并以预测车辆的位置和方向，连同来自优化器和序列生成器单元的命令序列，以生成代价值。
9.根据权利要求4所述的方法，其中，所述优化器和序列生成器处理代价值以在多个点上迭代地计算命令序列以最小化代价值。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，模型预测控制模块确定要发送到位置伺服模块的角度命令。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述位置伺服模块处理模型预测控制模块的角度命令和方向盘握力指示器值，以生成用于转向的伺服命令。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，方向盘握力模块处理方向盘转矩信号以及基于阈值的比较，以估计驾驶员在车辆的方向盘上的握力，以计算被发送到位置伺服模块的方向盘握力指示器值。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，辅助模块计算辅助命令，所述辅助命令被添加到位置伺服模块的伺服命令，以生成电动助力转向系统的马达转矩命令。
14.一种用于车辆的防碰撞系统，包括：
至少一个感测装置，用于检测靠近车辆的一个或更多个障碍物；
模型预测控制模块，用于确定预测模型路径，以避免在车辆的车道改变操纵期间与一个或更多个障碍物发生碰撞；以及
转向系统，从模型预测控制模块接收转向角命令，以自动控制转向系统使车辆沿着预测模型路径转向。
15.根据权利要求14所述的防碰撞系统，其中，所述模型预测控制模块包括参考生成单元、测量处理单元、模型单元、目标函数单元以及优化器和序列生成器单元。
16.根据权利要求14所述的防碰撞系统，其中，所述转向系统是电动助力转向系统。
17.根据权利要求14所述的防碰撞系统，其中，所述转向系统是线控转向系统。
18.一种二维防碰撞系统，包括：
至少一个感测装置，用于检测靠近移动物体的一个或更多个障碍物；
模型预测控制模块，用于确定预测模型路径，以避免在移动物体操纵期间与一个或更多个障碍物发生碰撞；以及
转向系统，从模型预测控制模块接收转向角命令，以控制转向系统使移动物体沿着预测模型路径转向。
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