CN111315640B - 用于控制车辆车道保持的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制车辆的车辆车道保持的方法，该车辆具有借助于转向系统（100）的电动助力转向，该转向系统具有转向辅助致动器和一个或多个可控制的车辆状态致动器，该方法包括以下步骤：使用车载视觉系统来测量至少一个车辆位置输入信号，以用于确定相对车辆车道位置，相对车辆车道位置呈以下形式：横向车道位置、方向角和车道曲率；将相对车辆车道位置变换为目标偏航和/或横向车辆状态；测量至少一个转向输入信号；根据所述一个或多个测得的转向输入信号来确定由驾驶员经由转向盘（120）施加的扭矩值；将所述扭矩值变换为相对于前面提到的目标偏航和/或横向车辆状态的驾驶员目标相对偏航和/或横向车辆状态；将所述目标偏航和/或横向车辆状态和所述驾驶员目标相对偏航和/或横向车辆状态相加在一起；以及使用所得偏航和/或横向车辆状态作为给一个或多个控制器的参考信号以用于对所述一个或多个车辆状态致动器进行所提到的控制。

Description

用于控制车辆车道保持的方法和系统
技术领域
本发明涉及用于控制具有电动助力转向的车辆的车辆车道保持的方法以及用于控制具有电动助力转向的车辆的车辆车道保持的系统。
背景技术
车道保持辅助、车道保持支持或自动驾驶仪(下文称为LKA)是旨在帮助驾驶员将车辆保持在道路车道上的车辆功能。取决于立法和发展成熟度，引导原则可显著不同，跨度为从仅在检测到驾驶员使车辆转向时至少在合理的时间跨度内帮助驾驶员沿着车道行驶到保持转向盘并且潜在地还在不同的自主程度上是主动的，在这种情况下，驾驶员根本不需要主动。
其他记载的LKA行为是不持续地引导驾驶员而是仅在驾驶员将要漂移出车道时才引导驾驶员的功能。
如例如上文所描述的传统的LKA变型在一系列重要情况下缺乏与驾驶员的良好交互：
-驾驶员可能不总是希望在车道的中间驾驶，而是希望在车道的一侧驾驶。这样做的原因可能是例如因为车道非常宽(正如对于一些高速公路)，以及驾驶员希望通过或希望让其他人通过。这对于卡车尤为常见。重型卡车的另一个重要方面是，驾驶员可能希望使拖车而不是将牵引车辆居中(例如，由于路边薄弱)。驾驶员常常希望将车辆定位在车道中心之外的其他情况是，当车道具有驾驶员希望避开的纵向车辙时。这些车辙常常填充有水。在道路上也可能发生事故或轮胎移位。还有另一种情况是当存在道路建设时，使得驾驶员希望增加与例如障碍物的距离。
-LKA缺乏与驾驶员的交互的另一种常见情况是在驾驶员希望变换车道时。这常常使得需要在车道变换期间关闭LKA功能。
前面提到的两个LKA缺点的结果是，驾驶员无法喜欢LKA功能。
发明内容
因此，本发明的目的是分别提供一种方法和系统，通过所述方法和系统克服了一个或多个上文提到的问题和缺点。
根据本发明的一个方面，目的是分别提供一种系统和方法，所述系统和方法允许既根据来自传统LKA的信息来控制车辆以及又增加了添加驾驶员输入的能力，以便使驾驶员能够在具有保持持续控制的LKA控制期间既能够控制车道位置以及又能够变换车道——所谓的混合控制。
特别的目的是分别提供控制车辆的车辆车道轨迹的方法和系统。
这些目的分别通过下文描述的方法和系统来实现。
有利的实施例在说明书中予以讨论。
特别地，在有利的实施例中，如上文所提及的混合控制如下实现：
-车辆位置识别功能通过从车载视觉系统、车载激光雷达系统、车载雷达系统、车载远程通信系统或车载GPS系统实现的信息来识别相对于道路的实际车道的车辆位置。所实现的数据呈例如横向车道位置、航向角和车道曲率的形式。LKA功能还用于计算相对于前面提到的相对于实际车道的车辆位置的目标车辆路径。因此，可获得根据前面提到的传统LKA来控制车辆所需的目标车辆路径。
-与该车辆位置识别并行进行的是，进行驾驶员预期的车辆车道位置识别。在Birk(WO 2010144049 A1)中示出，驾驶员借助于向转向盘施加扭矩来控制车辆的横向状态。相对于上文提到的目标车辆状态，该扭矩被变换为目标横向车辆状态。
根据本发明的这个方面，利用这两个目标车辆路径，可以将这两个目标车辆路径相加以实现对车辆路径的混合控制，使得可以在在驾驶员可以在控制车道内或甚至车道外的车道位置的同时沿着车道行驶。
在详细描述中描述了另外的实施例。
将了解，在不脱离如由所附权利要求书限定的本发明范围的情况下，本发明的特征易于以任何组合方式组合。
附图说明
在下文中，将仅通过示例的方式并参考附图来进一步描述本发明，在附图中：
图1是示出用于助力车辆转向的转向系统的示意图，
图2是示出车辆状态和转向盘扭矩之间的关系的示意图，
图3是示出具有位置指示变量的道路上的车辆的示意图，以及
图4是示出用于控制横向车辆状态的控制图的示意图。
本发明还有的其他目的和特征将从结合附图考虑的以下详细描述中变得显而易见。然而，将理解，附图仅出于说明的目的而设计，并且不是作为对本发明的限制的定义，对本发明的限制的定义应参考所附权利要求书和作为整体的说明书。还应当理解，附图不一定按比例绘制，并且除非另有指示，否则它们仅旨在概念性地图示本文中所描述的结构和程序。相同的附图标记用于图示不同附图中的对应特征。
具体实施方式
图1是可以实施本发明构思的转向系统100的示意图。在车辆的助力转向系统中，在前轴负重轮127和转向盘120之间存在联动装置。该联动装置由具有相关联的拉杆125的转向齿条124组成，其经由小齿轮122连接到转向柱121。转向柱121结合有扭力杆128，扭力杆128具有用于测量由驾驶员施加的转向扭矩的扭矩传感器。辅助扭矩由转向辅助致动器致动，转向辅助致动器由辅助马达115和ECU 110组成。对转向辅助致动器中的辅助致动水平的控制由ECU中的控制系统控制。
图2是示出横坐标上的车辆状态210和纵坐标上的转向盘扭矩220之间的关系的示意图。实线230对应于车辆状态和转向盘扭矩之间的参考关系。虚线240对应于如何使用转向盘扭矩来实现车辆状态和转向盘扭矩之间的参考关系上的工作点。虚线250对应于如何使用车辆状态和转向盘扭矩之间的参考关系上的工作点来实现目标车辆状态。因此，根据本发明，转向盘扭矩可以通过前文提到的虚线240和250变换为目标车辆状态。
图3是示出与车道上或车道内的车辆位置有关的示例性位置指示变量的示意图。车辆480位于车道中，其具有起始于车道的中心线330的横向车道位置Δy 310以及与车道的中心线的切线的航向角θ320。车道的中心线330具有车道曲率κ以及相对于距当前位置的向前距离的空间车道曲率导数κ′。如以下实施例中将进一步描述的，驾驶员可以具有将车辆定位在与车道的目标中心线350相差增量(delta)横向车道位置δΔy 360的位置中的意图。
图4是示出根据本发明的对若干个控制步骤的控制方案的示意图。具有其若干个子系统的车辆480在每一时间处具有数个状态，其中状态被定义为平移或旋转位置、速度或加速度。这些状态由虚线405示意性地表示。车辆480配备有数个传感器410，用于直接或间接地测量一种或多种车辆状态。可以使用不同类型的传感器，诸如扭力杆扭矩传感器、转向盘角度传感器、车轮速度传感器、车辆偏航率传感器、车辆横向加速度传感器或车辆速度、转速传感器和车载视觉系统的集群。一种或多种车辆状态405的一个或多个感测值或测量值通过使用信号总线415传达给控制步骤，其中信号总线是可以在其上读取和/或传输信号的传输路径。为了控制车辆480，根据本发明存在两条控制路径(A和B)，即由410-420-460-470-480指示的LKA路径A和由410-440-450-460-470-480指示的驾驶员扭矩控制路径B。
LKA路径A包括相对车辆位置计算功能或装置420(例如，电子控制单元、微处理器中的软件)，其中车载视觉系统传感器信号用于计算数个车辆位置信号或车辆位置指示变量，其至少是车辆横向车道位置(车辆横向车道位置是从车辆的中心到车道的中心的距离)，并且在有利的实施例中，其是车辆航向角(车辆航向角是车辆前进的方向和车道的角度之间的角度)、车道宽度、车道的曲率和曲率导数中的一者或多者。
驾驶员扭矩控制路径B包括驾驶员扭矩计算功能或装置440，例如包括控制单元(例如，微处理器)的软件，控制单元可以被编程/制造成使得图2中的转向盘扭矩是由驾驶员经由转向盘施加的扭矩的量度。
驾驶员扭矩控制路径B还包括目标相对车辆状态计算功能、装置450(控制单元中、微型计算机中的软件)，该功能、装置是针对特定车辆速度将驾驶员扭矩变换为以下各者的数学函数：横向车辆状态；以下状态中的至少一者或以下状态中的一者或多者的线性组合；车辆偏航率或加速度、车辆横向速度或加速度、车辆曲率和车身侧滑角。除非横向车辆状态是如上文所讨论的位置，否则横向车辆状态可被进一步积分成目标相对车辆横向车道位置(如果它与横向速度成比例，则积分一次；如果它与横向加速度成比例，则积分两次)。
在加法函数或加法步骤(软件)460中，将从控制路径A的相对车辆位置计算功能420获得的车辆横向车道位置(Δ)以及从控制路径B的相对车辆位置功能450获得的目标相对车辆横向车道位置(δΔ)相加在一起，从而形成目标车辆横向车道位置。在车辆状态控制器470中使用至少目标车辆横向车道位置或在替代的有利的实施例中还使用车辆航向角、车道的曲率和曲率导数中的一者或多者来以受控的方式实现车辆480的目标横向位置。
为了便于阅读有利的实施例的描述，下面是包含在以下描述中使用的定义以及一些功能解释的部分。
定义
车载视觉系统是一种车辆位置识别功能，其通过从车载摄像头系统、车载激光雷达系统、车载雷达系统、车载远程通信系统和/或车载GPS系统获得的信息来识别相对于道路的实际车道的车辆位置，所述车载摄像头系统、车载激光雷达系统、车载雷达系统、车载远程通信系统和/或车载GPS系统也可以关联到地图数据，使得车道曲率和车道曲率导数也可以以此方式实现并且可能地实现它们的传感器融合。所实现的数据呈例如横向车道位置的形式，以及任选地呈例如以下各者中的一者或多者的形式：航向角、车道曲率和相对于距当前位置的向前距离的车道曲率空间导数。LKA功能还用于计算相对于前面提到的相对于实际车道的车辆位置的目标车辆路径。因此，可获得根据前面提到的传统LKA来控制车辆所需的目标车辆路径。可以使用具有其横向位置(例如，航向角、车道曲率和车道曲率导数中的一者或多者)的车道中心来计算目标定位矢量，该目标定位矢量由前瞻距离的各元素组成，这些元素包括至少以下各者：
-目标横向位置，其为0-作为目标的横向位置是车道的中心(横向位置0)，并且在替代实施例中，它还由以下各者中的一者或多者组成：
-目标航向角，其为0-航向角已作必要的修正，
-目标曲率，其是车道的曲率，
-目标曲率导数，其是车道相对于距当前位置的向前距离的空间曲率导数。
转向位置致动器是可以用于影响一种或多种转向致动器状态的致动器，所述转向致动器状态诸如是：后轮转向角、轮的各个转向角、轴制动扭矩或力、轮制动扭矩或力、各个轴上的驱动扭矩或力、各个轮上的驱动扭矩或力、每个轴上的外倾角、或每个轮上的外倾角。
状态被定义为平移或旋转位置、速度或加速度、或者从这些状态中的一者或多者导出的状态，诸如，例如车辆滑移角，车辆滑移角是车辆局部x轴线和车辆速度矢量之间的角度。
信号总线是可以在其上读取和/或传输信号的传输路径。
转向感由以下构造块中的至少一些的总和构造：
-横向加速度反馈扭矩，
-轮胎摩擦扭矩，
-转向系统摩擦扭矩，
-阻尼扭矩，以及
-回正性扭矩。
横向加速度反馈扭矩是驾驶员感觉到的对应于车辆的横向加速度的扭矩。
轮胎摩擦扭矩是轮胎和道路之间的摩擦或该摩擦的模型。
转向系统摩擦或摩擦扭矩是转向系统的联动装置的各部分的摩擦或该摩擦的模型。
阻尼扭矩由于轮胎和转向系统的阻尼或该阻尼的模型而发生。
回正性扭矩来自转向系统的几何形状或转向系统的模型。
这些扭矩贡献可以取决于车辆速度。扭矩贡献也可以经由数学模型来计算或者经由车辆或转向系统中的传感器来感测。
补偿扭矩是以下各者中的一者或者是以下各者中的一者或多者的总和：上文提到的轮胎摩擦扭矩、摩擦扭矩、阻尼扭矩和回正性扭矩。根据不同扭矩部分的数学模型来计算补偿扭矩的各部分。
根据自行车模型来计算横向加速度扭矩，该自行车模型使用车辆速度和转向角作为输入并给出横向加速度作为输出。横向加速度反馈是根据车辆模型计算的横向加速度的函数。
轮胎摩擦扭矩的数学模型是角度或角速度驱动的滞后的模型。轮胎的数学模型还包含弛豫部分，使得随着轮胎滚动，滞后的扭矩将具有弛豫长度，从而使得滞后扭矩随着轮胎的滚动长度而减小。弛豫可以优选地是众所周知的半衰期指数衰减函数。轮胎摩擦的模型是滞后和弛豫的组合，使得例如可以存在与由于弛豫造成的扭矩减小同时发生的由于滞后扭矩造成的增加。于是，模型的所得扭矩是这两个部分的总和。
摩擦扭矩的数学模型是角度或角速度驱动的滞后的模型。滞后中的最大扭矩可以通过函数成形，使得最大扭矩在中心上与偏心相比是不同的。
阻尼扭矩的数学模型由阻尼常数乘以角速度或平移速度(诸如例如，在负重轮和转向盘之间的联动装置中的某处测得的齿条速度)组成。阻尼常数可以使得阻尼具有泄放性(blow-off)，使得阻尼常数针对大的角速度或平移速度减小。阻尼常数可以是取决于车辆速度的，以及与向内转向相比，对于向外转向来说可以不同。阻尼常数也可以是转向盘扭矩或扭力杆扭矩的函数。
回正性扭矩是取决于车辆速度和取决于转向盘角度的扭矩。
驾驶员扭矩是用如上文所讨论的补偿扭矩补偿的扭力杆扭矩。
可控制性描述了外部输入在有限的时间间隔内将系统内部状态从任何初始状态移动到任何其他最终状态的能力。
车辆状态控制器在此被定义为用于以受控的方式实现车辆中的目标状态的动态函数。
PID控制器是比例积分微分控制器，它是广泛用于工业控制系统以及需要持续调制控制的各种其他应用中的控制回路反馈机构。PID控制器持续计算误差值e(t)作为目标值和测得的过程值之间的差，并且基于比例、积分和微分项(分别表示为P、I和D)应用校正，这些项将它们的名称给予控制器。实际上，它将准确的和响应式校正自动地应用于控制函数。日常示例是道路车辆上的巡航控制；其中诸如坡度之类的外部影响将导致速度变化，并且驾驶员具有更改期望的设定速度的能力。PID算法通过控制车辆发动机的功率输出将实际速度恢复到期望值。PID控制器(PID控制器的I部分)有时会遭受积分饱和。
积分饱和(也称为积分器饱和或重置饱和)是指PID反馈控制器中的如下情况：其中目标值发生大的变化(比如正的变化)，并且积分项在上升(饱和)期间积累显著的误差，因此进行超调并且随着该积累的误差被消除(沿另一方向被误差抵消)而继续增加。特定问题是过多的超调。
抗饱和是针对积分饱和问题的一组解决方案的项。这个问题可以通过以下方式解决：
-将控制器积分初始化为期望值，例如初始化为问题之前的值。
-以适当的斜率增加目标值。
-禁用积分函数，直到要控制的过程变量已进入可控制的区域为止。
-防止积分项在预定界限之上或之下积累。
-反算积分项，以将过程输出约束在可行界限内。
车辆状态致动器是当被致动时影响一种或若干种车辆状态的致动器。车辆状态致动器的示例是制动器、发动机、可控制的四轮驱动离合器、可控制的差速器、有源阻尼器、电动或液压轮马达以及电动或液压驱动的轴。
致动器是由ECU操作并将能量源(通常是电流、液压流体压力或气动压力)转换成运动、力或扭矩的机构或系统。
目标值、参考值或请求是致动器的设定点，其要么通过使用闭环控制器和/或要么通过前馈控制器来实现。
车辆模型是将负重轮角度和车辆速度变换为数个车辆偏航和/或横向状态(例如，车辆偏航率和加速度、车辆横向速度和加速度、车辆曲率和车身侧滑角)的数学模型。
变换被定义为数学函数或查找表，其中一个输入值用于产生一个输出值。这意味着，可以使用具有其可调谐参数的变换来产生具有任意可调谐形状的输入值和输出值之间的关系。变换可以具有甚至取决于其他值(所谓的增益调度)的时变参数，使得变换是具有自身为函数的参数的函数。这种变换的示例是车辆状态与驾驶员扭矩的关系，其中该关系是取决于车辆速度的持续上升、递减形状的函数。
传递函数是系统的输出与所述系统的输入在拉普拉斯域中的关系，考虑到其初始条件，其具有变量s。以单输入单输出系统作为示例，如果我们具有输入函数X(s)和输出函数Y(s)，则传递函数G(s)在此被定义为Y(s)/X(s)。
转向盘扭矩测量结果是在转向柱或转向盘中测得的扭矩或在转向齿条中测得的力乘以转向齿条和转向盘之间的扭矩比。
转向盘角度在此是指转向盘和负重轮之间的任何角度乘以角自由度和转向盘角自由度之间的比。它也可以是齿条位置乘以其齿条平移自由度和转向盘角自由度之间的比。
拖车装置被定义为乘用车拖车或大篷车，或用于重型卡车的全拖车，其由前轴和后轴支撑并由牵引杆、半拖车或具有半拖车的台车拉动。
转向角在此是针对一个轮示出的，但如果轮以不同方式转向，如在例如阿克曼转向系统中的情况，则转向角被定义为两个轮的角度的平均值。
自然坐标系或自然坐标是表示方向的另一种方式。它基于感兴趣的物体(车辆)的相对运动而不是固定的坐标平面(x,y)。单位矢量(t,n)是：
-t被定向成在每个点处平行于水平速度，
-n被定向成垂直于水平速度并且正向地指向左侧。
根据本发明的一个方面，如早前也在本申请中所提及的，目的是既根据来自传统LKA的信息来控制车辆以及增加添加驾驶员输入的能力，以便使驾驶员能够在具有保持持续控制的LKA控制期间既控制车道位置以及又能够变换车道——所谓的混合控制。
在第一有利的实施例中，通过根据图4的一系列步骤来实现这种混合控制：
在控制路径A中，采取以下方法步骤：
在相对车辆位置计算功能(也称为装置)420中，根据以上的定义，来自车载视觉系统的传感器信号用于：
-计算车道的中心相对于车辆的横向位置。
-计算车道相对于车辆的航向角。
-计算车道的曲率。
-计算相对于距当前位置的向前距离的空间车道曲率导数。
-针对车辆前方的距离(前瞻距离)测量和/或计算车辆状态的这四个量度，即横向位置、航向角、车道曲率和车道曲率导数。
-车道的中心及其航向角、车道曲率和车道曲率导数代表目标车辆状态。
在相对车辆位置计算功能420中的相对车辆位置计算之后，目标值对于在车辆将被控制到车道的中心时的情况来说是已知的。相对车辆位置计算功能420的输出在此是目标定位矢量，该目标定位矢量由前瞻距离的各元素组成，这些元素包括至少以下各者：
-目标横向位置。在替代实施例中，它也由以下各者中的一者或多者组成：
-目标航向角，
-目标曲率，
-目标曲率导数。
在控制路径B中，采取以下方法步骤：
在驾驶员扭矩计算功能(也称为装置)440中，根据以上的定义，来自转向系统的传感器信号用于：
-计算由驾驶员施加的扭矩(驾驶员扭矩)，其本身指示驾驶员意图。在一个实施例中，该驾驶员扭矩是扭力杆扭矩信号。
-在替代实施例中，驾驶员扭矩是用如上文所定义的补偿扭矩补偿的扭力杆扭矩。
在目标相对车辆状态计算功能(也称为装置)450中，在目标相对车辆状态计算中根据以上定义，驾驶员扭矩用于：
-将驾驶员扭矩变换为目标增量车辆状态(例如，δΔy；参见图3)，可能地在取决于变量(速度或加速度，见上文)的一次或两次积分之后。注意，在驾驶员扭矩到目标增量车辆状态的这种变换中，驾驶员扭矩中的阈值是有益的，并且可用在一些实施方式中以便不将小的驾驶员扭矩或噪声变换为目标增量车辆状态。
-在驾驶员扭矩变换的第一示例中，该目标增量车辆状态是相对于在上文的相对车辆位置计算功能420中计算的目标轨迹的增量横向速度，或者换句话说，是在相对车辆位置计算420中计算的目标轨迹的自然坐标中的增量横向车辆速度。
-在驾驶员扭矩变换的第二示例中，该目标增量车辆状态是相对于在上文的相对车辆位置计算功能420中计算的目标轨迹的增量横向加速度，或者换句话说，是在相对车辆位置计算功能420中计算的目标轨迹的自然坐标中的增量横向车辆加速度。
-在驾驶员扭矩变换的第三示例中，该目标增量车辆状态是车辆滑移角，其本质上与第一驾驶员扭矩变换中的情况相同，除了滑移角是横向速度除以车辆速度之外。
-在驾驶员扭矩变换的第四示例中，该目标增量车辆状态是曲率，其本质上与第二驾驶员扭矩变换中的情况相同，除了曲率是横向加速度除以车辆速度的平方之外。
-在驾驶员扭矩变换的第五示例中，该目标增量车辆状态是偏航率，其本质上与第二驾驶员扭矩变换中的情况相同，除了偏航率是横向加速度除以车辆速度之外。
-在驾驶员扭矩变换的第六示例中，该目标增量车辆状态是相对横向位置。
-目标增量车辆状态的积分使得所得车辆状态将是目标增量横向位置，其中目标增量横向位置是与如在相对车辆位置计算功能420中计算的横向位置的相对距离。
-在第一实施方式中，第一目标增量车辆状态是增量横向速度，该增量横向速度然后在目标相对车辆状态计算功能450的积分函数中被积分一次以实现目标增量横向位置。
-在第二实施方式中，目标增量车辆状态是增量横向加速度，该增量横向加速度然后在目标相对车辆状态计算功能450的积分函数中被积分两次以实现目标增量横向位置。
-在第三实施方式中，增量车辆状态是增量横向车辆滑移，并且该增量横向车辆滑移乘以车辆速度在目标相对车辆状态计算功能450的积分函数中被积分一次以实现目标增量横向位置。
-在第四实施方式中，目标增量车辆状态是增量曲率，并且该增量曲率乘以车辆速度的平方在目标相对车辆状态计算功能450的积分函数中被积分两次以实现目标增量横向位置。
-在第五实施例中，目标增量车辆状态是增量偏航率，并且该增量偏航率乘以车辆速度在目标相对车辆状态计算功能450的积分函数中被积分两次以实现目标增量横向位置。
-在第六实施例中，目标增量车辆状态是相对横向位置。然后，不需要进行积分来实现目标增量横向位置。
-最后，目标增量横向位置可以是上文的六个目标增量横向位置中的任何多者中的两者或更多者的线性组合。
特别注意，在第六目标增量车辆状态下，呈驾驶员扭矩形式的驾驶员意图被直接变换为目标增量横向位置。这意味着，在该特定实施例中，不存在积分，并且因此在相对于车道的中心来定位车辆中不存在“记忆”，并且因此车辆的定位由驾驶员扭矩直接实现。因此，在该示例中，存在驾驶员相对于目标车辆状态转向的可能性。
在两个控制路径A和B之后，存在在加法函数或加法步骤460中执行的加法，其中目标横向位置(例如，Δy，参见图3)和目标增量横向位置(例如，δΔy，参见图3)一起被加到混合控制目标横向位置中。目标定位矢量的其他位置(此处)保持不变，并且加法460中的加法的输出是混合控制目标定位矢量，该混合控制目标定位矢量由前瞻距离的各元素组成，这些元素包括至少以下各者：
-混合控制目标横向位置。在替代实施例中，它也由以下各者中的一者或多者组成：
-目标航向角，
-目标曲率，
-目标曲率导数。
在车辆状态控制器470中，以以下方法步骤中控制车辆路径：
-计算目标偏航和/或横向车辆状态。
-朝向该目标偏航和/或横向车辆状态来控制车辆致动器。
在包括计算目标偏航和/或横向车辆状态的第一方法步骤470的第一实施例中，前馈控制器和一个或两个反馈控制器中的至少一者可以以任何组合被用于计算目标车辆状态(例如，目标车辆横向加速度)作为分别来自所使用的前馈控制器和/或反馈控制器的目标车辆状态的总和。
在第一实施例中，为了计算包括前馈曲率的目标偏航和/或横向车辆状态，使用前馈控制器来计算目标横向加速度。通过首先计算距离的曲率函数来进行该计算，该距离的曲率函数是曲率和相对于距当前位置的向前距离的空间曲率导数乘以感兴趣的前瞻帧中的距离的总和。利用车辆速度，该函数被转换成时间的函数而不是距离的函数。前馈目标横向加速度是距离的曲率函数乘以车辆速度的平方。
在包括使用一个或多个反馈控制器的实施例中，代替前馈控制器、除了前馈控制器之外，反馈控制器可包括关于横向位置误差的一个控制器(例如，PID控制器)和/或关于航向角误差的控制器(例如，PID控制器)。为了具有平稳的控制，这些控制器可以优选地具有抗饱和。此外，它们可以具有关于车辆速度的增益调度，以便产生关于车辆速度的相同稳定裕度。
应清楚的是，上文讨论的前馈控制器和反馈控制器可以以任何组合和任何数量使用。一般来说，如果存在更多的控制器(例如，如上文提到的起作用的一个前馈控制器和两个反馈控制器)，则性能将会更好。
除了前文提到的目标车辆横向加速度之外，其他可能的目标前馈和反馈车辆状态是曲率、负重轮角度、转向盘角度、车辆横向速度、车辆滑移角和车辆偏航率或其线性组合，或者换句话说，目标可以推广到目标偏航和/或横向车辆状态。
在计算目标偏航和/或横向车辆状态的第二实施例中，当前定位矢量和未来混合控制目标定位矢量之间的轨迹呈多项式的形式。起点可以通过其y坐标、其航向角和其曲率来描述。目标点可以通过其x坐标、其航向角和其曲率来描述。六阶多项式将拟合到这种边界条件。根据这种多项式，可以计算目标偏航和/或横向车辆状态，并且因此只要目标偏航和/或横向车辆状态控制实现了其目标，就将实现路径。
在计算目标偏航和/或横向车辆状态的第三实施例中，当前定位矢量和未来混合控制目标定位矢量之间的轨迹呈二次代数样条的形式。起点可以再次通过其y坐标、其航向角和其曲率来描述。目标点可以通过其x坐标、其航向角和其曲率来描述。二次代数样条将利用其三个点坐标拟合到这种边界条件。根据这种二次代数样条，可以计算目标偏航和/或横向车辆状态，并且再次，只要目标偏航和/或横向车辆状态控制实现了其目标，就将实现路径。
从这三个实施例中，可以看出，在混合控制目标定位矢量和目标偏航和/或横向车辆状态之间可以存在传递函数的一般形式。
在用于计算目标偏航和/或横向车辆状态的步骤470的第二方法步骤的第一实施例中，该第二方法步骤包括朝向该目标偏航和/或横向车辆状态控制车辆致动器，目标偏航和/或横向车辆状态时间函数通过逆向车辆模型馈送。这意味着，理想地，通过车辆速度和车辆模型，目标车辆致动器状态将会使得车辆路径将遵循目标车辆路径。
在仅前轮转向的情况下，目标车辆致动器状态是前轮角度。在车辆480的典型的前转向齿轮中通过负重轮角度界面或转向盘角度界面乘以与负重轮的比来控制该角度。
在前轮和后轮转向的情况下，目标车辆致动器状态是前轮角度和后轮角度。在车辆480的典型的前转向齿轮和后转向齿轮中利用负重轮角度界面或转向盘角度界面乘以与负重轮以及后轮角度界面的比来控制这些角度。
在控制路径B的替代实施方式中，目标相对车辆状态计算应具有函数的加法以实现目标增量横向位置，使得例如可以使拖车而不是牵引车辆在车道上居中。根据道路的曲率和车辆组合的车辆模型，对于本领域技术人员来说众所周知的是，计算待进一步被加到原始目标增量横向位置的这种目标增量横向位置。
在控制路径A和B的其他替代实施方式中，驾驶员扭矩可以用于计算相对于道路路径的驾驶员预期的航向角，即相对于道路的自然坐标的航向角。当该航向角以预定义的向前距离指向邻近车道时，假定驾驶员指示车辆应变换车道。因此，横向位置将改变为新目标车道的横向位置。能够指示车道将改变的这种可能性应优选地伴随驾驶员推动方向指示器，并且否则被忽略。在车道变换时目标增量横向位置(如果有的话)应被清空(设定为零)。当发生车道变换时，目标横向位置的过渡可以此外通过在指定的可调谐时间内斜升到新的值而变得更加平滑。
利用这两个目标车辆路径(控制路径A和控制路径B、替代方案的所有组合)，根据本发明的这个方面，可以将这两个目标车辆路径相加以实现对车辆路径的混合控制，使得可以在在驾驶员控制车道内或甚至车道外的车道位置的同时沿着车道行驶。
应清楚的是，本发明并不限于特别图示的实施例，而是本发明可以在所附权利要求书的范围内以许多种方式改变。

Claims (40)

1.一种用于控制用于车辆(480)的车辆车道保持的方法，所述车辆包括借助于带有转向辅助致动器的转向系统(100)的电动助力转向，和一个或多个可控制的车辆状态致动器，并且包括车载视觉系统，所述方法结合有以下步骤：
-借助所述车载视觉系统，使用一个或多个传感器(410)来测量表示一种或多种车辆状态的至少一个车辆位置输入信号，
-在相对车辆位置计算功能或装置(420)中，根据测得的所述至少一个车辆位置输入信号来确定相对车辆车道位置，所述相对车辆车道位置呈以下形式：车辆横向车道位置、车辆航向角、车道曲率和/或车道曲率导数，
-在所述相对车辆位置计算功能或装置(420)中，计算由以下目标值中的一者或多者组成的目标定位矢量：目标横向位置、目标航向角、目标曲率和目标曲率导数，
-借助传感器测量至少一个转向输入信号，
-在驾驶员扭矩计算功能或装置(440)中，根据测得的所述至少一个转向输入信号来确定由所述驾驶员经由转向盘(120)施加的扭矩值，
其特征在于，
所述方法还包括以下步骤：
-在目标相对车辆状态计算装置或功能(450)中，将由所述驾驶员施加的所述扭矩值变换为相对于前面提到的目标定位矢量的目标增量定位矢量，
-将所述目标定位矢量和所述目标增量定位矢量相加(460)在一起，
-使用从所述相加(460)产生的混合控制目标定位矢量作为至一个或多个控制器的参考信号，以用于控制(470)所述一个或多个车辆状态致动器。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
所述目标相对车辆状态计算功能(450)包含针对拖车的横向位置的计算和减去附加目标增量横向位置，使得定位在所述车道中的是所述拖车而不是牵引车辆。
3.根据权利要求2所述的方法，
其特征在于，
由所述驾驶员施加的所述扭矩值被变换并积分为相对于道路路径的驾驶员预期的航向角，并且当相对于所述道路路径的这个驾驶员预期的航向角以预定义的取决于速度的向前距离指向邻近车道时，假定所述驾驶员指示所述车辆应改变车道，并且所述目标增量横向位置改变为目标车道的所述目标增量横向位置，由此所述车辆将变换车道并保持到新的目标车道。
4.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
-所述目标定位矢量的以下目标值中的所述一者或多者是曲率：目标横向位置、目标航向角、目标曲率和目标曲率导数，并且
-所述目标增量定位矢量的所述一个或多个矢量元素是曲率，使得当将所述目标定位矢量与所述目标增量定位矢量相加在一起时，结果将是混合控制目标定位矢量和围绕道路的自然坐标的转向感扭矩累积。
5.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
所述方法包括在所述驾驶员扭矩计算功能或装置(440)中使用来自所述转向系统的所述传感器信号以用于计算由所述车辆(480)的驾驶员施加的扭矩。
6.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
所述目标增量定位矢量是相对横向位置，并且在于，所述方法包括以下步骤：在所述目标相对车辆状态计算装置或功能(450)中，将所述驾驶员扭矩变换为相对横向位置。
7.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
所述目标增量定位矢量是相对于在所述相对车辆位置计算功能或装置(420)中计算的目标轨迹的增量横向速度，并且在于，所述方法包括以下步骤：在所述目标相对车辆状态计算装置或功能(450)中，将所述驾驶员扭矩变换为相对横向位置，在积分函数中对所述增量横向速度进行一次积分，以提供形成所述目标增量定位矢量的增量横向位置。
8.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
所述目标增量定位矢量是相对于在所述相对车辆位置计算功能或装置(420)中计算的目标轨迹的增量横向加速度，并且在于，所述方法包括以下步骤：在所述目标相对车辆状态计算装置或功能(450)中，将所述驾驶员扭矩变换为相对横向位置，在积分函数中对所述增量横向加速度进行两次积分，以提供形成所述目标增量定位矢量的增量横向位置。
9.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
所述目标增量定位矢量是相对于在所述相对车辆位置计算功能或装置(420)中计算的目标轨迹的增量横向车辆滑移角，并且在于，所述方法包括以下步骤：在所述目标相对车辆状态计算装置或功能(450)中，将所述驾驶员扭矩变换为相对横向位置，在积分函数中对所述增量横向车辆滑移角乘以所述车辆速度进行一次积分，以提供形成所述目标增量定位矢量的增量横向位置。
10.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
所述目标增量定位矢量是相对于在所述相对车辆位置计算功能或装置(420)中计算的目标轨迹的增量曲率，并且在于，所述方法包括以下步骤：在所述目标相对车辆状态计算装置或功能(450)中，将所述驾驶员扭矩变换为相对横向位置，在积分函数中对所述增量曲率乘以所述车辆速度的平方进行两次积分，以提供形成所述目标增量定位矢量的增量横向位置。
11.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
所述目标增量定位矢量是相对于在所述相对车辆位置计算功能或装置(420)中计算的目标轨迹的增量偏航率，并且在于，所述方法包括以下步骤：在所述目标相对车辆状态计算装置或功能(450)中，将所述驾驶员扭矩变换为相对横向位置，在积分函数中对所述增量偏航率乘以所述车辆速度进行积分以提供形成所述目标增量定位矢量的增量横向位置。
12.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
所述目标增量定位矢量是增量横向位置、增量横向速度、增量横向加速度、增量横向车辆滑移角、增量曲率和增量偏航率或其多者的线性组合。
13.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
在将所述驾驶员扭矩变换为相对横向位置的所述目标相对车辆状态计算装置或功能(450)中，将阈值用于所述驾驶员扭矩，从而仅允许将超过所述阈值的驾驶员扭矩变换为目标增量车辆状态。
14.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
从所述相加(460)产生的所述混合控制目标定位矢量至少包括混合控制目标横向位置。
15.根据权利要求14所述的方法，
其特征在于，
从所述相加(460)产生的所述混合控制目标定位矢量还包括目标航向角、目标曲率和目标曲率导数中的一者或多者。
16.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
它包括以下步骤：在所述车辆状态控制器中，
-计算目标偏航和/或横向车辆状态；
-朝向所述目标偏航和/或横向状态来控制所述车辆致动器。
17.根据权利要求16所述的方法，
其特征在于，
计算目标偏航和/或横向车辆状态的步骤包括使用前馈控制器和/或一个或两个反馈控制器中的至少一者。
18.根据权利要求16所述的方法，
其特征在于，
计算目标偏航和/或横向车辆状态的步骤包括使用描述当前定位矢量和未来混合控制定位矢量之间的轨迹的六阶多项式或二次代数样条，起点由其y坐标、其航向角和其曲率描述，目标点由其x坐标、其航向角和其曲率描述。
19.根据权利要求5所述的方法，
其特征在于，
所述扭矩为扭力杆扭矩信号或用补偿扭矩补偿的扭力杆扭矩。
20.根据权利要求17所述的方法，
其特征在于，
所述横向车辆状态是目标车辆横向加速度、曲率、负重轮角度、转向盘角度、车辆横向速度、车辆滑移角、车辆偏航率或其多者的任何线性组合。
21.根据权利要求17所述的方法，
其特征在于，
所述反馈控制器是一个或多个PID控制器。
22.一种用于控制车辆的车辆车道保持的系统，所述车辆带有具有转向辅助致动器的转向系统(100)，和一个或多个可控制的车辆状态致动器，包括车载视觉系统，包括：一个或多个传感器(410)，其用于借助所述车载视觉系统来测量表示一种或多种车辆状态的至少一个车辆位置输入信号；相对车辆位置计算功能或装置(420)，其适于根据测得的所述至少一个车辆位置输入信号来确定相对车辆车道位置，所述相对车辆车道位置呈以下形式：车辆横向车道位置、车辆航向角、车道曲率和/或车道曲率导数，以及适于计算由以下目标值中的一者或多者组成的目标定位矢量：目标横向位置、目标航向角、目标曲率和目标曲率导数；用于借助传感器来测量至少一个转向输入信号的装置；驾驶员扭矩计算功能或装置(440)，其用于根据测得的所述至少一个转向输入信号来确定由所述驾驶员经由转向盘(120)施加的扭矩值，
其特征在于，
它还包括：目标相对车辆状态计算装置或功能(450)，其用于将由所述驾驶员施加的所述扭矩值变换为相对于前面提到的目标定位矢量的目标增量定位矢量，
加法装置，其适于将所述目标定位矢量和所述目标增量定位矢量相加在一起，以及车辆状态控制装置，其用于使用从所述加法装置中的相加产生的混合控制目标定位矢量作为至一个或多个控制器的参考信号以用于控制(470)所述一个或多个车辆状态致动器。
23.根据权利要求22所述的系统，
其特征在于，
在所述驾驶员扭矩计算功能或装置(440)中，使用来自所述转向系统的所述传感器信号以用于计算由所述车辆(480)的驾驶员施加的扭矩。
24.根据权利要求22或23所述的系统，
其特征在于，所述目标增量定位矢量是相对横向位置，并且在于，所述目标相对车辆状态计算装置或功能(450)适于将所述驾驶员扭矩变换为相对横向位置。
25.根据权利要求22或23所述的系统，
其特征在于，
所述目标增量定位矢量是相对于在所述相对车辆位置计算功能或装置(420)中计算的目标轨迹的增量横向速度，并且在于，所述目标相对车辆状态计算装置或功能(450)适于将所述驾驶员扭矩变换为相对横向位置，并且还包括积分函数，所述积分函数适于对所述增量横向速度进行一次积分，以提供形成所述目标增量定位矢量的增量横向位置。
26.根据权利要求22或23所述的系统，
其特征在于，
所述目标增量定位矢量是相对于在所述相对车辆位置计算功能或装置(420)中计算的目标轨迹的增量横向加速度，并且在于，所述目标相对车辆状态计算装置或功能(450)适于将所述驾驶员扭矩变换为相对横向位置，并且还包括积分函数，所述积分函数适于对所述增量横向加速度进行两次积分，以提供形成所述目标增量定位矢量的增量横向位置。
27.根据权利要求22或23所述的系统，
其特征在于，
所述目标增量定位矢量是相对于在所述相对车辆位置计算功能或装置(420)中计算的目标轨迹的增量横向车辆滑移角，并且在于，所述目标相对车辆状态计算装置或功能(450)适于将所述驾驶员扭矩变换为相对横向位置，并且还包括积分函数，所述积分函数适于对所述增量横向车辆滑移角乘以所述车辆速度进行一次积分，以提供形成所述目标增量定位矢量的增量横向位置。
28.根据权利要求22或23所述的系统，其特征在于，
所述目标增量定位矢量是相对于在所述相对车辆位置计算功能或装置(420)中计算的目标轨迹的增量曲率，并且在于，所述目标相对车辆状态计算装置或功能(450)适于将所述驾驶员扭矩变换为相对横向位置，并且还包括积分函数，所述积分函数适于对所述增量曲率乘以所述车辆速度的平方进行两次积分，以提供形成所述目标增量定位矢量的增量横向位置。
29.根据权利要求22或23所述的系统，
其特征在于，
所述目标增量定位矢量是相对于在所述相对车辆位置计算功能或装置(420)中计算的目标轨迹的增量偏航率，并且在于，所述目标相对车辆状态计算装置或功能(450)适于将所述驾驶员扭矩变换为相对横向位置，并且还包括积分函数，所述积分函数适于对所述增量偏航率乘以所述车辆速度进行积分，以提供形成所述目标增量定位矢量的增量横向位置。
30.根据权利要求22或23所述的系统，
其特征在于，
所述目标增量定位矢量是增量横向位置、增量横向速度、增量横向加速度、增量横向车辆滑移角、增量曲率、增量偏航率或其多者的线性组合。
31.根据权利要求22或23所述的系统，
其特征在于，
在将所述驾驶员扭矩变换为相对横向位置的所述目标相对车辆状态计算装置或功能(450)中，将阈值用于所述驾驶员扭矩，从而仅允许将超过所述阈值的驾驶员扭矩变换为目标增量车辆状态。
32.根据权利要求22或23所述的系统，
其特征在于，
从所述相加(460)产生的所述混合控制目标定位矢量至少包括混合控制目标横向位置。
33.根据权利要求32所述的系统，
其特征在于，
从所述相加(460)产生的所述混合控制目标定位矢量还包括目标航向角、目标曲率和目标曲率导数中的一者或多者。
34.根据权利要求22或23所述的系统，
其特征在于，
所述车辆状态控制器适于计算目标偏航和/或横向车辆状态以及朝向所述目标偏航和/或横向车辆状态来控制所述车辆致动器。
35.根据权利要求34所述的系统，
其特征在于，
为了计算所述目标偏航和/或横向车辆状态，所述车辆状态控制器布置成使用前馈控制器和/或一个或两个反馈控制器中的至少一者。
36.根据权利要求34所述的系统，
其特征在于，
为了计算所述目标偏航和/或横向车辆状态，所述车辆状态控制器布置成使用描述当前定位矢量和未来混合控制定位矢量之间的轨迹的六阶多项式或二次代数样条，起点由其y坐标、其航向角和其曲率描述，目标点由其x坐标、其航向角和其曲率描述。
37.根据权利要求23所述的系统，
其特征在于，
所述扭矩为扭力杆扭矩信号或用补偿扭矩补偿的扭力杆扭矩。
38.根据权利要求35所述的系统，
其特征在于，
所述横向车辆状态是目标车辆横向加速度、曲率、负重轮角度、转向盘角度、车辆横向速度、车辆滑移角、车辆偏航率或其多者的任何线性组合。
39.根据权利要求35所述的系统，
其特征在于，
所述反馈控制器是一个或多个PID控制器。
40.根据权利要求36所述的系统，
其特征在于，
所述横向车辆状态是目标车辆横向加速度、曲率、负重轮角度、转向盘角度、车辆横向速度、车辆滑移角、车辆偏航率或其多者的任何线性组合。
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