CN113044030A - 一种汽车智能自适应巡航控制系统及其控制方法 - Google Patents

一种汽车智能自适应巡航控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种汽车智能自适应巡航控制系统，包括摄像头模块、高精度地图和定位模块、巡航控制模块、执行模块，巡航控制模块分别与高精度地图和定位模块、摄像头模块以及执行模块相连；摄像头模块将获得的车辆和车道线信息发送至高精度地图和定位模块用于匹配车辆在高精度地图中的精确位置，并将车辆前方车道及限速信息发给巡航控制模块；执行模块包括电子助力转向系统、车身稳定系统、发动机控制系统和变速箱控制系统，巡航控制模块计算出车辆减速时刻与目标减速度，并将目标减速度发送给车身电子稳定系统，计算出车辆目标转矩，发送给电子助力转向系统。本发明提前获得前方一定距离范围内的道路情况，使车辆能以安全车速顺利通过弯道。

Description

一种汽车智能自适应巡航控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及汽车电子智能技术领域，具体的说，涉及一种汽车智能自适应巡航控制系统，同时公开了其控制方法。
背景技术
近年来，随着先进智能驾驶辅助系统(ADAS)的不断普及，ADAS的搭载率也越来越高，ACC(自适应巡航系统)作为ADAS的重要组成部分，已普遍被应用到汽车驾驶辅助系统中，因其具有改善车辆行驶安全性、驾驶舒适性而受到越来越多汽车消费者的青睐。
现有的ACC系统多是基于毫米波雷达或者摄像头实现，通过毫米波雷达或摄像头探测前方的车辆或障碍物，控制车辆按照驾驶员设定的车速或者设定的与前车的跟车时距进行控制行驶。由于毫米波雷达或摄像头探测距离及探测视野的局限性，系统只能应对直道或者曲率半径大于250m的弯道。当车辆经过弯道时，毫米波雷达通过车辆的横摆角传感器才能知道车辆当前所处的弯道曲率；而摄像头虽然能探测前方150m左右，但若弯道过大，系统也没有足够的时间进行减速控制而顺利通过弯道，且毫米波雷达和摄像头对弯道曲率的探测存在一定的误差。所以普通的ACC系统不能应对所以的道路情况，对于曲率半径大于250m的弯道，需要驾驶员接管控制。
为此，本发明专利提出一种基于高精度地图和定位的智能ACC系统，该智能ACC系统能够应对各种弯道情况，智能控制车辆加减速通过弯道。
发明内容
本发明为了克服现有技术的缺陷，提供了一种汽车智能自适应巡航控制系统，同时公开了其控制方法。
为了实现本发明的目的，本发明采用如下技术方案：
一种汽车智能自适应巡航控制系统，包括摄像头模块、高精度地图和定位模块、巡航控制模块、执行模块，所述巡航控制模块分别与高精度地图和定位模块、摄像头模块以及执行模块相连；所述摄像头模块用于探测前方道路情况，以获得车辆前方一定距离内的车辆及车道线信息，并将获得的车辆和车道线信息发送至高精度地图和定位模块，高精度地图和定位模块根据其确定的车辆定位信息，匹配车辆在高精度地图中的精确位置，并将车辆前方2km范围内的车道信息以及限速信息发给巡航控制模块；所述执行模块包括电子助力转向系统、车身稳定系统、发动机控制系统和变速箱控制系统，巡航控制模块根据摄像头识别的前方车辆和车道线信息以及高精度地图模块输入的前方车辆及车道线信息，结合驾驶员设定的巡航车速及跟车时距，确定车辆目标车速，并根据确定的目标车速并结合车辆当前车速以及与弯道起始位置的距离，计算出车辆减速时刻与目标减速度，并将目标减速度发送给车身电子稳定系统，计算出车辆目标转矩，发送给电子助力转向系统。
所述高精度地图和定位模块包括高精度定位系统和高精度地图数据包；所述高精度定位系统根据人造地球卫星信号，融合摄像头识别的车道线信息，并利用载波相位差分技术，以实时得到精准的车辆定位信息；所述高精度地图数据包包含道路级别的车道信息，车道信息包括道路的曲率、道路类型、道路坡度、道路车道线以及道路限速信息。
一种汽车智能自适应巡航控制系统的控制方法，包括如下步骤：
S1.驾驶员设定巡航速度及跟车距离，并激活自适应巡航控制开关后，巡航开始；
S2.摄像头模块探测前方道路情况，获得车辆前方一定距离内的车辆及车道线信息，并将获得的车辆和车道线信息发送至高精度地图和定位模块；
S3.高精度地图和定位模块根据其确定的车辆定位信息，匹配车辆在高精度地图中的精确位置，并将车辆前方一定范围内的车道信息以及限速信息发给巡航控制模块；
S4.巡航控制模块根据摄像头识别的前方车辆和车道线信息以及高精度地图模块输入的前方车辆及车道线信息，结合驾驶员设定的巡航车速及跟车时距，确定车辆目标车速，并根据确定的目标车速并结合车辆当前车速以及与弯道起始位置的距离，计算出车辆减速时刻与目标减速度，并将目标减速度发送给车身电子稳定系统，计算出车辆目标转矩，发送给电子助力转向系统；车身电子稳定系统根据目标减速度对车辆进行减速制动，电子助力转向系统根据目标转矩控制车辆保持在当前车道内行驶；当车辆通过弯道后，系统根据驾驶员设定的巡航车速、道路前方车辆信息、道路信息等条件判断需要加速时，巡航控制系统发送目标加速度请求给车身稳定系统，车身稳定系统根据目标加速度，将扭矩请求发送给发动机管理系统，发动机管理系统根据扭矩请求对车辆进行加速控制。
在所述步骤S4中，车辆目标车速为根据道路限速信息和驾驶员设定的巡航车速确定目标车速的较低值。
当目标车速大于20m/s时，系统控制车辆的最大的加/减速度小于2m/s2，加/减速度变化率小于2.5m/m3,当车速小于5m/s时，系统控制车辆的最大的加/减速度小于4m/s2，加/减速度变化率小于4.5m/m3。
当未获取到道路限速信息，巡航控制模块会根据道路曲率、道路类型、道路坡度计算出安全车速，所计算出的安全车速与驾驶员设定的巡航车速进行对比，取两者中的较低值作为目标车速。
当道路没有限速信息时，车辆不发生侧滑的安全车速：
Figure BDA0002989161570000031
Figure BDA0002989161570000032
其中，μ0为车辆与地面的间的静摩擦系数；R为道路曲率半径；m为汽车质量；
不发生侧翻的安全车速，
Figure BDA0002989161570000033
其中，F'为惯性离心力，L为车辆宽度，R为弯道曲率半径，hg为车辆质心的高度，g为重力加速度，α为道路坡度。
本发明的有益效果：
本发明的智能ACC系统能提前获得了前方一定距离范围内(2km)左右的道路曲率、道路类型、坡度、车道线、限速等信息，并实时计算车辆的安全车辆和目标加减速度，进行提前控制，使车辆能以安全车速顺利通过弯道。
附图说明
图1是本发明一种汽车智能自适应巡航系统的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：见图1。
本发明提出一种基于高精度地图和定位的智能ACC自适应巡航系统及方法，在智能ACC系统开启后，一方面通过摄像头实时监测前方道路的车辆、车道线等信息，一方面通过接收来自卫星的定位信息以及高精度地图提供的前方车道曲率等信息，控制车辆定速巡航或跟车行驶，并根据前方道路的不同曲率，智能控制车辆提前减速以顺利通过各种弯道。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明内容主要包括以下模块：如图1所示，摄像头模块、高精度地图和定位模块、巡航控制模块、执行模块。巡航控制模块分别与高精度地图和定位模块、摄像头模块以及执行模块相连。执行模块包括车身稳定系统、发动机控制系统、电子助力转向系统和变速箱控制系统。
摄像头模块用于探测前方道路情况，以获得车辆前方一定距离内的车辆及车道线信息，并将所获得的车辆和车道线信息发给控制模块，将所获得的车道线信息发给高精度地图和定位模块。
高精度地图和定位模块包括高精度定位系统和高精度地图数据包。
高精度定位系统根据人造地球卫星信号，融合摄像头识别的车道线信息，并利用载波相位差分技术，以实时得到精准的车辆定位信息。
高精度地图数据包包含道路级别的车道信息，车道信息包括道路的曲率、道路类型、道路坡度、道路车道线以及道路限速等信息。
高精度地图和定位系统模块根据高精度定位系统确定的车辆定位信息，匹配车辆在高精度地图中的精确位置，并将车辆前方2km范围内的车道信息以及限速信息发给控制模块。车道信息包括道路的曲率、道路类型、道路坡度、车道线距离以及道路限速等信息。
巡航控制模块根据摄像头识别的前方车辆和车道线信息以及高精度地图模块输入的前方车道的曲率、坡度、道路类型、车道线距离以及限速信息，结合驾驶员设定的巡航车速及跟车时距，确定车辆目标车速；并根据确定的目标车速并结合车辆当前车速以及与弯道起始位置的距离，计算出车辆减速时刻与目标减速度，并将目标减速度发送给车身电子稳定系统，计算出车辆目标转矩，发送给电子助力转向系统。
本发明的汽车智能自适应巡航控制系统，其控制方法通过如下步骤进行：
S1.驾驶员设定巡航速度及跟车距离，并激活自适应巡航控制开关后，巡航开始；
S2.摄像头模块探测前方道路情况，获得车辆前方一定距离内的车辆及车道线信息，并将获得的车辆和车道线信息发送至高精度地图和定位模块；
S3.高精度地图和定位模块根据其确定的车辆定位信息，匹配车辆在高精度地图中的精确位置，并将车辆前方一定范围内的车道信息以及限速信息发给巡航控制模块；
S4.巡航控制模块根据摄像头识别的前方车辆和车道线信息以及高精度地图模块输入的前方车辆及车道线信息，结合驾驶员设定的巡航车速及跟车时距，确定车辆目标车速，并根据确定的目标车速并结合车辆当前车速以及与弯道起始位置的距离，计算出车辆减速时刻与目标减速度，并将目标减速度发送给车身电子稳定系统，车身电子稳定系统根据目标减速度对车辆进行减速制动，计算出车辆目标转矩，发送给电子助力转向系统；车身电子稳定系统根据目标减速度对车辆进行减速制动，电子助力转向系统根据目标转矩控制车辆保持在当前车道内行驶；当车辆通过弯道后，系统根据驾驶员设定的巡航车速、道路前方车辆信息、道路信息等条件判断需要加速时，巡航控制系统发送目标加速度请求给车身稳定系统，车身稳定系统根据目标加速度，将扭矩请求发送给发动机管理系统，发动机管理系统根据扭矩请求对车辆进行加速控制。
根据本发明提供的基于高精度地图和定位的智能ACC系统，在巡航控制模块获得摄像头发送的前方车辆和车道信息，以及获得高精度地图和定位模块发送的道路曲率、道路类型、道路坡度、车道线距离以及道路限速信息，巡航控制模块会优先根据道路限速信息和驾驶员设定的巡航车速确定目标车速，目标车速为道路限速信息和驾驶员设定的巡航车速中的较低值；当未获取到道路限速信息，巡航控制模块会根据道路曲率、道路类型、道路坡度计算出安全车速，所计算出的安全车速与驾驶员设定的巡航车速进行对比，取两者中的较低值作为目标车速。根据目标车速，并结合车辆当前车速和弯道起始位置，计算出车辆减速时刻与目标减速度，并将目标减速度发送给车身电子稳定系统，车身电子稳定系统根据目标减速度对车辆进行减速制动以达到目标车速。另外，巡航控制模块根据道路曲率、车道线等信息计算出车辆安全通行所需要的转向扭矩，并将目标扭矩发送给电子助力转向系统，电子助力转向系统控制车辆安全转弯。变速箱控制系统根据发动机管理系统和车身电子稳定系统发送的车辆当前的油门开度、当前车速和加速度等信息匹配合适的档位。
当车辆通过弯道后，系统根据驾驶员设定的巡航车速、道路前方车辆信息、道路信息等条件判断需要加速时，巡航控制系统发送目标加速度请求给车身稳定系统，车身稳定系统根据目标加速度，将扭矩请求发送给发动机管理系统，发动机管理系统根据扭矩请求对车辆进行加速控制。
相比于传统的ACC系统仅通过传统传感器-摄像头或雷达，识别前车车辆信息进行定速巡航和跟车巡航，无法应对曲率半径大于125m的弯道，本发明中的智能ACC系统由于提前获得了前方2km左右的道路曲率、道路类型、坡度、车道线、限速等信息，系统能提前规划和控制，不管当前车速为多少，车辆都有足够的时间和距离进行减速控制，以达到不同弯道下的安全车速并顺利通过弯道。
巡航控制模块根据获得的摄像头发送的前方车辆和车道信息，以及获得高精度地图和定位模块发送的道路曲率、道路类型、道路坡度、车道线距离以及道路限速信息，巡航控制模块会优先根据道路限速信息和驾驶员设定的巡航车速确定目标车速，目标车速为道路限速信息和驾驶员设定的巡航车速中的较低值；当未获取到道路限速信息，巡航控制模块会根据道路曲率、道路类型、道路坡度计算出车辆过弯的安全车速，所计算出的安全车速与驾驶员设定的巡航车速进行对比，取两者中的较低值作为目标车速。
根据目标车速，并结合车辆当前车速和弯道起始位置，计算出车辆减速时刻与目标减速度，并将目标减速度发送给车身电子稳定系统，车身电子稳定系统根据目标减速度对车辆进行减速制动以达到目标车速。车辆减速时刻与目标减速度的确定，以保证系统减速的舒适性以及保证通过主动制动可控制车辆，当车速大于20m/s时，系统控制车辆的最大的加/减速度小于2m/s2，加/减速度变化率小于2.5m/m3,当车速小于5m/s时，系统控制车辆的最大的加/减速度小于4m/s2，加/减速度变化率小于4.5m/m3。
当道路没有限速信息时，车辆过弯的安全车速需保证车辆不发生侧滑和不发生侧翻。
汽车不发生侧滑的安全车速计算如下，当汽车受到的静摩擦力沿倾斜路基向下，根据牛顿第二定律：
μ0Nsinα+Ncosα-mg＝0
Figure BDA0002989161570000061
其中，μ0为车辆与地面的间的静摩擦系数，根据道路类型可确定；R为道路曲率半径；m为汽车质量；N为汽车受的弹力，g为重力加速度，α为道路坡度。
计算得，
Figure BDA0002989161570000062
当汽车受到的静摩擦力沿倾斜路基向上，计算得
Figure BDA0002989161570000063
故车辆不发生侧滑的安全车速：
Figure BDA0002989161570000064
车辆不发生侧翻的安全车速，根据惯性离心力，通过力矩平衡计算：
Figure BDA0002989161570000065
Figure BDA0002989161570000071
其中，F'为惯性离心力，L为车辆宽度，R为弯道曲率半径，hg为车辆质心的高度，g为重力加速度，α为道路坡度。
计算不发生侧翻的安全车速，
Figure BDA0002989161570000072
另外，巡航控制模块根据道路曲率、车道线位置等信息计算出车辆安全通行所需要的转向扭矩，并将目标扭矩发送给电子助力转向系统，电子助力转向系统控制车辆安全转弯。变速箱控制系统根据发动机管理系统和车身电子稳定系统发送的车辆当前的油门开度、当前车速和加速度等信息匹配合适的档位。
本发明的智能ACC系统能提前获得了前方2km左右的道路曲率、道路类型、坡度、车道线、限速等信息，并实时计算车辆的安全车辆和目标加减速度，进行提前控制，使车辆能以安全车速顺利通过弯道。
应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种汽车智能自适应巡航控制系统，包括摄像头模块、高精度地图和定位模块、巡航控制模块、执行模块，其特征在于：所述巡航控制模块分别与高精度地图和定位模块、摄像头模块以及执行模块相连；所述摄像头模块用于探测前方道路情况，以获得车辆前方一定距离内的车辆及车道线信息，并将获得的车辆和车道线信息发送至高精度地图和定位模块，高精度地图和定位模块根据其确定的车辆定位信息，匹配车辆在高精度地图中的精确位置，并将车辆前方一定范围内的车道信息以及限速信息发给巡航控制模块；所述执行模块包括电子助力转向系统、车身稳定系统、发动机控制系统和变速箱控制系统，巡航控制模块根据摄像头识别的前方车辆和车道线信息以及高精度地图模块输入的前方车辆及车道线信息，结合驾驶员设定的巡航车速及跟车时距，确定车辆目标车速，并根据确定的目标车速并结合车辆当前车速以及与弯道起始位置的距离，计算出车辆减速时刻与目标减速度，并将目标减速度发送给车身电子稳定系统，计算出车辆目标转矩，发送给电子助力转向系统。
2.根据权利要求1所述的一种汽车智能自适应巡航控制系统，其特征在于：所述高精度地图和定位模块包括高精度定位系统和高精度地图数据包；所述高精度定位系统根据人造地球卫星信号，融合摄像头识别的车道线信息，并利用载波相位差分技术，以实时得到精准的车辆定位信息；所述高精度地图数据包包含道路级别的车道信息，车道信息包括道路的曲率、道路类型、道路坡度、道路车道线以及道路限速信息。
3.根据权利要求1所述的一种汽车智能自适应巡航控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.驾驶员设定巡航速度及跟车距离，并激活自适应巡航控制开关后，巡航开始；
S2.摄像头模块探测前方道路情况，获得车辆前方一定距离内的车辆及车道线信息，并将获得的车辆和车道线信息发送至高精度地图和定位模块；
S3.高精度地图和定位模块根据其确定的车辆定位信息，匹配车辆在高精度地图中的精确位置，并将车辆前方一定范围内的车道信息以及限速信息发给巡航控制模块；
S4.巡航控制模块根据摄像头识别的前方车辆和车道线信息以及高精度地图模块输入的前方车辆及车道线信息，结合驾驶员设定的巡航车速及跟车时距，确定车辆目标车速，并根据确定的目标车速并结合车辆当前车速以及与弯道起始位置的距离，计算出车辆减速时刻与目标减速度，并将目标减速度发送给车身电子稳定系统，计算出车辆目标转矩，发送给电子助力转向系统；车身电子稳定系统根据目标减速度对车辆进行减速制动，电子助力转向系统根据目标转矩控制车辆保持在当前车道内行驶；当车辆通过弯道后，系统根据驾驶员设定的巡航车速、道路前方车辆信息、道路信息等条件判断需要加速时，巡航控制系统发送目标加速度请求给车身稳定系统，车身稳定系统根据目标加速度，将扭矩请求发送给发动机管理系统，发动机管理系统根据扭矩请求对车辆进行加速控制。
4.根据权利要求3所述的一种汽车智能自适应巡航控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：在所述步骤S4中，车辆目标车速为根据道路限速信息和驾驶员设定的巡航车速确定目标车速的较低值。
5.根据权利要求4所述的一种汽车智能自适应巡航控制系统的控制方法，其特征在于：当目标车速大于20m/s时，系统控制车辆的最大的加/减速度小于2m/s2，加/减速度变化率小于2.5m/m3,当车速小于5m/s时，系统控制车辆的最大的加/减速度小于4m/s2，加/减速度变化率小于4.5m/m3。
6.根据权利要求3所述的一种汽车智能自适应巡航控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：当未获取到道路限速信息，巡航控制模块会根据道路曲率、道路类型、道路坡度计算出安全车速，所计算出的安全车速与驾驶员设定的巡航车速进行对比，取两者中的较低值作为目标车速。
7.根据权利要求6所述的一种汽车智能自适应巡航控制系统的控制方法，其特征在于：
当道路没有限速信息时，车辆不发生侧滑的安全车速：
Figure FDA0002989161560000021
Figure FDA0002989161560000022
其中，μ0为车辆与地面的间的静摩擦系数；R为道路曲率半径；m为汽车质量；
不发生侧翻的安全车速，
Figure FDA0002989161560000023
其中，F'为惯性离心力，L为车辆宽度，R为弯道曲率半径，hg为车辆质心的高度，g为重力加速度，α为道路坡度。
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