CN114096456A - 用于支持或自动化车辆横向控制的车道导引驾驶员辅助装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于实现对车辆的横向控制的支持或自动化的车道导引驾驶员辅助装置，它包括第一处理单元，该第一处理单元设置用于通过确定具有电动辅助转向系统的稳态控制精度的转向角来控制转向力矩干预，并且包括第二处理单元，该第二处理单元设置用于通过向第一处理单元输出精度请求信号来调节转向角稳态控制精度，以使之在下限值和上限值之间缩放，其中，第二处理单元包括控制单元，该控制单元具有积分器，所述积分器包括输入端和输出端，其中，积分器的输出端以带有与精度请求信号有关的加权的方式反馈到输入端。

Description

用于支持或自动化车辆横向控制的车道导引驾驶员辅助装置 和方法

技术领域

本发明涉及一种用于支持车辆的横向控制或使该横向控制自动化的车道导引驾驶员辅助装置以及方法。

背景技术

车道导引驾驶员辅助系统使用检测到的周围环境和车道数据，以便沿着所选路线对车辆进行横向和纵向控制。在大多数情况下，从驾驶员辅助系统的控制单元获取适宜控制信号的电动助力转向系统(EPS)被用作横向车辆操控执行器。

一方面，EPS马达的马达力矩上的附加叠加力矩已被证明是影响转向轮位置并由此影响车辆的横向位置的适宜规范信号。这使得可实现转向的较高舒适性和方向盘的高度平稳性，因为所设置的EPS马达力矩与驾驶员感受到的转向力矩和执行器加速度直接相关。然而，马达力矩接口的缺点通常是由于通过车辆总线进行通信而导致的高信号延迟，由此限制了控制的动态特性。

为避免这类延迟缺点，通常使用从属转向角控制器，所述控制器在EPS上的快速计算任务期间实现。该转向角控制的特征对决定车道导引辅助系统舒适度的参数有决定性影响。一方面，这涉及驾驶员在直线前行时所感知的方向盘动作，这里期待的是方向盘持续、流畅地进行较低幅度的动作。

另一方面，当驾驶员利用或逆着驾驶员辅助系统进行转向时，转向感觉应当是舒适的，即可领会的、可感觉到转向力矩的。从机械弹簧的特性看，驾驶员预期转向力矩在很大程度上随方向盘的偏转量线性增加。但驾驶员不希望例如在转向轮恒定偏转时转向力矩持续增加。

由于EPS上的资源有限，市场上可得到的许多EPS转向角控制器都基于简单的PI(D)控制器结构或带有扰动变量补偿装置的控制器，从孤立的角度看，它们提供足够的操控变量控制，但结合驾驶员辅助系统使用，则会显示上述舒适性缺点，即方向盘的不稳定情况以及驾驶员偏转方向盘时只能有限领会转向感觉。

方向盘受控转向执行器不稳定情况的原因在于控制器积分组件与转向系统的静摩擦和滑动摩擦的相互作用。由此具有取决于控制器调节和摩擦程度的幅度和频率的转向角极限循环。

不舒适偏转的原因是，驾驶员的干预被转向角调节装置解释为干扰，并越来越多地由控制器积分组件或负载补偿装置加以调节，直到额定角度(在可供使用的调整力矩框架中)重新符合实际角度。控制器积分组件或负载补偿装置的充电不会突然发生，而是根据控制器设计布局在给定的时间段内发生。在这种持续积分过程中，即使在方向盘不断偏转情况下，驾驶员也会感觉到越来越大的反作用力矩，这令人感到不舒服、难以解释或难以领会。

EPS控制器设置在追求高舒适度的同时对控制动态特性、干扰变量控制和控制精度具有很高要求，这反映了目标冲突，在使用未成熟的控制器结构时，只能根据一项标准决定满足哪方面的要求。

发明内容

本发明的基本目的是减少或消除前述ADAS(高级辅助驾驶系统)控制单元与EPS(电动助力转向系统)转向角控制的相互作用的不舒适性，换句话说，减小或消除方向盘的不稳定情况和难以理解的偏转力矩，同时不限制导引车道的车辆控制系统的系统性能，尤其是对车道保持精度以及在驶入和驶出弯道的情况。微小的车道保持精度、例如通过直线前行或转弯时的静态或动态横向偏移误差表示。

此外，本发明的目的还在于尽少干预EPS系统，能使用通用转向角控制器类型，对EPS的应用和测试工作量保持在较低程度，并最大限度地减少EPS和驾驶员之间所要求的信号流。

该目的通过具有权利要求1所述特征的车道导引驾驶员辅助装置、通过具有权利要求15所述特征的车辆并且通过具有权利要求16所述特征的方法来解决。本发明的优选或有益的实施方式在从属权利要求、下文的描述以及附图中描述。

所述问题的解决方案尤其在于，以小范围的功能性对车辆的电动助力转向装置上的转向角控制器加以扩展，以及以接口信号对电动助力转向装置的接口加以扩展，借助于这些扩展，可通过处理单元、尤其是通过驾驶员辅助装置的控制单元并且根据预定参数(规格)将电动助力转向装置的稳态控制精度以自适应方式予以削减。

因此，提出一种用于使车辆横向控制得到支持或实现自动化的车道导引驾驶员辅助装置。车道导引驾驶员辅助装置应理解为例如车道保持辅助(Lane Keeping Assist)、车道偏离保护(Lane Departure Protection)和/或用于执行车道变换的车道辅助装置。

所述车道导引驾驶员辅助装置包括第一处理单元，该第一处理单元设置用于通过以电动辅助转向系统的稳态控制精度(固定精度)确定转向角来对转向力矩干预进行控制。所述第一处理单元例如是车辆的中央控制单元。所述第一处理单元尤其优选是EPS控制单元。由此，所述第一处理单元例如位于EPS(Electronic Power Steering)上。稳态控制精度尤其应理解为预定的允许控制误差，换句话说，尤其是待控制的转向角的最大允许偏差。

所述车道导引驾驶员辅助装置包括第二处理单元，该第二处理单元设置用于通过向第一处理单元输出精度请求信号而对转向角的稳态控制精度进行调整适配，以使该控制精度在下限值和上限值之间缩放。由此，控制精度尤其借助于第一处理单元的接口信号通过第二处理单元改变。换句话说，优选实施稳态控制精度的自适应操控。第二处理单元尤其是指车道导引驾驶员辅助装置的控制单元。尤其是，确定横向控制的第二处理单元表示叠加在第一处理单元上的控制。精度请求信号优选是数字信号。

第二处理单元包括具有积分器的控制单元，该积分器包括至少或正好一个输入端和一个输出端，其中，积分器的输出端以带有与精度请求信号有关的加权的方式反馈(闭环连接)到输入端。加权可以是例如可相加或相乘的增益系数。换句话说，积分器输出端的反馈尤其可通过精度请求信号进行加权。这导致积分器的充电会受到影响，因此控制精度也可能会改变。由此产生的主要优点是控制精度可以受到限制，同时无需对积分器进一步充电。

上限值特别优选使电动辅助转向系统的稳态控制精度保持不变。此外，还优选的是，下限值实现稳态控制精度的最大预定削减。相应地，尤其存在两个极值。因此，精度请求信号优选通过第二处理单元在上限值和下限值之间确定。因此，尤其是通过第一处理单元实施转向角控制的扩展，使其具有削减需控制转向角控制精度的功能。

特别优选地，稳态控制误差在上限值处接近零。在该值处，稳态控制精度保持不变。此外，还优选在下限值处存在最大允许控制误差。上限值和下限值之间的中间参数优选允许出现恒定的控制误差。以此方式，最大控制精度例如可持续削减。

例如，第二处理单元设置用于借助于时间叠化(交替淡化)而对转向角控制精度进行调整适配。以此方式，可以有利地减少操控变量中的不连续性。例如，在状态间突然切换时，可能会出现不连续性。时间叠化例如可通过线性斜升实现。

根据优选的其他结构形式，精度请求信号被设置为是准连续的，以便产生时间叠化。此外，所述第二处理设备优选设置用于在上限值和下限值之间进行插值或叠化。

第一处理单元优选包括具有扰动变量接入的控制器，其中，对致动力矩的扰动变量的按比例接收在与精度请求信号有关的加权之后执行。所述加权例如可以是能相加或相乘的增益系数。

根据优选实施方式，借助于两级或多级级联控制装置确定需调整适配控制精度的削减程度。换句话说，削减程度、由此特别是更高或更低控制精度的实现可优选通过附加使用具有不同参数化和/或不同控制器结构的第二、第三或其他控制器实施，在这些控制器之间第二处理单元设置用于切换、叠化和/或插值。

根据另一优选实施方式，第一处理单元包括用于确定具有稳态控制精度的转向角的转向角控制单元以及用于转向角的前馈控制的前馈控制单元，其中，前馈控制单元的贡献根据在按比例接入到致动力矩之前的精度请求信号的规定进行缩放。尤其是，前馈控制的缩放独立于稳态控制精度的缩放，例如该前馈控制的缩放通过单独的精度信号实施。

优选地，直至被第二处理单元调节为止，稳态控制精度具有作为基本设置的预定起始值(初始值，输出值)。

稳态控制精度的调节优选根据情况、尤其是根据车辆要执行或所执行的横向驾驶操控的变化进行实施。

例如，在出现方向盘不平稳时，控制精度尤其通过第二处理装置以自适应方式削减或被削减到事先规定的范围，从而下降。

作为替代方案或作为可选的附加方案，在识别(检测)到驾驶员干预时，控制精度尤其通过第二处理装置以自适应方式削减或被削减到事先规定的范围。

特别优选地，在驶入和/或驶出弯道时，控制精度通过第二处理装置在需动态实施或已动态实施的驾驶操控中，尤其是以至少70％的精度请求信号、特别是100％的精度请求信号予以确定。动态驾驶操控例如是指双车道变换或规避操控(紧急规避)。由此特别确保，在对安全至关重要的交通场景中实施精确的转向过程。动态驾驶操控例如可通过对闪光灯设置、突然的驾驶员干预或驾驶行为进行评估、通过对诸如交通拥堵即将结束等外部周围环境进行评估予以测定。

根据另一优选实施例，根据所确定的驾驶模式和/或根据驾驶员个性化的驾驶行为，借助于精度预定参数在驾驶员转弯时获取更强或更弱的推荐转矩。驾驶模式例如是可调节的运动型、舒适型或环保、节能和动力(ECO)型驾驶模式。在此方面，驾驶员个性化的驾驶行为尤其应理解为优选是例如运动型、舒适型、前瞻性或慢速驾驶型的驾驶方式。换句话说，第二处理单元设置用于在运动型驾驶行为或驾驶模式日益增加的情况下提高控制精度。仅作为示例，可预先规定，在所设置运动模式中，以至少70％的精度请求信号确定控制准确度，因为更直接的转向行为一般不会使运动型驾驶员感到不舒适。

所述驾驶员辅助装置尤其可包括微控制器或微处理器、中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、数字信号处理器(DSP)、ASIC(专用集成电路)、FPGA(现场可编程门阵列)等，以及用于执行相应方法步骤的软件等。

因此，本发明可在数字电子电路、计算机硬件、固件或软件中实施。

本发明的另一目的涉及一种具有根据上面所述的车道导引驾驶员辅助装置的车辆。

本发明另一目的涉及一种利用根据上面所述的车道导引驾驶员辅助装置实施对车辆的横向控制的支持或自动化的方法。通过以电动辅助转向系统的稳态控制精度确定转向角来对转向力矩干预进行控制，其中，转向角的稳态控制精度通过输出精度请求信号调整适配，以便在下限值和上限值之间实施控制精度的缩放。

本发明的另一目的涉及一种用于利用车道导引驾驶员辅助装置实施对车辆的横向控制支持或自动化的计算机程序产品，其中，所述计算机程序产品包括指令，所述指令当在车辆的控制单元或计算机上运行时将执行前面所述的方法。

附图说明

本发明的其他特征、优点和效果可从以下对本发明优选实施例的描述中得出。

其中：

图1以示意图示出具有第一和第二处理单元的车道导引驾驶员辅助装置；

图2示出图1中的车道导引驾驶员辅助装置在使用具有前馈控制的常规PID转向角控制器时的实施示例；

图3示出利用扰动变量串接补偿项将PD转向角控制器扩展至包括精度预定参数路径的示例；

图4示出将P-PI级联控制器扩展至包括精度预定参数路径的示例。

具体实施方式

图1以示意图示出用于车辆2的轨道导引驾驶员辅助装置1。所述驾驶员辅助装置1包括第一处理单元3，该第一处理单元设计用于通过建立具有电动辅助转向系统的稳态控制精度的转向角来控制转向力矩干预。例如，第一处理单元3是用于控制转向力矩干预的电动助力转向系统EPS的控制单元。

驾驶员辅助装置1包括第二处理单元4，该第二处理单元设计用于通过向第一处理单元3输出精度请求信号来调节转向角的稳态控制精度，以便在下限值和上限值之间进行控制精度的缩放。

图2示出图1的轨道导引驾驶员辅助装置1在使用具有前馈控制的常规PID转向角控制器时的实施示例。仅作为示例，第二处理单元3在此包括具有积分器I的控制单元，所述积分器包括输入端和输出端，其中，积分器I的输出端以带有取决于精度请求信号G的加权的方式反馈(闭环连接)到输入端。

根据本发明的一个方面，前馈控制的分量根据外部预定的连续精度预定参数G的预定参数以数值范围[0％......100％]进行缩放。

根据本发明的另一方面，控制器的积分器输出端也通过精度请求信号G进行缩放，并且在负反馈的意义上被反馈到积分器的输入端。当精度预定参数为100％时，环路增益为0；当精度预定参数为100％时，这具有可预先规定的最大增益M。

具有负反馈支路的积分器模块的传递函数为：

G(s)＝1/(s+最大返回系数M*(1-精度预定参数G/100))

可以看出，视精度预定参数G的数值而定，纯积分器利用可预先规定的恒定比例增益得出PT1分量。

通过这两项措施，一方面可以有效防止当驾驶员介入时积分器I持续进行积分。当驾驶员偏转方向盘时，如果精度请求信号G为0％，并且为最大返回系数M选择高数值，则实际上只有一个PD控制器存在，其产生大小为EPS_engine torque_superposition＝control_error*(s*kd+kp)的EPS马达叠加力矩，它与阻尼弹簧的系统方程相对应，并且这种行为是驾驶员可领会的。

如果不对前馈控制分量进行缩放，则会导致额外的、取决于偏转的附加力矩，这—视前馈控制的程度而定—对驾驶员而言可能是感到不可信的。

通过将纯积分器I转换为PT1元素，同时抑制了转向角控制变量的极限循环，因为所述控制器不再追求精确的稳态控制精度，这是与系统的静摩擦和滑动摩擦相关联的粘滑的主要原因。由此增加了方向盘的平稳性和驾驶员感知的驾驶舒适性。

如果第一处理单元3、尤其是例如EPS上的第一处理单元3的转向角控制器不是基于PI(D)方法，则该方法仍可以类似方式实施，参见图3。

图3作为示例示出PD转向角控制器的扩展，其具有扰动变量接入(前馈)以便包括精度预定参数路径。第一控制单元3示出为具有带扰动值接入的控制器，其中在与精度请求信号有关的加权之后执行对致动力矩的扰动变量的按比例接入。

在基于扰动变量估计和前馈的控制器方法中，所估计的扰动变量Disturbancetorque_raw在其前馈之前利用精度信号进行缩放：

扰动力矩＝Disturbance torque_raw*(精度预定参数G/100))

图4作为示例示出P-PI级联控制器的扩展，其用以包括精度预定参数路径。在本实施例中，借助于多级级联控制单元确定待调节的控制精度的削减程度，从而实现具有不同参数设定和不同控制器结构(设计)的多重控制器，第二处理单元4设置用于各控制器之间的切换、叠化和/或插值。

示例性级联控制器包括用于转向角的P控制器和用于转向角速度的PI控制器，其中，内部级联的积分器I被限制于它在图2中的PID控制器中所实现的情况。

在具有I分量的状态控制器方法或级联控制器方法中，积分器I必须以相应方式反向耦合(参见图4中的实施例)。

通常，无论采用何种控制器方法，都必须以缩放其作用的方式削减负责稳态控制精度的路径。

应当注意，图4所示的两级级联控制是示例性的而非限制性的，因此也可设想将其他控制器和控制器类型用作P控制器和PI控制器。

可在需要情况下或原则上实施自适应控制器精度接口的操作。这样可在出现方向盘不平稳的情况下以自适应方式降低精度。即使识别到驾驶员干预情况下，也可降低精度，以便对转向力矩进行调整适配。在动态驾驶操控或驶入或驶出弯道时，优选选择至少70％的高精度。

Claims (15)

1.一种用于使车辆(2)横向控制得到支持或实现自动化的车道导引驾驶员辅助装置(1)，具有：

第一处理单元(3)，它设置用于通过确定具有电动辅助转向系统的稳态控制精度的转向角来对转向力矩干预进行控制，

第二处理单元(4)，它设置用于通过向第一处理单元(3)输出精度请求信号(g)来调节转向角的稳态控制精度，以使控制精度在下限值和上限值之间缩放，其中，第二处理单元(4)具有控制单元，该控制单元具有包括输入端和输出端的积分器(I)，其中，该积分器(I)的输出端以带有与精度请求信号(G)相关的加权的方式反馈到输入端。

2.根据权利要求1所述的车道导引驾驶员辅助装置(1)，其中，所述上限值使电动辅助转向系统的稳态控制精度保持不变，其中，下限值实现稳态控制精度的最大预定削减。

3.根据权利要求1或2所述的车道导引驾驶员辅助装置(1)，其中，所述精度请求信号(G)设定在所述上限值和所述下限值之间，其中，在上限值处稳态控制误差接近零，其中，在下限值处存在最大允许控制误差。

4.根据前述权利要求中任一项所述的车道导引驾驶员辅助装置(1)，其中，所述第二处理单元(4)设置用于借助于时间叠化来调节转向角的控制精度。

5.根据权利要求4所述的车道导引驾驶员辅助装置(1)，其中，所述精度请求信号(G)设计成准连续的，其中，所述第二处理装置(4)设计用于在上限值和下限值之间进行插值或叠化。

6.根据前述权利要求中任一项所述的车道导引驾驶员辅助装置(1)，其中，所述与精度请求信号(G)相关的加权是增益系数。

7.根据前述权利要求中任一项所述的车道导引驾驶员辅助装置(1)，其中，所述第一处理单元(3)包括带有扰动变量接入的控制器，其中，对致动力矩的扰动变量的按比例接入在与精度请求信号(G)相关的加权之后执行。

8.根据前述权利要求中任一项所述的车道导引驾驶员辅助装置(1)，其特征在于，待调节的控制精度的削减程度借助于两级或多级级联控制单元确定。

9.根据前述权利要求中任一项所述的车道导引驾驶员辅助装置(1)，其中，所述第一处理单元(3)包括用于确定具有稳态控制精度的转向角的转向角控制单元，以及用于转向角的前馈控制的前馈控制单元，其中，前馈控制单元的贡献根据在按比例接入到致动力矩之前的精度请求信号(G)的规定进行缩放。

10.根据前述权利要求中任一项所述的车道导引驾驶员辅助装置(1)，其中，稳态控制精度具有预定的起始值，直至它被第二处理单元(4)调节。

11.根据前述权利要求中任一项所述的车道导引驾驶员辅助装置(1)，其中，所述第二处理装置(4)设置用于当出现方向盘不稳定时和/或当识别到驾驶员干预时以自适应的方式削减控制精度。

12.根据前述权利要求中任一项所述的车道导引驾驶员辅助装置(1)，其中，在动态驾驶操控期间，当驶入弯道和/或驶出弯道时，以至少70％的精度请求信号(G)确定控制精度。

13.根据前述权利要求中任一项所述的车道导引驾驶员辅助装置(1)，其特征在于，根据所确定的驾驶模式或根据驾驶员个性化的驾驶行为，当驾驶员转弯时借助于精度预定参数(G)来获取较强或较弱的推荐转矩。

14.一种车辆(2)，它具有根据前述权利要求中任一项所述的车道导引驾驶员辅助装置(1)。

15.一种用于利用根据前述权利要求1至13中任一项所述的车道导引驾驶员辅助装置(1)的使车辆(2)横向控制得到支持或实现自动化的方法。

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