CN115805937A - 一种基于多点预瞄的车道保持辅助控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多点预瞄的车道保持辅助控制方法，具体包括：基于前视摄像头检测车道中心线横向距离；基于横摆角速度、车速预测车辆运行轨迹；根据车速设置多个基准预瞄点，并通过车道线曲率进行修正；建立预瞄点仲裁规则，选取最能表征车辆当前车道偏离情况的点作为最终预瞄点；以最终预瞄点的偏离距离作为误差，设计基于前馈+反馈的横向位置控制器，修正车辆横向位置。该方法一方面基于基于跨道距离判断车道保持辅助介入时机；另一方面通过横摆角速度预测车辆横向运动；并通过选取多个预瞄点设计横向位置控制算法，提高车道保持辅助控制稳定性。

Description

一种基于多点预瞄的车道保持辅助控制方法及系统

技术领域

本发明属于车辆控制领域，具体是涉及一种基于多点预瞄的车道保持辅助控制方法及系统。

背景技术

随着汽车保有量的不断提高，交通事故频发，虽然引发事故的原因众多，具体包括车辆故障、交通拥堵和驾驶员操作失误等，但是由于驾驶员分神、疲劳、误操作等自身原因引起的交通事故占绝大部分。据统计，约20％的交通事故是车辆偏离本车道造成的。

车道偏离预警(Lane Departure Warning，LDW)可以提醒驾驶员车辆有驶出原车道的危险以提高车辆主动安全，降低因车道偏离引发交通事故的概率。车道保持辅助(LaneKeeping Assistance，LKA)不仅可以对驾驶员发出预警，还可以在驾驶员未干预时修正车辆的横向位置使车辆重新回到原行驶车道，进一步提高驾驶安全性。车道保持辅助控制方法对车辆横向位置的修正效果至关重要。

车道偏离判断是指通过视觉传感器探测车道线，结合车辆位置信息和状态信息得到车辆与车道线的相对位置关系，判断车辆是否会偏离车道。目前应用比较广泛的是基于TLC判断，该方法可以给驾驶员预留一定的反应时间，但是需要精准获取车辆的横向速度，实际应用中发现车辆横向速度存在较大的毛刺，导致误判断、漏判断。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于多点预瞄的车道保持辅助控制方法，该方法通过选取多个预瞄点预测车辆偏离车道中心线的距离，并以此设计横向位置控制器，修正车辆的横向位置，提高车道保持辅助控制稳定性，具体包括：

提取车道线参数，得到车道中心线方程；

获取车辆的横摆角速度和车速，预测车辆运行轨迹，得到车辆运行轨迹方程；

根据所述车速设置多个基准预瞄点，并通过预瞄时间和车速及车道线曲率对所述基准预瞄点进行修正，得到多个修正后的预瞄点；

通过车道中心线方程和车辆运行轨迹方程，计算所述多个修正后的预瞄点处的车辆运行轨迹偏离车道中心线的距离，得到所述多个修正后的预瞄点的偏离距离；

根据预设的仲裁规则，在所述多个修正后的预瞄点中选取最能表征车辆当前车道偏离情况的点作为最终预瞄点；

以所述最终预瞄点的偏离距离作为误差，修正车辆横向位置。

优选的，所述提取车道线参数，得到车道中心线方程，具体包括：

通过前视摄像头提取所述车道线参数，所述车道线参数包括车道线截距、车道线斜率、车道线曲率、车道线曲率变化率；

通过所述车道线参数对车道线进行曲线拟合，得到车道中心线方程。

所述车道中心线方程为：

其中，以摄像头安装位置为坐标原点，预瞄距离为x，A₀为车道线截距、A₁为车道线斜率、A₂为车道线曲率、A₃为车道线曲率变化率。

优选的，所述获取车辆的横摆角速度和车速，预测车辆运行轨迹，得到车道运行轨迹方程，具体包括：

通过车辆质心处的横摆角传感器，实时检测得到横摆角速度；

通过所述横摆角速度和车速计算得到车辆转弯半径R；

通过所述转弯半径R得到车辆运行轨迹方程。

所述车辆运行轨迹方程为：

当车辆左转且x∈[0,R]时，y∈[0,R]，车辆轨迹方程为：

当车辆右转且x∈[0,R]时，y∈[-R,0]，车辆轨迹方程为：

优选的，所述预瞄点为3个，所述预设的仲裁规，具体为：

修正后的预瞄点的偏离距离大于零则为“+”，小于零则为“-”；

当修正后的预瞄点的偏离距离符号为“+++”，且偏离距离的大小呈单调递增或单调递减，则取预瞄距离最大的点作为最终预瞄点，若不单调，则取偏离距离第二的点作为最终预瞄点；

当修正后的预瞄点的偏离距离符为“---”，且偏离距离呈单调递增或单调递减，则取预瞄距离最大的点作为最终预瞄点，若不单调，则取偏离距离第二的点作为最终预瞄点；

当修正后的预瞄点的偏离距离符为“++-”，则取最小的正偏离距离点作为最终预瞄点；

当修正后的预瞄点的偏离距离符为“--+”，则取最大的负偏离距离点作为最终预瞄点；

当修正后的预瞄点的偏离距离符为“+--”，则取最大的负偏离距离点作为最终预瞄点；

当修正后的预瞄点的偏离距离符为“-++”，则取最小的正偏离距离点作为最终预瞄点；

当修正后的预瞄点的偏离距离符为“+-+”，则取预瞄距离最小的点作为最终预瞄点；

当修正后的预瞄点的偏离距离符为“-+-”，则取预瞄距离最小的点作为最终预瞄点。

所述最终预瞄点的偏离距离的绝对值大阈值，则该偏离距离用于作为误差来修正车辆横向位置。所述阈值为：

其中，Δy为偏离距离，y_L为左车道线横向距离，y_R为右车道线横向距离，D_veh为车宽，D_set为跨道距离。

所述修正车辆横向位置由基于车道线曲率的前馈控制和基于偏离距离的反馈控制组成。

一种使用上述方法的车道保持辅助系统，所述系统包括感知层、决策层和执行层，所述感知层包括前视摄像头采集车道线参数，VCU(整车控制器)采集车速信号、横摆角速度信号、档位信号、转向灯信号灯信号，所述决策层将所述感知层传输的车道线参数进行拟合、去抖处理，根据车速、横摆角速度对车辆轨迹进行预测，当发生车道偏离且车辆状态允许车道保持辅助功能介入时，调整方向盘转角并下发给执行层，所述执行层响应所述决策层下发的方向盘转角，调整车辆的横向位置，使车辆维持在当前车道内行驶。

本发明的有益效果为：本发明通过选取多个预瞄点，并建立了预瞄点仲裁规则，精准预测车辆偏离车道中心线的横向距离，为横向位置控制输入了较能表征车道偏离情况的误差，提高了车道保持辅助系统稳定性，通过横向位置控制可以实现发生车道偏离时修正车辆的横向位置，使车辆重新回到原车道。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为车道保持辅助系统架构图。

图2为预瞄距离计算图。

图3为车道偏离判断图。

图4为横向位置控制结构图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本发明的车道保持辅助控制方法应用于车道保持辅助系统上，图1是车道保持辅助系统的系统架构图，如图1所示，车道保持辅助系统可以分为感知层、决策层和执行层三部分，感知层包括前视摄像头采集车道线信息，VCU(整车控制器)采集车速信号、横摆角速度信号、档位信号、转向灯信号灯等整车信息；决策层即决策控制器，将感知层传输的车道线信息进行拟合、去抖处理，根据车速、横摆角速度等整车信息对车辆轨迹进行预测，当发生车道偏离且车辆状态允许车道保持辅助功能介入时，调整方向盘转角并下发给线控转向；执行层即线控转向，响应决策控制器下发的方向盘转角，调整车辆的横向位置，使车辆维持在当前车道内行驶。

所述车道保持辅助控制方法，具体步骤为：

第一步，提取车道线参数，得到车道中心线方程。

所述提取车道线参数，得到车道中心线方程，具体包括：

通过前视摄像头提取所述车道线参数，前视摄像头输出的车道线感知信息为左右车道线参数，所述车道线参数包括车道线截距A₀、车道线斜率A₁、车道线曲率A₂、车道线曲率变化率A₃；

以摄像头安装位置为坐标原点，预瞄距离为x，通过车道线参数对车道线进行曲线拟合，通过车道线三次拟合方程可以获取车道线的横向距离，方程为：

对式(1)取二阶导可以获取车道线曲率：

c＝A₃·x+A₂ (2)

通过式(1)可以求得左车道线横向距离y_L、右车道线横向距离y_R，车道中心线横向距离y₀，通过式(2)可以求得左车道线曲率c_L、右车道线曲率c_R，车道中心线曲率c₀。

第二步，获取车辆的横摆角速度和车速，预测车辆运行轨迹，得到车辆运行轨迹方程，具体包括：

通过车辆质心处的横摆角传感器，实时检测车辆绕Z轴转动的横摆角速度；

通过所述横摆角速度和车速计算得到车辆转弯半径R：

其中R为转弯半径，V为车速，W为横摆角速度。

当车辆左转且x∈[0,R]时，y∈[0,R]，车辆轨迹方程为：

当车辆右转且x∈[0,R]时，y∈[-R,0]，车辆轨迹方程为：

第三步，根据所述车速设置多个基准预瞄点，并通过预瞄时间和车速及车道线曲率对所述基准预瞄点进行修正，得到多个修正后的预瞄点。

驾驶过程中驾驶员会观察车辆前方一定距离处的道路状况，并且该观察距离与车速和道路曲率有关：车速越高，观察距离越大；道路曲率越大，观察距离越小。然后根据车辆与前方道路中心线的横向偏差调整方向盘转角，即车辆位于道路中心左侧，则向右侧调整方向盘转角，反之亦然。上述观察距离即为预瞄距离，为了实现更加精准的控制，车道保持辅助系统选取3个预瞄点，预瞄距离通过预瞄时间和车速决定、车道线曲率修正，如图2所示。

第四步，通过车道中心线方程和车辆运行轨迹方程，计算所述多个修正后的预瞄点处的车辆运行轨迹偏离车道中心线的距离，得到所述多个修正后的预瞄点的偏离距离。根据预设的仲裁规则，在所述多个修正后的预瞄点中选取最能表征车辆当前车道偏离情况的点作为最终预瞄点。

偏离距离，即车辆运行轨迹偏离车道中心线的距离，可以通过车道中心线横向距离y₀、车辆轨迹横向距离y₁计算得到，由于输入了3个预瞄距离x₀、x₁、x₂，故可以计算得出3个偏离距离Δy₀、Δy₁、Δy₂，用于表征不同预瞄距离处的车道偏离情况。但是将3个偏离距离作为误差输入调节方向盘转角不宜设计转角跟踪控制器，故需建立仲裁规则，从3个偏离距离中选取最能表征当前车道偏离情况的点作为误差输入。

仲裁规则如表1所示，偏离距离大于零则为“+”，小于零则为“-”。

表1 预瞄点仲裁

第五步，以所述最终预瞄点的偏离距离作为误差，修正车辆横向位置。

车道偏离判断是指通过视觉传感器探测车道线，结合车辆位置信息和状态信息得到车辆与车道线的相对位置关系，判断车辆是否会偏离车道。本发明采用基于DLC判断，通过预留横向距离同样可以给驾驶员预留反应时间，且对车辆横向速度无要求，判断逻辑如图3所示。

其中Δy为偏离距离，y_L为左车道线横向距离，y_R为右车道线横向距离，D_veh为车宽，D_set为跨道距离。

横向位置控制是指根据车道线信息与预测的车辆位置信息对车辆进行横向位置控制，由基于车道线曲率的前馈控制和基于偏离距离的反馈控制组成。当车辆在曲线道路上行驶时，存在跟踪误差，且该误差预先可测，因此引入和车道线曲率相关的前馈控制以帮助消除跟踪误差，保证系统在曲线工况下的稳定性。反馈控制的输入为车辆运行轨迹偏离车道中心线的距离，即偏离距离，反馈控制的目标是把偏离距离控制为0，从而实现将车辆轨迹稳定的控制在车道中心线附近。

其中θ_f为前馈控制转角，K_f为前馈控制系数，i为转向系统传动比，L为车辆轴距，c₀为车道中心线曲率；其中θ_b为反馈控制转角，K_p为反馈控制比例系数，K_i为反馈控制积分系数，Δy为偏离距离；K_f、K_p、K_i根据车速进行调整。

转向系统包含多个机械零件，由于安装误差以及零部件松动会导致方向盘存在一个偏差角度，经过前馈控制和反馈控制调节的需求转角需要抵消方向盘安装误差角度才能确保转向的精准。此外，过高的方向盘角速度可能会引发驾驶危险，造成驾驶员恐慌，故方向盘转角还需经过平滑处理，可通过限制转角变化率实现，横向位置控制如图4所示。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种基于多点预瞄的车道保持辅助控制方法，其特征在于，该方法包括：

提取车道线参数，得到车道中心线方程；

获取车辆的横摆角速度和车速，预测车辆运行轨迹，得到车辆运行轨迹方程；

根据所述车速设置多个基准预瞄点，并通过预瞄时间和车速及车道线曲率对所述基准预瞄点进行修正，得到多个修正后的预瞄点；

通过车道中心线方程和车辆运行轨迹方程，计算所述多个修正后的预瞄点处的车辆运行轨迹偏离车道中心线的距离，得到所述多个修正后的预瞄点的偏离距离；

根据预设的仲裁规则，在所述多个修正后的预瞄点中选取最能表征车辆当前车道偏离情况的点作为最终预瞄点；

以所述最终预瞄点的偏离距离作为误差，修正车辆横向位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提取车道线参数，得到车道中心线方程，具体包括：

通过前视摄像头提取所述车道线参数，所述车道线参数包括车道线截距、车道线斜率、车道线曲率、车道线曲率变化率；

通过所述车道线参数对车道线进行曲线拟合，得到车道中心线方程。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述车道中心线方程为：

其中，以摄像头安装位置为坐标原点，预瞄距离为x，A₀为车道线截距、A₁为车道线斜率、A₂为车道线曲率、A₃为车道线曲率变化率。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取车辆的横摆角速度和车速，预测车辆运行轨迹，得到车道运行轨迹方程，具体包括：

通过车辆质心处的横摆角传感器，实时检测得到横摆角速度；

通过所述横摆角速度和车速计算得到车辆转弯半径R；

通过所述转弯半径R得到车辆运行轨迹方程。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述车辆运行轨迹方程为：

当车辆左转且x∈[0,R]时，y∈[0,R]，车辆轨迹方程为：

当车辆右转且x∈[0,R]时，y∈[-R,0]，车辆轨迹方程为：

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述预瞄点为3个，所述预设的仲裁规，具体为：

修正后的预瞄点的偏离距离大于零则为“+”，小于零则为“-”；

当修正后的预瞄点的偏离距离符号为“+++”，且偏离距离的大小呈单调递增或单调递减，则取预瞄距离最大的点作为最终预瞄点，若不单调，则取偏离距离第二的点作为最终预瞄点；

当修正后的预瞄点的偏离距离符为“---”，且偏离距离呈单调递增或单调递减，则取预瞄距离最大的点作为最终预瞄点，若不单调，则取偏离距离第二的点作为最终预瞄点；

当修正后的预瞄点的偏离距离符为“++-”，则取最小的正偏离距离点作为最终预瞄点；

当修正后的预瞄点的偏离距离符为“--+”，则取最大的负偏离距离点作为最终预瞄点；

当修正后的预瞄点的偏离距离符为“+--”，则取最大的负偏离距离点作为最终预瞄点；

当修正后的预瞄点的偏离距离符为“-++”，则取最小的正偏离距离点作为最终预瞄点；

当修正后的预瞄点的偏离距离符为“+-+”，则取预瞄距离最小的点作为最终预瞄点；

当修正后的预瞄点的偏离距离符为“-+-”，则取预瞄距离最小的点作为最终预瞄点。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最终预瞄点的偏离距离的绝对值大阈值，则该偏离距离用于作为误差来修正车辆横向位置。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述阈值为：

其中，Δy为偏离距离，y_L为左车道线横向距离，y_R为右车道线横向距离，D_veh为车宽，D_set为跨道距离。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述修正车辆横向位置由基于车道线曲率的前馈控制和基于偏离距离的反馈控制组成。

10.一种车道保持辅助系统，其特征在于，所述系统包括感知层、决策层和执行层，所述感知层包括前视摄像头采集车道线参数，VCU采集车速信号、横摆角速度信号、档位信号、转向灯信号灯信号，所述决策层将所述感知层传输的车道线参数进行拟合、去抖处理，根据车速、横摆角速度对车辆轨迹进行预测，当发生车道偏离且车辆状态允许车道保持辅助功能介入时，调整方向盘转角并下发给执行层，所述执行层响应所述决策层下发的方向盘转角，调整车辆的横向位置，使车辆维持在当前车道内行驶。

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