CN116118725A - 一种基于多点预瞄的车道保持控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及路径跟踪控制技术领域，具体涉及一种基于多点预瞄的车道保持控制方法，通过建立车辆坐标系，在车辆坐标系下基于摄像头输出车道线信息建立车道线方程，同时基于道路曲率计算出一个前馈方向盘转角；然后在目标轨迹上选取三个预瞄点，根据预瞄点处的侧向偏差符号和变化趋势来进行车辆运动轨迹趋势判断，仲裁得出最优预瞄点处的侧向偏差，并得到最优的反馈转角，利用最优反馈转角再加上前馈转角可得到最终的目标方向盘转角控制量，并利用最终的目标方向盘平滑处理后再对车辆进行转向控制，能够保证车辆沿着目标轨迹行驶，提高汽车对目标轨迹的跟随稳定性。

Description

一种基于多点预瞄的车道保持控制方法

技术领域

本发明涉及路径跟踪控制技术领域，具体涉及一种基于多点预瞄的车道保持控制方法。

背景技术

当今世界正进入智能化的时代，大多数智能汽车都配备了多种辅助驾驶功能。如当驾驶员驾驶汽车出现疲劳驾驶或分神等现象时，汽车就容易偏离车道行驶而造成交通事故，给人民财产和生命带来不可挽回的损失，针对此问题，汽车配备了车道保持辅助系统，当汽车偏离车道行驶时，系统会发出报警提醒驾驶员，当驾驶员仍未采取动作，车道保持系统将会对方向盘进行主动控制，从而可使车辆继续保持在车道中间行驶而避免交通事故，减少损失。

对于车道保持系统，其主要是对车道中心线进行路径跟踪控制，以保证汽车跟随车道中心线行驶。现有的跟踪路径的方法主要是对目标轨迹进行单点预瞄，并计算出预瞄点处的侧向偏差，根据侧向偏差计算出合适的方向盘转角，从而使汽车跟随车道中心线行使，但是单点预瞄的方法在跟随路径行驶时会不稳定，偏差较大，且会出现汽车画龙现象。

目前也有基于多点预瞄的车道保持控制方法，其主要是计算出预瞄点处的侧向偏差和航向角偏差，在考虑各个预瞄点处的所占权重系数，进行加权求和得到最终的转角控制量，并根据最终的转角控制量下发给执行层使汽车保持在车道中心行驶。虽然该方法相对于单点预瞄来说，控制稳定性稍有改善，但预瞄点的选取仍具有较大的随机性，无法把握车辆的整体运动趋势，就会导致车辆出现控制不稳定的情况，且预瞄距离无法较为精准的确定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多点预瞄的车道保持控制方法，旨在解决现有的车道保持方法进行车道保持控制不稳定及如何确定最优预瞄距离的情况。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于多点预瞄的车道保持控制方法，包括下列步骤：

建立车辆坐标系，获取车道中心线的轨迹方程；

引入前馈转角控制量消除误差；

确定三个预瞄点并获取与三个所述预瞄点对应的侧向偏差；

处理获取最优反馈转角控制量；

根据前馈转角控制量和反馈转角控制量获取最终目标方向盘转角；

利用所述最终目标方向盘转角平滑处理后再对车辆进行转向控制。

其中，在建立车辆坐标系，获取车道中心线的轨迹方程的过程中，建立车辆坐标系，从汽车摄像头获得车道线信息，根据左右车道线信息进行三次多项式拟合得到车道中心线的轨迹方程。

其中，所述前馈转角控制量基于道路曲率计算获得。

其中，确定三个预瞄点并获取与三个所述预瞄点对应的侧向偏差的过程，具体为先确定三个预瞄距离得到三个预瞄点，并将预瞄距离带入车道中心线的轨迹方程中，可得到三个预瞄点处的侧向偏差。

其中，所述预瞄距离是驾驶员在驾驶汽车时通过前视道路状况选定的距离，所述预瞄距离由预瞄时间和车速共同决定，并由车道中心线曲率修正。

其中，处理获取最优反馈转角控制量的过程，具体为根据三个预瞄点处的侧向偏差的符号和变化趋势来确定最优预瞄距离，并得到最优预瞄距离处的侧向偏差，进一步得到最优反馈转角控制量。

其中，所述最优反馈转角控制量的计算以侧向偏差为误差输入，目的是为了将车辆轨迹中心线稳定地控制在车道中心线附近。

本发明提供了一种基于多点预瞄的车道保持控制方法，首先建立车辆坐标系XOY，在车辆坐标系下基于摄像头输出车道线信息建立车道线方程，包括左右车道线和车道中心线方程，同时基于道路曲率计算出一个前馈方向盘转角。然后在目标轨迹上选取三个预瞄点，根据预瞄点处的侧向偏差符号和变化趋势来进行车辆运动轨迹趋势判断，仲裁得出最优预瞄点处的侧向偏差，并得到最优的反馈转角。在这种情况下，能够从车辆的整体运动趋势来更好的把握最优预瞄点及得出最优预瞄距离进而得到最优的反馈转角，避免了单个预瞄点受随机因素的影响偏离了目标轨迹，也更能从汽车整体的运动趋势上把握预瞄点的选取；同理，在目标轨迹上选取3个预瞄点，相对于单点预瞄来说，能够提高目标转角指向目标轨迹的准确性，从而得出最优反馈转角，利用最优反馈转角再加上前馈转角可得到最终的目标方向盘转角控制量，并利用最终的目标方向盘平滑处理后再对车辆进行转向控制，能够保证车辆沿着目标轨迹行驶，提高汽车对目标轨迹的跟随稳定性。

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获得其他的附图。

图1是本发明的一种基于多点预瞄的车道保持控制方法的系统结构示意图。

图2是本发明的一种基于多点预瞄的车道保持控制方法的车辆坐标系和车道线示意图。

图3是本发明的预瞄距离确定原理图。

图4是本发明的最终目标转角计算流程图。

图5是本发明的最优预瞄点仲裁规则表。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提供了一种基于多点预瞄的车道保持控制方法，包括下列步骤：

S1：建立车辆坐标系，获取车道中心线的轨迹方程；

S2：引入前馈转角控制量消除误差；

S3：确定三个预瞄点并获取与三个所述预瞄点对应的侧向偏差；

S4：处理获取最优反馈转角控制量；

S5：根据前馈转角控制量和反馈转角控制量获取最终目标方向盘转角；

S6：利用所述最终目标方向盘转角平滑处理后再对车辆进行转向控制。

具体的，如图1所示，本发明首先建立车辆坐标系XOY，在车辆坐标系下基于摄像头输出车道线信息建立车道线方程，包括左右车道线和车道中心线方程，同时基于道路曲率计算出一个前馈方向盘转角。然后在目标轨迹上选取三个预瞄点，根据预瞄点处的侧向偏差符号和变化趋势来进行车辆运动轨迹趋势判断，仲裁得出最优预瞄点处的侧向偏差，并得到最优的反馈转角。在这种情况下，能够从车辆的整体运动趋势来更好的把握最优预瞄点及得出最优预瞄距离进而得到最优的反馈转角，避免了单个预瞄点受随机因素的影响偏离了参考轨迹，也更能从汽车整体的运动趋势上把握预瞄点的选取；同理，在目标轨迹上选取3个预瞄点，相对于单点预瞄来说，能够提高目标转角指向目标轨迹的准确性，从而得出最优反馈转角，利用最优反馈转角在加上前馈转角可得到最终的目标方向盘转角控制量，并利用最终的目标方向盘平滑处理后再对车辆进行转向控制，能够保证车辆沿着目标轨迹行驶，提高汽车对目标轨迹的跟随稳定性。

进一步的，以下结合细化后的具体实施步骤对发明进行详细说明(将原有的6个步骤细化为9个)：

1)建立车辆系，如图2所示，以摄像头为坐标原点O建立车辆坐标系，其中，以车辆前进方向为Y轴，以垂直于车辆前进方向向右为X轴；X是横坐标，Y是纵坐标，1是左车道线，2是右车道线，3是车道中心线，即目标轨迹。

2)基于细化步骤(1)中建立的车辆坐标系XOY，摄像头输出两条车道线信息，包含车道线质量系数Q，偏差系数C₀，航向角参数C₁，曲率C₂，曲率导数C₃，车道线质量系数Q可用数值1，2，3来表示，当车道线质量系数Q≥2时，此时的车道线信息才是有效的。车道线方程可用三次多项式来表示为y＝C₀+C₁x+C₂x²+C₃x³，包括左车道线方程和右车道线方程及车道中心线方程。至此为本发明的步骤S1；

3)基于细化步骤(2)中建立的左右车道线方程，根据左右车道线质量不同，对车道中心线进行拟合时，可以分为4种状态。当左边车道线质量L_Q≥2，且右边车道线质量R_Q≥2时，为状态1，此时的车道中心线参数可表示为

当只有左边车道线质量L_O≥2，且右边车道线质量R_O<2时，为状态2，此时的车道中心线参数可表示为

C₁＝L_C1,

当只有右边车道线质量R_Q≥2，且左边车道线质量L_Q<2时，为状态3，此时的车道中心线参数可表示为

C₁＝R_C1，

当左边车道线质量L_Q<2，且左边车道线质量R_Q<2时，为状态4，此状态为危险状态，需要驾驶员接管车辆；

4)基于细化步骤(2)中摄像头输出的车道线信息，车辆在跟踪目标轨迹时，存在汽车实际运行轨迹与目标路径之间存在一个误差，且该误差跟车道中心线曲率相关，因此引入和车道线曲率相关的前馈控制来消除误差，保证系统跟踪目标轨迹的稳定性。所述前馈转角计算公式为：θ₁＝K₁·i·(180/π)·tan^-1(L·C₂)，式中：θ₁为前馈控制转角；K₁为前馈控制系数，与车速相关；i为转向系统传动比；L为车辆轴距；C₂为车道中心线曲率。此两步过程执行的是本发明的步骤S2操作。

5)在目标轨迹上选取3个预瞄点，其中预瞄距离与车速、预瞄时间、车道线曲率相关，可表示为L＝V·T·α,其中L为预瞄距离，V为汽车车速，T为预瞄时间，α为曲率修正系数，由汽车自身标定查表可得。如图2、图3所示。进行车道线质量判断，根据状态的不同，可以得到中心车道线的不同参数，将3个预瞄距离x₁、x₂、x₃，代入车道中心线方程中，即目标轨迹方程y＝C₀+C₁x+C₂x²+C₃x³，可得到三个预瞄点处的偏差y₁、y₂、y₃(步骤S3)。

6)基于得到的三个预瞄点处的侧向偏差符号和变化趋势来进行车辆运动轨迹趋势判断从而进行仲裁，仲裁规则表如图5所示，当侧向偏差y≥0时，偏离距离符号为+；当侧向偏差y<0时，偏离距离符号为-，当三个偏移距离y₂≥y₁≥y₀，偏离距离大小为单调递增；当三个偏移距离y₂<y₁<y₀，偏离距离大小关系为单调递减；既不单调递增也不单调递减，偏离距离大小关系为不单调；则可得到最优的预瞄点处的实际轨迹与目标轨迹之间的侧向偏差；

7)基于细化步骤(6)得到的最优预瞄点处实际轨迹与目标轨迹之间的侧向偏差，设计了以侧向偏差为误差输入的反馈转角计算公式，所述反馈转角计算公式为：

式中：Δy为侧向偏差，K₂为反馈控制比例系数；K₃为反馈控制积分系数；K₂，K₃与车速相关；相当于步骤S4。

8)将反馈方向盘转角和前馈方向盘转角进行相加得到实际需要的目标方向盘转角，如图4所示为最终目标转角计算流程图。由于转向系统零件的老化、松动和安装误差，会使方向盘存在一个偏差角度，经过前馈转角和反馈控制的调节的需求，转角需要抵消方向盘这一误差转角才能确保转向精准。同时方向盘的转动过快可能会引发驾驶危险，故对方向盘还需要限制转角变化率进行平滑处理；等同于步骤S5操作。

9)将平滑后的目标方向盘转角进行转向控制，如将平滑后的目标方向盘转角下发给电动助力转向系统，EPS调整车汽车姿态使汽车沿着目标轨迹行驶；

经过上述步骤，能够保证车辆沿着目标轨迹行驶，提高汽车对目标轨迹的跟随稳定性。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种基于多点预瞄的车道保持控制方法，其特征在于，包括下列步骤：

建立车辆坐标系，获取车道中心线的轨迹方程；

引入前馈转角控制量消除误差；

确定三个预瞄点并获取与三个所述预瞄点对应的侧向偏差；

处理获取最优反馈转角控制量；

根据前馈转角控制量和反馈转角控制量获取最终目标方向盘转角；

利用所述最终目标方向盘转角平滑处理后再对车辆进行转向控制。

2.如权利要求1所述的基于多点预瞄的车道保持控制方法，其特征在于，

在建立车辆坐标系，获取车道中心线的轨迹方程的过程中，建立车辆坐标系，从汽车摄像头获得车道线信息，根据左右车道线信息进行三次多项式拟合得到车道中心线的轨迹方程。

3.如权利要求1所述的基于多点预瞄的车道保持控制方法，其特征在于，

所述前馈转角控制量基于道路曲率计算获得。

4.如权利要求1所述的基于多点预瞄的车道保持控制方法，其特征在于，

确定三个预瞄点并获取与三个所述预瞄点对应的侧向偏差的过程，具体为先确定三个预瞄距离得到三个预瞄点，并将预瞄距离带入车道中心线的轨迹方程中，可得到三个预瞄点处的侧向偏差。

5.如权利要求4所述的基于多点预瞄的车道保持控制方法，其特征在于，

所述预瞄距离是驾驶员在驾驶汽车时通过前视道路状况选定的距离，所述预瞄距离由预瞄时间和车速共同决定，并由车道中心线曲率修正。

6.如权利要求4所述的基于多点预瞄的车道保持控制方法，其特征在于，

处理获取最优反馈转角控制量的过程，具体为根据三个预瞄点处的侧向偏差的符号和变化趋势来确定最优预瞄距离，并得到最优预瞄距离处的侧向偏差，进一步得到最优反馈转角控制量。

7.如权利要求1所述的基于多点预瞄的车道保持控制方法，其特征在于，

所述最优反馈转角控制量的计算以侧向偏差为误差输入，目的是为了将车辆轨迹中心线稳定地控制在车道中心线附近。

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