CN117836186A - 用于检测车辆离开其车道的装置和方法 - Google Patents

Abstract

提出了一种用于检测车辆(V)的车道偏离的装置(1)，所述装置被配置成当车辆在包括至少一个行车道的道路上行驶时：‑基于至少一个道路边界的形状和位置，估计车辆所占用的车道的每个边界的形状和位置，‑估计车辆所遵循的路径，‑根据行车道的边界的形状和位置以及车辆所遵循的路径，确定车辆将到达行车道的边界之一之前的时间间隔，‑将时间间隔与确定的阈值进行比较，并且如果时间间隔小于阈值，则确定车辆处于偏离其车道的过程中。

Description

用于检测车辆离开其车道的装置和方法

技术领域

本披露内容涉及一种用于检测并且甚至预测陆地车辆的车道偏离的装置和方法。本披露内容适用于未配备能够检测道路标记线的传感器的车辆。

背景技术

陆地车辆(特别是汽车、重型货车等)越来越多地包括驾驶辅助功能，这些驾驶辅助功能旨在警示驾驶员注意某些危险或者甚至辅助或替代驾驶员控制车辆。

在这种情况下，能够尽快检测到车辆正处于偏离其行车道或者甚至偏离道路的过程是有用的，使得在必要时，如果不期望车道偏离，可以警示驾驶员或阻止偏离。

为此，车道变更检测算法是已知的。例如，文献US10,406,980披露了一种用于检测车辆的车道变更的系统，该系统包括定位在车辆前部的相机、雷达传感器和计算机，该计算机检测由相机获取的图像中的道路标记(车道分隔线)、根据车辆是否接近车道分隔线而确定车辆是否处于变更车道的过程中，并使用雷达检测与位于相邻车道中的车辆发生碰撞的风险。

然而，一些车辆不一定设置有能够获取其中道路标记可见的图像的相机。在这种类型的车辆中，不可能实施这种类型的基于道路标记分析的车道检测方法。此外，即使车辆配备了相机，一些道路(次要道路、道路维修工程等)也并不总是设置有标记。

文献US10,586,455还披露了一种由包括雷达传感器和计算机的装置实施的车道变更检测方法，该方法包括计算车辆的路径、识别车辆路径中的拐点、并且利用拐点的识别来确认车辆的车道变更。

然而，只有当车辆已经变更车道或处于变更车道的过程中时才能检测到车辆的路径中的拐点。此方法不能用于在车道变更发生之前检测车道变更。

发明内容

本披露内容旨在改善这种情况。

特别地，本披露内容的目的是提出一种用于即使在车辆中没有相机时检测车道偏离的装置和方法。本披露内容的另一个目的是使得可以在车道偏离发生之前检测到该车道偏离。

本发明提出了一种用于检测陆地车辆的车道偏离的装置，该装置包括安装在车辆中的雷达以及至少一个计算机，该雷达能够获取与车辆的周围环境有关的信息，该信息可以用于估计车辆所行驶的道路的至少一个边界的形状和位置，该预测装置的特征在于，该装置被配置成当车辆在包括至少一个行车道的道路上行驶时：

a.基于车辆所行驶的道路的至少一个边界的形状和位置，估计车辆所占用的行车道的位于车辆两侧的每个边界的形状和位置，

b.估计车辆所遵循的路径，

c.根据行车道的边界的形状和位置以及车辆所遵循的路径，确定车辆将到达行车道的边界之一之前的时间间隔，

d.将时间间隔与确定的阈值进行比较，并且如果时间间隔小于阈值，则确定车辆处于偏离其行车道的过程中，

该装置被进一步配置成根据雷达获取的数据，通过使用回旋曲线、道路的行车道的宽度以及行车道的数量来估计至少一个道路边界的形状和位置，并据此推导出车辆所占用的行车道的每个边界的形状和位置。

在实施例中，该装置被配置成通过确定车道的边界与车辆的路径之间的交点并通过计算车辆到达所述交点所需的时间间隔来确定所述时间间隔。

在实施例中，如果车辆的路径与行车道的边界中的每个边界具有交点，则该装置被配置成选择最接近车辆的交点。

在实施例中，该装置被配置成计算车辆在其当前位置与交点之间要行驶的距离，并据此且考虑到车辆的速度及其加速度推导出车辆到达交点所需的时间间隔。

在实施例中，该装置被配置成迭代地实施步骤a.至d.，并且在第一次迭代中：

-假设车辆位于其行车道的中间，估计车辆所遵循的路径，

-如果时间间隔大于确定的第一阈值但小于大于第一阈值的确定的第二阈值，则确定车辆在其车道中的侧向移动并对于下一次迭代，更新车辆的行车道的边界相对于车辆的侧向位置。

根据前述特征中任一项所述的装置，该装置被配置成如果时间间隔小于确定的第一阈值，则实施来自以下组的至少一个动作：

-为车辆的驾驶员生成车道偏离警告，

-生成指令来修改车辆的路径，以将车辆保持在车道中，

-生成使车辆减慢的指令。

在实施例中，雷达是光学雷达(即，激光雷达)。

根据另一个目的，本发明描述了一种用于检测陆地车辆的车道偏离的方法，该方法由根据上述描述的装置实施，其特征在于，该方法包括：

-基于包含车辆所占用的行车道的道路的至少一个边界的形状和位置，估计行车道的每个边界的形状和位置，

-估计车辆所遵循的路径，

-根据行车道的边界的形状和位置以及车辆所遵循的路径，确定车辆到达行车道的边界之前的时间间隔，以及

-将时间间隔与确定的阈值进行比较，并且如果时间间隔小于所述阈值，则确定车辆处于偏离其行车道的过程中或将要偏离其行车道。

根据另一个目的，本发明描述了一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括在该程序由处理器执行时用于实施上述方法的代码指令。

根据另一个目的，本发明描述了一种非暂时性计算机可读记录介质，其上记录有程序，当该程序由处理器执行时，用于实施上述方法。

所提出的装置可以在没有用于获取道路图像的相机的车辆中实施，因为该装置只需要使用可以用于检测道路边缘的雷达，该雷达可以是光学雷达(即，激光雷达)。该装置还可以用在通常使用道路标记来检测车道偏离的车辆中，当车辆在道路标记不存在或难以看见的道路上行驶时使用该装置。

该装置使得可以基于该装置所计算的车道偏离点以及车辆到达车道偏离点之前剩余的时间间隔，在车道偏离实际发生之前预测该车道偏离，无论该车道偏离是车道变更还是偏离道路。

因此，该装置可以用于在车道偏离发生之前警示驾驶员注意他或她的路径，或者控制与可能的车道变更相关的其他驾驶员辅助功能的启用。

附图说明

通过阅读以下详细描述并分析附图，其他特征、细节和优点将变得显而易见，在附图中：

图1

[图1]示意性地示出了安装有根据一个实施例的装置的车辆、以及用于估计车辆的路径以及车道和/或道路的边缘的形状和位置的符号约定。

图2

[图2]示意性地示出了用于确定车辆为了到达车道边缘与车辆路径之间的交点而要行驶的距离的符号约定。

图3

[图3]示意性地示出了用于计算车辆的侧向移动的符号约定。

图4

[图4]示意性地示出了根据一个实施例的由用于检测车道偏离的装置所实施的方法的主要步骤。

具体实施方式

现在参考图1，其示出了结合了车道偏离检测装置1的陆地车辆V(典型地为机动车辆、两轮车辆、重型货车等)。该装置包括安装在车辆中的雷达10，该雷达能够获取与车辆周围环境有关的信息，该信息可以用于检测车辆所行驶的道路的边缘。雷达10还可以是光学雷达(或激光雷达)。装置1进一步包括至少一个计算机11。众所周知，雷达或激光雷达可以包括：敏感元件，该敏感元件在雷达的情况下包括无线电波收发器、或者在光学雷达(激光雷达)的情况下包括激光束；以及计算机，该计算机能够处理由收发器获取的信号，以便据此推导出可以由人类或其他处理系统解释的数据。在实施例中，装置1的计算机11与雷达10的计算机相组合，使得车道偏离检测装置可以被认为是设置有附加检测功能的雷达或激光雷达10。

作为变体，检测装置1的计算机11可以是与传感器10的计算机分离的计算机。该计算机可以是例如处理器、控制器、微控制器或适合于实施下述处理操作的任何其他类型的计算机。

如果检测装置的计算机与雷达分离，则该计算机不一定安装在车辆中。该计算机可以是例如经由无线通信网络上的电信接口与车辆通信的远程计算机。在这种情况下，由计算机获得的车道变更检测信息可以被返回到车辆，以便在车辆中实施下面描述的某些动作。

车道偏离检测装置1被配置成实施用于检测车道偏离的方法，该方法的主要步骤在图4中示出。如下文更详细描述的，该方法是迭代地实施的。该方法可以例如以与用于获取90与车辆的周围环境有关的数据的雷达10的频率相同的频率来实施。例如，该方法可以以1Hz与50Hz之间的频率(例如，20Hz的量级，即每50ms)来实施。

在此方法期间，装置1被配置成当车辆在可以包括一个或多个行车道的道路上移动时，在步骤100期间根据雷达10在步骤90期间进行的测量估计车辆所占用的行车道的边界的形状和位置。

在下文中，例如当考虑最接近道路右侧的行车道的右侧边界时，行车道的边界可以对应于道路边界。行车道的边界还可以对应于两个相邻行车道之间的界限，该界限可以(但不一定)用分界线在道路上指示。然而，车道检测装置不需要实际地检测道路上指示的界限来估计行车道边界的位置。

在实施例中，装置1估计位于车辆两侧的两个行车道边界的形状和位置。这可以是位于车辆一侧的道路边界、以及位于车辆另一侧的界定两个相邻行车道的边界。替代性地，对于包括多于两个行车道的道路，车辆两侧的两个行车道边界可以是界定两个相邻行车道的车道边界。

在步骤100期间，装置1基于包含行车道的至少一个道路边界的形状和位置以及道路的配置来确定车辆所占用的行车道的边界的形状和位置。道路的配置包括道路的行车道的数量以及道路中的行车道的宽度类型。

步骤100包括步骤110：确定至少一个道路边界的形状和位置、以及优选为车辆所行驶的道路的两个边界的形状和位置。在一个实施例中，该步骤由雷达10的计算机实施；作为变体，该步骤由装置1的计算机11来实施。

为了实施车道偏离检测方法，使用回旋曲线来估计道路边界的形状。回旋曲线是一条曲率变化恒定的曲线，定义为：

C_r(l)＝C_r0+Cr_1ll

其中C_r0表示曲线的初始曲率，C_r1表示作为距原点的曲线距离的函数的曲率梯度；并且l表示距原点的曲线距离。

在以车辆为中心、更具体地以位于车辆前端中间的点为中心的正交参考系(X，Y)中并且如图1所示，每个道路边界由以下类型的方程表示：

其中Y表示在定义道路边界的曲线与参考系(X，Y)的Y轴之间的交点的侧向位置，并且θ表示车辆的移动方向与道路或车道边界的切线之间的角度。Y和θ是雷达测量的值并且与车辆的前进行程x无关。

装置1可以因此确定每个道路边界的曲率和曲率梯度，以便据此推导出分别与左侧边界和右侧边界相关联的回旋曲线方程。在某些情况下，道路的左侧边界和右侧边界的曲率和曲率梯度可以相同。

步骤100还包括确定道路的配置的步骤120，该步骤包括确定道路的车道数量和每个车道的宽度类型。例如，可以将行车道分为若干类别，比如“正常宽度”、“窄宽度”或“非常窄宽度”。平均车道宽度值可以与每个类别相关联。步骤120可以由雷达10通过由雷达10的计算机实施的处理算法来实施、或者由计算机11来实施。

装置1然后根据道路边界和所确定的道路配置中的至少一者确定130车辆所占用的车道的边界的形状和位置。

如果道路仅包括单个行车道，则车道边界的形状和位置与道路边界的形状和位置相对应。

如果道路上的车道数量大于1，则车道边界之一可以与道路边界重合，但是至少一个车道边界是将两个行车道分开的边界。对于这种类型的车道边界，装置1基于道路边界之一的形状和位置来估计将两个行车道分开的车道边界的形状和位置。为此，使用与上述相同的方程来近似将两个行车道分开的车道边界的形状。如果为左侧和右侧两个道路边界确定两个不同的方程，则应用以下约定：

-(根据车辆的移动方向)位于车辆左侧的车道边界与位于车辆左侧的边界具有相同的形状(曲率和曲率梯度)，

-(根据车辆的移动方向)位于车辆右侧的车道边界与位于车辆右侧的边界具有相同的形状。

Y的值决定了车道边界相对于以车辆为中心的参考系的Y轴之间的交点的侧向位置，并且在默认情况下通过以下假设来确定：车辆位于它自己的车道的中间，以及该值因此等于车辆所在车道的宽度的一半。车道的宽度可以通过雷达获得，因为如上所述，该雷达可以确定与已被占用的车道相对应的车道分类，并据此推导出相关联的宽度。替代性地，如果车道宽度无法获得，也可以将其设置为标准车道宽度(3.75m)。

然而，更精确地，如果车道边界对应于道路边界，则可以考虑车辆与道路边界之间的实际距离。以这种方式，获得右侧车道边界与车辆之间的距离Y_d，定义为：

其中B_d为车辆与右侧道路边界之间的距离的绝对值，并且LW为车辆所在车道的宽度。Y_d相对于Y轴为负值，如图1所示。

此外，左侧车道边界与车辆之间的距离Y_g定义为(根据图1的符号约定)：

其中B_g为车辆与左侧道路边界之间的距离的绝对值，并且LW为车辆所在车道的宽度。

因此，综上所述，装置1根据雷达获取的关于道路边界中的至少一个道路边界的形状和位置的信息，确定分别(相对于车辆的移动方向)位于车辆左侧和右侧的车道边界的形状和位置。

雷达10或计算机11还被配置成从主车辆确定或接收与车辆的动态相关的信息，该信息特别地包括车辆的速度和加速度，车辆的速度和加速度可以用于估计车辆的路径，车辆的路径呈简化的回旋曲线的形式，简化的回旋曲线由作为车辆行驶的距离的函数的路径的曲率和曲率梯度构成。

因此，通过使用与车辆的动态相关的信息，装置1被配置成在雷达10的计算机或计算机11处使用以下等式来估计200车辆的路径：

其中C_eo是车辆的路径的估计的曲率，并且C_e1是车辆的路径的估计的曲率梯度。

步骤100和200可以以任何顺序执行，因为步骤100和200仅需要雷达10或计算机11获取与道路边界的位置和车辆的动态相关的信息。

计算机11被配置成接下来根据车辆的路径和定义车道边界相对于车辆的形状和位置的方程来确定300车辆到达行车道边界之前的时间间隔。该时间间隔对应于车辆到达其路径与车辆所在车道的边界之一之间的交点所花费的时间。

为了做到这一点，参考图2，装置1首先通过求解以下两个方程和两个未知数的方程组来确定310车辆的路径与车道边界之一之间的交点I的坐标(x_i，y_i)：

例如，可以使用Cardan方法或Tschirnhaus方法来求解该方程组。

由于装置1具有分别对车辆右侧和左侧的两个车道边界的形状和位置进行建模的两个方程，因此该方程组的解的数量可以取决于道路的配置。事实上，可能存在找到多个解的情况。

在一个实施例中，装置1计算该方程组的一个或多个解，并且如果获得多个解，则选择车辆与位于车辆前方且距车辆最近的车道边界的交点。

因此，如果两个车道边界具有相同的形状，则装置1计算车道边界与路径相交的单个交点，该单个交点是x_i坐标为正的交点。

如果两个边界具有不同的形状，则存在多个情况。在一种情况下，装置1未能确定车辆的路径与车道边界之间的具有正xi坐标的任何交点。在这种情况下，装置实施的检测车道偏离的处理操作结束，而没有检测到车道偏离。

在另一种情况下，装置1确定车辆的路径与车道边界之一之间的具有正xi坐标的单个交点。在这种情况下，这个交点用于后续的处理操作。

在最后一个情况下，装置1确定车辆的路径与每个车道边界之间的x坐标为正的两个交点。在这种情况下，选择最近的交点(即具有最小x坐标的交点)用于后续的处理操作。

作为变体，装置1可以仅选择与车道边界之一相对应的两个方程之一，以便求解上述方程组。该边界可以根据其曲率和车辆的曲率被选择作为车辆最有可能越过的边界。例如，如果车辆两侧的两个车道边界以相同的曲率C_r0和相同的曲率梯度C_r1建模，换言之，如果根据图中所示的符号约定，车辆的估计的曲率C_e0大于C_r0，则位于车辆左侧的车道边界可能与车辆的路径相交。在这种情况下，装置仅确定车辆的路径与该车道边界的建模之间的交点。相反，如果Ce0<Cr0，则在车辆的路径与(始终沿车辆的移动方向)位于车辆右侧的车道边界之间寻找交点。

一旦确定了(并且，如果合适，选择了)交点I(xi，yi)，装置1确定320车辆为了到达该交点而要行驶的距离l。参考图2，为了简化计算，该距离l用半径为1/C_eo的圆的最小弧的长度s来近似，该最小弧经过以下点：

-参考系的原点，以及

-车辆的路径与车辆的路径所相交的车道边界之间的交点(x_i，y_i)。

根据定义：

其中α是车辆的路径在参考系原点处的法线与车辆的路径在交点处的法线之间形成的角度。

如果弧弦的长度c对应于曲线长度l，即车辆的当前位置与交点(xi，yi)的位置之间的直线距离：

另外，由图2的图可以推导出，长度c也可以如下计算：

因此，为了到达交点要行驶的距离l通过应用以下公式计算：

最后，计算机11根据该距离l、根据车辆的距离和速度推导出330车辆为了到达交点所需的时间T。为了更高的准确性，所需时间的计算还可以考虑速度修正系数，该速度修正系数考虑了车辆的当前加速度：

其中V(t)是车辆的瞬时速度，a(t)是车辆的瞬时加速度，并且Δt是该方法的两次迭代之间的时间间隔。

该方法的连续迭代使得可以在车辆越过车道边界之前监测该时间T随时间的变化。

在一个实施例中，在步骤400期间，装置将该时间T与预定阈值T1进行比较，并且如果T小于该阈值，则装置确定510车辆正处于偏离其车道的过程中。T1优选地小于5秒，并且优选地在1秒与3秒之间。

作为变体，并且如图4所示，T与两个阈值T1和T2进行比较，其中T2大于确定车道偏离的阈值T1。T2可以例如在3秒与10秒之间。

在这种情况下，当T降低到阈值T2以下时，这意味着车辆正在接近所讨论的车道边界并可能偏离车道。在这种情况下，对于该方法的后续迭代，考虑到车辆在其车道中的侧向移动，装置1更新520车道边界相对于车辆的侧向位置，即Yg和Yd的值。该侧向移动由车辆的瞬时速度和车辆与道路边界之间测量的初始角度确定，从而可以在相交之前的时间T确定相关车道边界的形状和位置。侧向移动DL可以如下计算：

DL＝sin(θ)*v(t)*Δt

然后通过以下方程获得车道边界的侧向位置的更新：

Y_d，k+1＝Y_d，k-DL

Y_r，k+1＝Y_r，k+DL

其中k和k+1表示该方法的两次连续迭代。

车道边界的侧向位置的这种更新意味着，对于下一次迭代，与边界之一相交之前的时间T减少。在每次后续迭代中，装置1继续将时间T与两个阈值T1和T2进行比较，并且：

-如果T在T2与T1之间，则装置1实施与如上所述的车道边界的侧向位置的相同更新520，

-如果T小于T1，则装置1检测510车道偏离，

-如果T再次变得大于T2，则装置1根据以上步骤100的描述中的指示重新初始化530Yg和Yd的值。

当在步骤510期间，装置1检测到车道偏离时，该装置可以将信号发送到车辆的车载计算机，以便车载计算机为车辆的驾驶员生成音频或视觉警告。作为变体，警告可以由装置1直接生成。根据又一变体，车道偏离信息可以由装置1发送至车辆的车载计算机，以便实施其他反应，包括例如以下反应之一：

-生成指令来修改车辆的路径，以将车辆保持在车道中，

-生成使车辆减慢的指令。

该方法因此使得可以在车辆的车道偏离实际发生之前检测到车辆的车道偏离，该车道偏离可以是车道变更或者偏离道路，这使得可以采取措施来防止这种偏离。此外，该方法可以适应不同的道路配置，并且无需分析道路标记就能进行检测。

Claims (10)

1.一种用于检测陆地车辆(V)的车道偏离的装置(1)，该装置包括安装在该车辆(V)中的雷达(10)以及至少一个计算机(11)，该雷达能够获取与该车辆的周围环境有关的信息，该信息能够用于估计该车辆所行驶的道路的至少一个边界的形状和位置，该预测装置(1)的特征在于，该装置被配置成当该车辆在包括至少一个行车道的道路上行驶时：

a.基于该车辆所行驶的道路的至少一个边界的形状和位置，估计(100)该车辆所占用的行车道的位于该车辆两侧的每个边界的形状和位置，

b.估计(200)该车辆所遵循的路径，

c.根据该行车道的边界的形状和位置以及该车辆所遵循的路径，确定(300)该车辆将到达该行车道的边界之一之前的时间间隔(T)，

d.将该时间间隔与确定的阈值进行比较(400)，并且如果该时间间隔小于该阈值，则确定(510)该车辆处于偏离其行车道的过程中，

该装置被进一步配置成根据该雷达(10)获取的数据，通过使用回旋曲线、该道路的行车道的宽度以及行车道的数量来估计至少一个道路边界的形状和位置，并据此推导出该车辆所占用的行车道的每个边界的形状和位置。

2.如权利要求1所述的装置(1)，该装置被配置成通过确定(310)该车道的边界与该车辆的路径之间的交点(I)并通过计算该车辆到达所述交点所需的时间间隔来确定(300)所述时间间隔(T)。

3.如权利要求2所述的装置，其中，如果该车辆的路径与该行车道的边界中的每个边界具有交点，则该装置(1)被配置成选择最接近该车辆的交点。

4.如权利要求2或3所述的装置(1)，该装置被配置成计算(320)该车辆在其当前位置和该交点(I)之间要行驶的距离，并据此且考虑到该车辆的速度及其加速度推导出(330)该车辆到达该交点所需的时间间隔。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，该装置被配置成迭代地实施步骤a.至d.，并且在第一次迭代中：

-假设该车辆位于其行车道的中间，估计该车辆所遵循的路径，

-如果该时间间隔(T)大于确定的第一阈值(T1)但小于大于该第一阈值的确定的第二阈值(T2)，则确定该车辆在其车道中的侧向移动并对于下一次迭代，更新(520)该车辆的行车道的边界相对于该车辆的侧向位置。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，该装置被配置成如果该时间间隔(T)小于确定的该第一阈值(T1)，则实施来自以下组的至少一个动作：

-为该车辆的驾驶员生成车道偏离警告，

-生成指令来修改该车辆的路径，以将该车辆保持在该车道中，

-生成使该车辆减慢的指令。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，该雷达(10)为光学雷达。

8.一种用于检测陆地车辆的车道偏离的方法，该方法由根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)实施，其特征在于，该方法包括：

-基于包含该车辆所占用的行车道的道路的至少一个边界的形状和位置，估计(100)该行车道的每个边界的形状和位置，

-估计(200)该车辆所遵循的路径，

-根据该行车道的边界的形状和位置以及该车辆所遵循的路径，确定(300)该车辆到达该行车道的边界之前的时间间隔，以及-将该时间间隔与确定的阈值进行比较(400)，并且如果该时间间隔小于所述阈值，则确定该车辆处于偏离其行车道的过程中或将要偏离其行车道，

通过使用回旋曲线、该道路的行车道的宽度和行车道的数量来估计至少一个道路边界的形状和位置，以据此推导出该车辆所占用的行车道的每个边界的形状和位置，这是根据该雷达(10)获取的数据进行的。

9.一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括在该程序由处理器执行时用于实施如前一权利要求所述的方法的代码指令。

10.一种非暂时性计算机可读记录介质，其上记录有程序，当该程序由处理器执行时，用于实施如权利要求8所述的方法。