CN204915670U - 一种基于弯道纵向曲率的车辆行驶航向预测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于弯道纵向曲率的车辆行驶航向预测装置，包括：导航天线、导航信号差分接收模块、导航模块、控制单元和存储单元、车速传感器、方向盘转角传感器和转向灯信号传感器、语音提示系统和LCD显示器；导航天线、导航信号差分接收模块提供定位信息给导航模块，控制单元根据导航模块提供的车辆定位信息、存储单元提供的高精地图信息、车速传感器提供的车速信息、方向盘转角传感器提供的车辆转角信息和所述转向灯信号传感器提供的车辆转向信息，计算车辆转角信息、最佳转角范围以及车辆行驶路线，并控制显示与报警单元发出警示声音或显示计算结果。本实用新型避免使用各种距离传感器，结构上得到简化、同时提高了测量精度和集成度。
Description
技术领域
本发明属于汽车领域，具体涉及一种基于弯道纵向曲率的车辆行驶航向预测装置及控制方法。
背景技术
汽车已经成为当今生活中的主要交通工具，其安全性能也成为人们越来越关注的焦点。一辆汽车在公路上行驶至弯道前时由于视线受阻、经验不足、过度疲劳以及酒驾，很容易发生驶离该车所在车道的情况。这往往会导致汽车驶向来车道或撞上路牙，若在车速快的情况下还有可能发生侧翻。加上我国现如今的雾霾天气越来越频繁，在弯道上出现事故的概率将进一步提高。
当前对于车辆在弯道中行驶的研究主要分为两大类：第一类是通过对车辆技术升级辅助驾驶员控制车辆转弯时的状态，比如福特的弯道控制技术、沃尔沃的CornerTractionControl系统、欧姆龙红外线控制弯道车速等，但出于对成本的控制，并不是所有的车型都装有此类装置。且在视线受阻、经验不足、过度疲劳以及酒驾情况下，即使装有这类装置的汽车也无法保障汽车的安全性。第二类是利用无人驾驶技术通过计算机系统控制汽车在弯道上的行驶，这类技术在红旗HQ3上已得到实验，但由于成本巨大以及无法应对各种复杂路况，这项技术近阶段还无法得到普及。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术中成本过高、技术上有局限性、以及雾霭天气等能见度不高的情况下作用不明显的缺陷，提出了一种低成本、实用性较强、可应对复杂路况的车辆弯道行驶航向预测的解决方案。本发明采用的技术方案为：
一种基于弯道纵向曲率的车辆行驶航向预测装置，包括：传感器单元、处理单元以及显示与报警单元；
所述处理单元包括：导航天线、导航信号差分接收模块、导航模块、控制单元和存储单元；所述导航天线和所述导航信号差分接收模块均与所述导航模块相连接，所述导航模块和所述存储单元模块均与所述控制单元相连接；所述导航天线用于接收卫星导航电文，所述导航信号差分接收模块用于接收地面基站的导航差分信号，所述导航模块用于计算车辆定位信息，所述存储单元用于存储高精地图；
所述传感器单元包括：车速传感器、方向盘转角传感器和转向灯信号传感器；所述车速传感器、所述方向盘转角传感器和所述转向灯信号传感器均与所述控制单元相连接；所述车速传感器用于获取车速信号，所述方向盘转角传感器用于获取车辆实时转角值信号，所述转向灯信号传感器用于获取车辆转向信号；所述车速传感器、所述方向盘转角传感器和所述转向灯信号传感器均将获取的信号传输给所述控制单元；
所述显示与报警单元包括：语音提示系统和LCD显示器；所述语音提示系统和所述LCD显示器均与所述控制单元相连接；所述控制单元控制所述语音提示系统发出声音警示信号，所述控制单元控制所述LCD显示器显示建议转角信息；
所述控制单元根据所述导航模块提供的车辆定位信息、所述存储单元提供的高精地图信息、所述车速传感器提供的车速信息、所述方向盘转角传感器提供的车辆转角信息和所述转向灯信号传感器提供的车辆转向信息，计算车辆转角信息、最佳转角范围以及车辆行驶路线。
进一步地，所述车速传感器为车辆自带的车速传感器。
进一步地，所述方向盘转角传感器安装于转向轴上。
进一步地，所述转向灯信号传感器设置在转向开关处。
进一步地，所述导航天线和导航信号差分接收模块安装于车辆顶部无金属遮挡部位；导航模块、控制单元、存储单元安装于前仪表台下方仪表台横梁处；语音提示系统和LCD显示器安装于中控台处。
进一步地，所述控制单元采用以专用汽车级MCU为核心和外围电路，所述外围电路包括轮速处理电路、方向盘转角处理电路和转向灯信号处理电路；所述MCU捕获接口信号进行数据采集；所述轮速处理电路采用PWM波形调理电路；所述方向盘转角处理电路针对模拟输出类传感器和数字输出类传感器分别采用AD转换电路和中断加定时器方式进行数据采集；所述转向灯信号处理电路采用隔离电路加中断方式进行数据采集；所述导航模块和控制单元7采用串行通信方式，语音提示系统和LCD显示器分别采用同步串行通信和SPI接口与控制单元7通信。
基于上述预测装置，本发明还提出了一种基于弯道纵向曲率的车辆行驶航向预测方法，包括如下步骤：
步骤1：控制单元根据存储单元中的高精地图计算前方弯道曲率半径以及路面宽度S并生成车道线；其中，k为弯道曲率；
步骤2：控制单元根据导航模块的差分精确定位信息获取车辆位置与步骤1模拟出的车道线计算出最佳转角范围由LCD显示器显示出；
其中，Y为车长，R1为车辆最小转角行驶路线L1的曲率半径，R2为车辆最大转角行驶路线L2的曲率半径；
步骤3：由当前的方向盘转角与最佳转角范围对比分析此时车辆方向盘转角值是否安全，从而预先判断车辆是否即将驶离车道，并由语音提示系统提示驾驶员调整方向；
步骤4：通过车辆在车道中的定位及车辆转角β模拟出车辆行驶路线L，其半径为对车辆行驶路线L与左边界线W1、右边界线W2进行比较，并通过语音提示系统提示驾驶员；其中，Y为车长，β为车辆转角；
步骤5：控制单元根据导航模块的差分精确定位与高精地图的精确道路信息计算出此时车辆在车道中车辆前定位点A的坐标、车辆后定位点B的坐标、车辆最右前点C的坐标、车辆最右后点D的坐标、车辆最左前点E的坐标、车辆最左后点F的坐标，并通过坐标计算出车辆与左车道线N1最近距离S1、车辆与右车道线N2最近距离S2；
步骤6：控制单元根据步骤5的计算结果，实时判断车辆是否会发生危险，若S1或S2小于20cm，则通过语音提示系统报警。
进一步地，所述步骤5中车辆与左车道线N1最近距离S1、车辆与右车道线N2最近距离S2分别为：
其中，a、b为车辆前定位点A的坐标(a，b),c、d为车辆后定位点B的坐标(c，d)，X为车宽，r为道路曲率半径，S为路面宽度。
和现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明利用导航模块提供的差分精确定位与存储单元存储的高精地图的精确道路信息的功能，避免了使用各种距离传感器，使结构上得到了简化同时提高了测量精度且节约了成本。
(2)本发明的技术方案是在高精导航定位功能的基础上加以延伸，利用高精地图的精确道路信息获取前方道路信息的功能，并集成加以辅助的以道路曲率与宽度模拟车道线程序﹑以方向盘转角模拟行车路线程序﹑实时生成车辆在车道中的坐标程序、计算最小间距程序和语音提示系统和LCD显示器，通过计算出安全转角和模拟出车道线与车辆行驶线以及生成车辆在车道中的坐标，来判断车辆在弯道中行驶的安全性，并提供安全的驶离弯道转角来辅助驾驶员驶离弯道，从而达到预测和报警的功能。
(3)利用控制单元完成对各个部分的控制以及数据的处理，使得整个装置具有更高的集成度。
附图说明
图1是本发明基于弯道纵向曲率的车辆行驶航向预测装置及方法的结构示意图；
图2是本发明基于弯道纵向曲率的车辆行驶航向预测装置及方法的工作流程图；
图3是本发明基于弯道纵向曲率的车辆行驶航向预测装置及方法模拟出的车道线图；
图4是本发明基于弯道纵向曲率的车辆行驶航向预测装置及方法的最佳转角路线图；
图5是本发明基于弯道纵向曲率的车辆行驶航向预测装置及方法的最大转角计算说明图；
图6是本发明基于弯道纵向曲率的车辆行驶航向预测装置及方法模拟出的车辆行驶路线；
图7是本发明基于弯道纵向曲率的车辆行驶航向预测装置及方法生成的车辆在弯道中的坐标示意图。
图中标记：
1-车速传感器，2-方向盘转角传感器，3-转向灯信号传感器，4-导航天线，5-导航信号差分接收模块，6-导航模块，7-控制单元，8-存储单元，9-语音提示系统，10-LCD显示器；S-路面宽度，r-道路曲率半径；L1-车辆最小转角行驶路线，L2-车辆最大转角行驶路线，Z-车辆纵向中心线，W1-左边界线，W2-右边界线，a-边界线与车道线间隔，αMAX-最大转角，C-前轴中点等效转角，Y-车长，X-车宽，R2-车辆最大转角行驶路线L2的曲率半径；β-车辆转角，L-车辆行驶路线，R-车辆行驶路线的曲率半径；A-车辆前定位点，B-车辆后定位点，C-车辆最左前点，D-车辆最左后点，E-车辆最右前点，F-车辆最右后点，S1-车辆与左车道线最近距离，S2-车辆与右车道线最近距离，N1-左车道线，N2-右车道线，O-坐标原点。
具体实施方式
本发明提出了一种基于弯道纵向曲率的车辆行驶航向预测装置及方法，包括传感器单元、处理单元以及显示与报警单元。所述传感器单元包括车速传感器1与方向盘转角传感器2以及转向灯信号3，其负责将车辆实时数据输入到控制单元7；所述处理单元包括导航天线4、导航信号差分接收模块5、导航模块6、控制单元7、存储单元8，导航天线4接收卫星导航电文，导航信号差分接收模块5接受地面基站的导航差分信号与导航模块6相连，导航模块6用于计算车辆定位信息，控制单元7根据导航模块6发出的车辆定位信息与存储单元8所存储的高精地图进行计算；所述显示报警单元中语音提示系统9发出声音警示信号，LCD显示器10显示建议转角。
控制单元7负责计算生成车道线(左车道线N1，右车道线N2)、计算最佳安全转角范围、模拟和比较车辆行驶路线L、比较车辆与车道线相对位置、控制方向盘转角传感器2、控制语音提示系统9和LCD显示器10的工作，语音提示系统9接到信号后可对驾驶员语音提示，LCD显示器10显示建议转角，方向盘转角传感器2获取当前车辆转角β，车速传感器1获取当前车速，控制单元7计算最佳安全转角以及模拟和比较车辆行驶路线，所需参数存入存储单元8内并可由控制单元7调出，导航模块6获取地面基站的导航差分信号与卫星导航电文进行导航和定位计算。
下面结合附图对于本发明的具体实施例做进一步的说明。
本发明提出的基于弯道纵向曲率的车辆行驶航向预测装置及预测控制方法，是利用导航模块的差分精确定位与高精地图的精确道路信息的功能，集成模拟车道线生成算法、最佳安全转角计算程序、车辆行驶路线实时跟踪程序、安全转角显示系统、语音提示系统9，预测未来一定时间内车辆行驶的最佳转向情况，判断车辆在弯道中实际行驶的安全性，并通过语音提示系统9给出报警提示。
如图1所示，本发明基于弯道纵向曲率的车辆行驶航向预测装置包括：车速传感器1，方向盘转角传感器2，转向灯信号传感器3，导航天线4，导航信号差分接收模块5，导航模块6，控制单元7，存储单元8，语音提示系统9，LCD显示器10。导航模块6与控制单元7的输入端相连，用于车辆定位；控制单元7与存储单元8相连、用于获取存储单元8中存储的高精地图以及计算所需参数；车速传感器1为车辆自带的传感器，车速传感器1用于获取车速信息并将所述车速信息反馈给控制单元7；方向盘转角传感器2安装于转向轴上，方向盘转角传感器2用于获取方向盘转角值、并将所述方向盘转角值实时的传递给控制单元7；转向灯信号传感器3从转向开关获取转向信号、并将获取的转向信号传输给控制单元7；导航天线4和导航信号差分接收模块5安装于车辆顶部无金属遮挡部位，便于信号的接收；导航模块6、控制单元7、存储单元8安装于前仪表台下方仪表台横梁处；语音提示系统9和LCD显示器10安装于中控台处，符合人机工程学，控制单元7控制显示与报警单元来显示建议安全转角以及发出警示声音。
控制单元采用以专用汽车级MCU为核心和外围电路，外围电路包括轮速处理电路、方向盘转角处理电路和转向灯信号处理电路等；MCU捕获接口信号进行数据采集；轮速处理电路采用PWM波形调理电路；方向盘转角处理电路针对模拟输出类传感器和数字输出类传感器分别采用AD转换电路和中断加定时器方式进行数据采集；转向灯信号处理电路采用隔离电路加中断方式进行数据采集；导航模块6和控制单元7采用串行通信方式，语音提示系统9和LCD显示器分别采用同步串行通信和SPI接口与控制单元7连接。
如图2所示，为本发明基于弯道纵向曲率的车辆行驶航向预测控制方法。当汽车启动时，驾驶员按下启动按钮对系统进行初始化及自检；导航模块6启动定位功能；控制单元7通过接收到的导航模块6的定位信息以及调用存储单元8内的高精地图可以分析出当前的车辆位置以及前方弯道曲率k以及路面宽度S；控制单元7控制语音提示系统9发出转弯减速提示。本发明的预测控制方法由三种判断方案组成，分别为：1、将方向盘实时转角与利用导航模块6的差分精确定位与高精地图计算出的车辆最佳转角范围进行对比，从而预先判断车辆是否即将偏离车道；2、利用当前的方向盘转角与导航模块的差分精确定位模拟出车辆行驶路线L与车道线进行比较，从而预先判断车辆是否即将偏离车道；3、利用导航模块的差分精确定位与高精地图的精确道路信息计算出此时车辆在车道中各点(A、B、C、D、E、F)的坐标，通过坐标值计算车辆分别与左车道线N1和右车道线N2的最近距离S1、S2，并实时判断车辆是否已偏离车道，偏离车道时通过语音提示系统给出报警。控制单元7通过道路曲率半径以及路面宽度S计算出车道线(左车道线为N1、右车道线为N2，如图3所示)。
具体步骤为：
步骤1：控制单元根据存储单元中的高精地图计算前方弯道曲率半径以及路面宽度S并生成车道线；其中，k为弯道曲率；
步骤2：控制单元根据导航模块的差分精确定位信息获取车辆位置与步骤1模拟出的车道线计算出最佳转角范围由LCD显示器显示出；
其中，Y为车长，R1为车辆最小转角行驶路线L1的曲率半径，R2为车辆最大转角行驶路线L2的曲率半径；
步骤3：由当前的方向盘转角与最佳转角范围对比分析此时车辆方向盘转角值是否安全，从而预先判断车辆是否即将驶离车道，并由语音提示系统提示驾驶员调整方向；
步骤4：通过车辆在车道中的定位及车辆转角β模拟出车辆行驶路线L，其半径为对车辆行驶路线L与左边界线W1、右边界线W2进行比较，并通过语音提示系统提示驾驶员；其中，Y为车长，β为车辆转角；
步骤5：控制单元根据导航模块的差分精确定位与高精地图的精确道路信息计算出此时车辆在车道中车辆前定位点A的坐标、车辆后定位点B的坐标、车辆最右前点C的坐标、车辆最右后点D的坐标、车辆最左前点E的坐标、车辆最左后点F的坐标，并通过坐标计算出车辆与左车道线N1最近距离
车辆与右车道线N2最近距离其中，a、b为车辆前定位点A的坐标(a，b),c、d为车辆后定位点B的坐标(c，d)，X为车宽，r为道路曲率半径，S为路面宽度。
步骤6：控制单元根据步骤5的计算结果，实时判断车辆是否会发生危险，若S1或S2小于20cm，则通过语音提示系统报警。
如图4、图5所示，为本发明基于弯道纵向曲率的车辆行驶航向预测装置及预测控制方法的最佳转角路线图及最佳转角计算说明图，控制单元7通过车辆位置与模拟出的车道线计算出安全转角上下限值(上限为αMAX，下限为αMIN)，由LCD显示器10显示出最佳转角范围。
最佳转角大小计算过程如下：控制单元7通过车辆定位与车道线模拟出车辆最小转角行驶路线L1和车辆最大转角行驶路线L2，车辆最小转角行驶路线L1分别与车辆纵向中心线Z、左边界线W1的出弯道切线延长线相切，车辆最大转角行驶路线L2分别与车辆纵向中心线Z、右边界线W2的出弯道切线延长线相切；通过左边界线W1与左车道线N1间隔(20为预留的最小安全距离，单位为cm)，求得车辆最小转角行驶路线L1的曲率半径R1，通过右边界线W2与右车道线N2间隔(20为预留的最小安全距离，单位为cm)，求得车辆最大转角行驶路线L2的曲率半径R2；通过R1和车长Y计算前轴中点等效转角最小值通过R2和车长Y计算前轴中点等效转角最大值
控制单元7通过方向盘转角传感器2获取当前转角值；控制单元7通过车辆在车道中的定位及车辆转角β模拟出车辆行驶路线L；控制单元7调用程序对车辆行驶路线L与左边界线W1、右边界线W2进行比较，若有交叉则驱动语音提示系统9提示驾驶员调整方向盘。
如图6和图7所示，车辆行驶路线L的曲率半径R计算公式：控制单元7通过转向灯信号传感器3获取转向灯信息，判断车辆此时是否处于换道，如果处于换道状态，则该计算结果视为无效，不发出提示；控制单元7调用导航模块6的差分精确定位与高精地图的精确道路信息计算出此时车辆在车道中各点(如图7中的A、B、C、D、E、F)的坐标。车辆与左车道线N1的最近距离S1、车辆与右车道线N2的最近距离S2的计算方式：车辆定位点A(a，b)、B(c，d)位置由导航模块6的差分精确定位给出，左车道线N1、右车道线N2由存放在存储单元8的高精地图给出，定义坐标原点O(0，0)为车道曲率中心，计算得出C点坐标D点坐标E点坐标 F点坐标通过坐标计算出
当S1或S2小于20cm则车辆不安全，启动报警装置(通过语音提示系统9播报)。
以上所述仅用于描述本发明的详细技术方案，并不用于限定本发明的保护范围，应当理解，在不违背本发明实质内容和精神的前提下，所作任何修改、改进或等同替换等都将落入本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于弯道纵向曲率的车辆行驶航向预测装置，其特征在于，包括：传感器单元、处理单元以及显示与报警单元；
所述处理单元包括：导航天线(4)、导航信号差分接收模块(5)、导航模块(6)、控制单元(7)和存储单元(8)；所述导航天线(4)和所述导航信号差分接收模块(5)均与所述导航模块(6)相连接，所述导航模块(6)和所述存储单元(8)均与所述控制单元(7)相连接；所述导航天线(4)用于接收卫星导航电文，所述导航信号差分接收模块(5)用于接收地面基站的导航差分信号，所述导航模(6)块用于计算车辆定位信息，所述存储单元(8)用于存储高精地图；
所述传感器单元包括：车速传感器(1)、方向盘转角传感器(2)和转向灯信号传感器(3)；所述车速传感器(1)、所述方向盘转角传感器(2)和所述转向灯信号传感器(3)均与所述控制单元(7)相连接；所述车速传感器(1)用于获取车速信号，所述方向盘转角传感器(2)用于获取车辆实时转角值信号，所述转向灯信号传感器(3)用于获取车辆转向信号；所述车速传感器(1)、所述方向盘转角传感器(2)和所述转向灯信号传感器(3)均将获取的信号传输给所述控制单元(7)；
所述显示与报警单元包括：语音提示系统(9)和LCD显示器(10)；所述语音提示系统(9)和所述LCD显示器(10)均与所述控制单元(7)相连接；所述控制单元(7)控制所述语音提示系统(9)发出声音警示信号，所述控制单元(7)控制所述LCD显示器(10)显示建议转角信息；
所述控制单元(7)根据所述导航模块(6)提供的车辆定位信息、所述存储单元(8)提供的高精地图信息、所述车速传感器(1)提供的车速信息、所述方向盘转角传感器(2)提供的车辆转角信息和所述转向灯信号传感器(3)提供的车辆转向信息，计算车辆转角信息、最佳转角范围以及车辆行驶路线。
2.根据权利要求1所述的一种基于弯道纵向曲率的车辆行驶航向预测装置，其特征在于，所述车速传感器(1)为车辆自带的车速传感器。
3.根据权利要求1所述的一种基于弯道纵向曲率的车辆行驶航向预测装置，其特征在于，所述方向盘转角传感器(2)安装于转向轴上。
4.根据权利要求1所述的一种基于弯道纵向曲率的车辆行驶航向预测装置，其特征在于，所述转向灯信号传感器(3)设置在转向开关处。
5.根据权利要求1所述的一种基于弯道纵向曲率的车辆行驶航向预测装置，其特征在于，所述导航天线(4)和导航信号差分接收模块(5)安装于车辆顶部无金属遮挡部位；导航模块(6)、控制单元(7)、存储单元(8)安装于前仪表台下方仪表台横梁处；语音提示系统(9)和LCD显示器(10)安装于中控台处。
6.根据权利要求1所述的一种基于弯道纵向曲率的车辆行驶航向预测装置，其特征在于，所述控制单元(7)采用以专用汽车级MCU为核心及其外围电路，所述外围电路包括轮速处理电路、方向盘转角处理电路和转向灯信号处理电路；所述MCU捕获接口信号进行数据采集；所述轮速处理电路采用PWM波形调理电路；所述方向盘转角处理电路针对模拟输出类传感器和数字输出类传感器分别采用AD转换电路和中断加定时器方式进行数据采集；所述转向灯信号处理电路采用隔离电路加中断方式进行数据采集；所述导航模块(6)和控制单元(7)采用串行通信方式，所述语音提示系统(9)和所述LCD显示器(10)分别采用同步串行通信和SPI接口与控制单元(7)通信。
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| CN201520582494.9U Withdrawn - After Issue CN204915670U (zh) | 2015-08-05 | 2015-08-05 | 一种基于弯道纵向曲率的车辆行驶航向预测装置 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20151230 Effective date of abandoning: 20170804 |