TWI564193B

TWI564193B - 車輛轉向控制系統及方法

Info

Publication number: TWI564193B
Application number: TW103135702A
Authority: TW
Inventors: 漢曙但; 黃繼華
Original assignee: 華創車電技術中心股份有限公司; 漢曙但; 黃繼華
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2017-01-01
Also published as: TW201613784A; CN105752154B; CN105752154A

Description

車輛轉向控制系統及方法

本發明是有關於車輛轉向控制系統及方法，使車輛可自動的進行各樣行駛動作(maneuver)，其包括車道保持、車道變換、左右轉及障礙物閃避。

近年來，讓駕駛者免於勞累開車任務，以及使車輛可自動操控之新車輛科技，正處於積極發展狀態。其中一種關鍵科技就是車輛轉向控制，其使車輛可自動的進行各樣行駛動作，以從一出發地抵達一目的地。常見之行駛動作包括：車道保持(車體不偏離車道並保持於車道內)；車道變換(從正在行駛的車道換至另一車道以保持車速、併線、下高速公路、或準備左右轉)；左右轉；以及障礙物閃避(車輛閃避車道內之障礙物以防止碰撞事故發生)。

為了達成這些行駛動作，常見的車輛轉向控制包含至少兩個部分：路徑規劃及路徑追隨。路徑規劃指的是車輛控制系統首先規劃或產生出一理想路徑，然後車輛依據此路徑行駛並執行行駛動作。通常在車道保持模式下，車輛所追隨之車道自然成為理想路徑。對於其他行駛動作而言，理想路徑的獲取則將依據個別的行駛動作而決定。例如，車道變換的理想路徑與左、右轉的理想路徑截然不同。換句話說，不同行駛動作之理想路徑是經由不同模式或公式而產生的。另外，理想路徑也依據其他因素而決定，例如：車速。舉例來說，當車速越高時，車道變換的理想路徑也越長。理想路徑通常透過一條或多段平滑曲線而建立，其數學式呈現方法包含樣條(splines)、多項方程式(polynomials)等等。在執行行駛動作時，系統會使用理想路徑做為轉向控制的參考。因此，系統執行行駛動作前需儲存理想路徑，或者在執行行駛動作中持續產生新的理想路徑。

有關路徑追隨，系統依據理想路徑及車輛狀況而決定轉向控制指令，進而驅使輪胎使車輛追隨理想路徑。決定轉向控制指令的途徑可分為兩大類。第一大類通常包括：(1)推估或取得理想路徑的曲率、車輛相對於理想路徑的當下橫向偏移及車輛行進方向與理想路徑之切線方向的相對方向角度(heading angle)；(2)以及計算轉向控制指令，其根據的是依據曲率之前授項(feed-forward term)及依據當下橫向偏移及相對方向角度之回授項(feedback term)之組合。第二大類通常包括：(1)依據車輛狀態而預測車輛可能行駛的路徑；(2)判斷前方一段距離之預測路徑與理想路徑之誤差；(3)及根據誤差的線性函數或誤差積分計算轉向控制指令。

目前有關車輛轉向控制系統的習知技術有幾項缺陷。第一項缺點，為了滿足轉向控制做為參考的需要，規劃或產生理想路徑是必要的；然而，此舉也對應增加了系統複雜度及計算量。由於不同的行駛動作有不同的理想路徑，系統必需儲存各個不同行駛動作的理想路徑以及理想路徑所有不同的行駛方式(pattern)。然後，根據所要執行的行駛動作，再找回合適的行駛方式。系統亦需要使用所取回的行駛方式，並且根據車速、路形及其他因素，進而提供出實際的理想路徑。例如，不同的行駛方式可藉由不同的方程式組代表。每組對應一種類型的行駛動作。根據所要執行的行駛動作，系統取回適當的方程式組。另外，依照各個因素，例如車速及路形，系統進一步的決定所取回之方程式組內的不同參數。最後，所取回的方程式組及決定的參數共同界定行駛動作的理想路徑。而且，在執行行駛動作時，倘若系統被設為持續更新理想路徑，則計算的工作量會增加；又若當系統被設定為儲存理想路徑，系統就必需支配記憶空間，以執行儲存的功能，並且系統亦需以車輛當下的位置，進而辨認在理想路徑裡所對應之位置。簡單的說，理想路徑的提供增加了系統複雜度，以及計算及儲存功能的要求。

第二項缺點，每一類型的路徑追隨方法皆有不足。在第一類型中，轉向控制指令包括了前授項及回授項。曲率的取得必需透過推估或預先儲存於數位地圖內(可導致大量的容量或通訊需求，除非車輛只在有限且預先設定的路徑上行駛)。在曲率快速變化的外在環境下，另一個問題就是應該推估及使用哪個曲率(車輛當下位置的曲率或者車輛前方的位置的曲率)。以上的決定也取決車速的考量。而且，既然轉向控制指令源由前授項及回授項的組合，兩者所佔之比重對於表現最佳化又是另一個議題。當車輛狀態和外界環境改變時，所佔的比重多半也要跟著改變。

第二種類型的方法具有的優勢，就是採用相較直接的方法，也就是不需要推估曲率或決定比重；取而代之的是第二種類行的方法需要預測車輛較有可能行駛的路徑。此類方法通常使用兩種簡易的預測手段：主要預測及次要預測。在主要預測之下，所產生的預測路線僅僅就是車輛方向角之方向的直線。換句話說，主要預測假設在推估的時間範圍內，車輛會持續保持目前的方向角。轉向角度指令δ的計算公式為：δ=k‧e。其中，k為預定的比例常數增益值，而e為誤差值，也就是在車輛前方某預設位置，預測路徑與理想路徑之間的距離差。在次要預測方面，預測路徑是根據車輛目前的行駛方向及使用狀態。然後，在車輛前方某預設位置，將預測路徑與理想路徑之間的誤差e做積分，並乘以比例常數增益值k，進而取得轉向角度指令：δ=k‧(Σe)。

雖然第二類型的方法相較簡單，但也有嚴重的性能缺失。當理想路徑幾乎是直線時，使用主要預測手段的控制系統可達到滿意的表現；然而，在有急彎彎道(curve)的狀況下，控制系統的性能表現則非常不好。當控制系統受次要預測主導時，在某些狀況下，車輛在追隨理想路徑時可展現滿意的精準度。以上的狀況包括低或中車速，以及相較緩和的彎道。但是，在預設的前方距離(常數)及預定的增益值(常數)的狀況下，當車輛行駛於高速時，控制系統將變得不穩定，並導致在行駛非常急彎的彎道時偏離路徑。

為了解決上述問題，有些先前技術採用多個控制器並在此些控制器之間做切換。於一種先前技術中，係使用三個控制器。第一個控制器透過主要預測的方式，使用線性函數計算誤差。第二及第三個控制器則透過次要預測的方式，進行誤差積分。第二與第三個控制器之不同處為：第二個控制器使用較小的預定(常數)前方距離(較近的距離)，而第三個控制器則使用較大的預定(常數)前方距離(較遠的距離)。當車輛行駛於直線的道路時，控制系統使用第一個控制器。當車輛行駛於非常急彎的彎道時，控制系統使用則使用第二或第三個控制器。然而，此技術需要在不同的控制器之間做切換，也導致在做切換時，犧牲了控制流暢度。倘若為了改善控制器切換時的流暢度，執行額外的管理機制，系統就會變得更複雜。另外，此技術也必需確保在所有的狀況下，控制器切換之決定能夠選擇正確的控制器。

因此，對於相關人員而言，急需發展一種轉向控制方法及系統以解決先前技術所面臨之上述有關路徑規劃以及路徑追隨的問題。本發明提供了這樣的轉向控制方法及系統。

本發明之一實施態樣提供了車輛轉向控制方法，使車輛可執行不同的行駛動作。車輛裝設有作動器以轉動車輛之輪胎。轉向控制方法包括：於車輛之一觀前距離(look-ahead distance)取得目標點的位置；於觀前距離的位置預測車輛的前進位置；決定目標點與前進位置之間的距離差；將距離差除以觀前距離以計算出標準化的誤差；以及根據標準化誤差的積分決定轉向控制指令。轉向控制指令可藉由將誤差積分乘以一增益(固定或動態)而決定。接著，根據轉向控制指令，作動器使車輛的輪胎做轉向，進而執行不同的行駛動作。

在轉向控制方法中，觀前距離是藉由以下至少一項而決定：車速、車輛偏轉速度、車輛橫向加速度、車輛轉向角度、車道曲率、標準化誤差、目標點與前進位置之間的距離差、車輛追隨車道時與車道線之間的距離、車輛執行中的行駛動作、以及執行障礙物閃避時障礙物之位置。在一實施例中，觀前距離為車速的線性函數。也就是說，當車速增加時，觀前距離也隨之增加。在另一實施例中，觀前距離為車速及車輛偏轉速度的函數。也就是說，當車速增加，觀前距離也隨之增加；而當車輛偏轉速度增加時，觀前距離則隨之遞減。當標準化誤差相對大時，觀前距離遞減，而當標準化誤差相對小時，觀前距離增加。類似地，當目標點與前進位置之間的距離差是相對大時(或小)，觀前距離可對應的遞減(或增加)。另外，行駛動作也可以與觀前距離作結合。例如，左/右轉的觀前距離可被削減。在變換車道時，根據優選的完成變換車道之距離(或時間)，可增長(或縮短)觀前距離。最後，假如車輛所執行的行駛動作是車道保持，當車輛即將穿越車道線時，可縮短觀前距離。當車輛很靠近車道中央行駛時，可增長觀前距離。

在一實施例中，為了取得目標點的位置，轉向控制方法首先根據車輛執行中的行駛動作對目標點做定位。當車輛保持在車道行進時，轉向控制方法以行駛的車道中央線為準，對目標點做偏移(包括零偏移)定位。當車輛在變換車道時，轉向控制方法以變換後的的車道之中央線為準，對目標點做偏移(包括零偏移)定位。當車輛在左轉或右轉時，轉向控制方法以轉彎後的車道之中央線為準，對目標點做偏移(包括零偏移) 定位。當車輛在閃避位於行駛車道內之障礙物時，目標點則位於左側或右側之可用的相鄰車道。最後，根據車道中央線、偏移位置及觀前距離，轉向控制方法計算出目標點的位置。

在一實施例中，假設車輛正行駛於觀前距離的路程，並且維持當下的車速及偏轉速度。在此情況下，轉向控制方法預測車輛的前進位置，而當下偏轉速則取決於車輛當下的偏航率(yaw rate)以及/或是車輛當下的轉向角度。此外，也有另一種預測車輛前進位置的方式。當車輛行駛於觀前距離的路程，這時假設車輛維持當下的車速及轉向角度。根據上述兩種假設狀況，車輛前進位置的預測可藉由幾何關係，運動學模型或車輛動態數學模型(如二維車輛模型)達成。

相較於先前技術，本發明所揭露的轉向控制方法主要有兩個優勢。第一，所揭露的轉向控制方法使用目標點(或目標線)做為控制技術的根據。在車道保持的狀況下，目標點(或目標線)以車輛行駛之車道中央線為準，做偏移(包括零偏移)定位。在其他行駛狀態，目標點(或目標線)則以變換後的車道的中央線為準，做偏移(包括零偏移)定位。因此，對於不同的行駛動作及駕駛情境，本發明所揭露之方法省去規劃或產生不同理想路徑的需要。第二，本發明所揭露之轉向控制方法，首先對預測位置與目標點之間的誤差進行誤差標準化。然後，轉向控制方法才對標準化誤差做積分，並且將積分值乘以回授增益(feedback gain)。當車速增加時，誤差標準化使得所揭露之轉向控制的觀前距離隨之增加，但不對系統穩定度造成負面影響。同時，所揭露之轉向控制也可在不減少回授增益的前提下，縮短觀前距離，以提供車輛在行駛急彎彎道時，進行合適的轉向動作。由於以上兩項優點，本發明所揭露之轉向控制方法提供了簡易的車輛轉向機制，並且在不同行駛動作下及駕駛情況都能確保高精準度及穩定度。

根據上述的轉向控制方法，本發明之另一實施例提供了改良型控制方法。此方法不是索取在車輛前方之一段距離的目標點，而是根據車輛執行中的行駛動作，取得車輛前方的目標線。然後，此方法預估在車輛前方之觀前距離的車輛前進位置，進而計算車輛前進位置至目標線的距離差。接下來，可藉由觀前距離的車輛前進位置至目標線的距離差進行標準化，以計算出標準化誤差。然後，對標準化誤差做積分，接著乘以增益，進而得到轉向控制指令。據此，根據所產生的轉向控制指令，作動器對應地使車輛輪胎做轉向，驅使車輛執行行駛動作。

在一實施例中，所揭露之轉向控制方法取得目標線的方式是先根據行駛動作對目標線做定位。在車道保持的狀況下，目標線以車輛行駛之車道中央線為準，做偏移(包括零偏移)定位。在變換車道的狀態，目標線則以變換後的新車道的中央線為準，做偏移(包括零偏移)定位。當車輛要左轉或右轉時，目標線以轉彎後的新車道之中央線為準，做偏移(包括零偏移)定位。「偏移」可為位置及/或角度偏移。因此，本發明所揭露之方法依據所對應的中央線及偏移，進而計算目標線的位置。

依據本發明所揭露之轉向控制方法，本發明更進一步揭露一轉向控制系統。此系統安裝於具有轉向輪胎的車輛上，進而控制車輛的轉向。轉向控制系統包括：道路偵測裝置，以提供車輛前方之道路資訊；速度感應器，以提供車速訊號；轉向角度感應器，以提供轉向角度訊號；處理器，以計算轉向角度指令；及至少一轉向作動器，作動器根據轉向角度指令使輪胎轉向，進而驅使車輛執行所要的行駛動作。處理器連接道路偵測裝置以接收道路資訊。處理器亦連接速度感應器以接收車速訊號。另外，處理器也連接轉向角度感應器以取得轉向角度訊號。轉向作動器連接轉向角度感應器以接收轉向角度訊號。轉向作動器亦連接處理器以接收轉向角度指令。

在一實施例中，道路偵測裝置包括影像感測器及影像處理單元。影像感測器朝向車輛前方的路面照相。藉由影像感測器所提供的影像，影像處理單元計算出道路的形狀並做為道路資訊。在另一實施例中，道路偵測裝置包括衛星導航系統、數位地圖及處理單元。衛星導航系統負責決定車輛所在位置。處理單元將車輛位置建置於數位地圖中，並且提供車輛前方的道路資訊。在又一實施例中，道路偵測裝置包括雷射掃描器及處理單元。雷射掃描器負責傳送雷射光脈波及蒐集從車輛前之物體所產生的反光。處理單元透過所蒐集的反光而決定道路形態，以做為道路資訊。

處理器按照下列程序來決定轉向角度指令：決定觀前距離；計算車輛前方之觀前距離的目標點位置；預估車輛前進位置；計算目標點所在位置與車輛前進位置之間的距離差；將距離差除以觀前距離以算出標準化誤差；及標準化誤差做積分。

在一實施例中，處理器根據以下至少一項以決定觀前距離：車速、車輛偏航率、車輛橫向加速度、車輛轉向角度、車道彎度、車輛至車道線距離、車輛至障礙物距離、標準化誤差、目標點位置與車輛前進位置之間的距離差，及車輛執行中的行駛動作。接下來，處理器透過以下程序決定目標點的位置：根據道路偵測裝置所提供的道路資訊，進而估計道路之中央線；及根據道路中央線、偏移及觀前距離，進而計算出目標點的位置。目標點位於以道路中央線為基準之偏移位置(包括零偏移)，並且位於車輛前方的觀前距離內。

處理器預估車輛前進位置的方式是：根據轉向角度訊號以估計車輛偏轉速度；及根據車速訊號、車輛偏轉速度及觀前距離，進而計算出車輛前進位置。在另一實施例中，轉向控制系統更包括偏轉速度感應器及處理器。偏轉速度感應器提供車輛的偏轉速度訊號。處理器根據速度感應器所提供之車速訊號，以及偏轉速度感應器所提供的偏轉速度訊號，進而預估車輛前進位置。

在另一實施例中，轉向控制系統連接至安裝於車輛的行駛動作決策單元。處理器從行駛決策單元接收行駛動作指令(例如車道保持、變換車道、左轉、右轉及障礙物閃避)。處理器再根據行駛動作指令而選擇目標線。目標點位於目標線上。處理器接著根據目標線及觀前距離，進而計算目標點的位置。根據行駛動作的指令，目標線以車輛行駛之車道的中央線，或者要變換後的車道的中央線為基準，定位於偏移(包括零偏移)位置。

本發明所揭露之轉向控制系統繼承了本發明所揭露之轉向控制方法所具有的優勢。在不同的駕駛環境下，此些控制系統可操縱車輛以完成不同的行駛動作，並實現高準確度及保有穩定性。

102、202‧‧‧車輛

104、106‧‧‧車道

108、110‧‧‧中央線

112‧‧‧理想路徑

114、116、118‧‧‧參考點

204、206‧‧‧目標點

208‧‧‧實際路線

402‧‧‧弧形路徑

602‧‧‧目標線

A1、A2、A3、L1、L2、L3‧‧‧位置

d‧‧‧觀前距離

B2、P2‧‧‧車輛前進位置

R2‧‧‧參考點

T2‧‧‧目標點

e、ε‧‧‧誤差

500、700‧‧‧程序

步驟502‧‧‧取得目標點位置

步驟504、步驟704‧‧‧預測前進位置

步驟506‧‧‧計算目標點與前進位置之間的距離

步驟508、步驟708‧‧‧計算轉向控制指令

步驟702‧‧‧取得目標線位置

步驟706‧‧‧計算前進位置至目標線的距離

800、900、1000‧‧‧轉向控制系統

802‧‧‧道路偵測裝置

804‧‧‧速度感應器

806‧‧‧轉向角度感應器

808‧‧‧橫向控制處理器

810‧‧‧推估目標位置模組

812‧‧‧決定觀前距離模組

814‧‧‧推估前進位置模組

816‧‧‧決定轉向指令模組

1002‧‧‧選取目標線模組

818‧‧‧轉向作動器

902‧‧‧偏轉速度感應器

904、1004‧‧‧橫向控制處理器

更多本發明之細節是透過所附圖式做解說，其中：[第1圖]係習知轉向控制方法之示意圖，其規劃出變換車道的理想路徑。

[第2圖]係本發明一實施例的目標點示意圖，其為轉向控制所依據的資訊，進而執行變換車道的行駛動作。

[第3圖]係習知轉向控制方法之示意圖，當中，轉向控制指令係根據沿理想路徑之參考點而決定。

[第4圖]係本發明一實施例的轉向控制示意圖，其使用沿車輛所行駛之車道或變換至車道的目標點。

[第5圖]係本發明一實施例的流程圖，其包括根據目標點所建置的轉向控制。

[第6圖]係本發明另一實施例的轉向控制示意圖，其使用車輛所行駛之車道或變換至車道為基準而偏移的目標線。

[第7圖]係本發明一實施例的流程圖，其包括根據目標線所建置的轉向控制。

[第8圖]係本發明一實施例之位於一車輛之一轉向控制系統的示意方塊圖，其中轉向控制系統自動使車輛追隨所行駛的道路。

[第9圖]係本發明另一實施例之位於一車輛之一轉向控制系統的示意方塊圖，其中轉向控制系統自動使車輛追隨所行駛的道路。

[第10圖]係本發明之位於一車輛之一轉向控制系統的方塊示意圖，其中轉向控制系統自動使車輛執行不同的行駛動作。

本發明揭露了一種車輛轉向控制方法及系統。此方法與系統可以在不需規劃理想路徑的情況下執行各種不同的行駛動作。此方法與系統採用位於車輛所行駛之道路、所欲變換之道路或轉入之道路的目標做為控制的參考點。為了協助說明本發明與習知方法的不同，第1圖係為先前技術所採用之方法的示意圖，其規劃出變換車道的理想路徑。第2圖則是係本發明一實施例的目標點示意圖，其被作為轉向控制的依據，進而執行變換車道的行駛動作。

於第1圖中，車輛102所使用的是習知自動轉向控制系統(圖未示出)。在未抵達位置A1前，車輛102沿著車道104之車道中央線108行駛。習知系統係使用車道中央線108做為理想路徑，並且透過沿著理想路徑(車道中央線108)之複數個參考點114而決定轉向控制指令。在位置A1，車輛102需要變換至車道106。因此，習知轉向控制系統規劃或產生出理想路徑112。藉由理想路徑112，車輛102可順利的變換至車道106。接著，習知轉向控制系統使用位於理想路徑112的參考點116進而決定轉向控制指令，並引導車輛102行駛於理想路徑112。當車輛102在位置A3完成變換車道時，習知轉向控制系統將理想路徑改為車道106的中央線110。因此，對於其後的車道保持而言，習知轉向控制系統沿著理想路徑的中央線110定位出參考點118。

於第2圖中，車輛202所使用的是本發明之一實施例的自動轉向控制系統(圖未示出)。相似於第1圖的情況，在抵達位置L1之前，車輛202首先追隨車道104。然後，車輛202變換至車道106，並且持續追隨車道106。但是，不同於習知轉向控制系統，本發明所揭露的自動控制系統對於車道保持或變換車道均不規劃出理想路徑；相反地，本發明的自動控制系統是直接使用複數個目標點當做轉向控制的基準指標，而此些目標點是沿著車輛202所行駛的車道或所欲變換的車道而設置。在抵達位置L1之前，車輛202進行的行駛動作是車道保持。因此，複數個目標點204沿著車道104而設立，而車道104也就是車輛202所行進的道路。在一實施例中，目標點204沿著車道中央線108設立。在另一實施例中，目標點204則設於偏移車道中央線108的位置。在車輛202位於位置L1時及位於位置L1之後，車輛202進行的行駛動作是變換車道，此時複數個目標點206的位置是沿著車道106而設立。車道106也就是車輛202所欲切換的車道。在一實施例中，目標點206的位置是沿著車道中央線110所設立。在另一實施例中，目標點206則設於偏移車道中央線110的位置。透過使用目標點作為轉向控制之基準，本發明所揭露的自動轉向控制系統可順利的引導車輛202自車道104轉換至車道106。也就是說，車輛202的實際行駛路線208為轉向控制的事後效果，而不是變換車道前所規劃出的路徑。在完成變換車道後，車輛202追隨車道106，而目標點206維持於車道106上。

本發明與先前技術對於決定轉向控制指令的差異，可藉由第 3圖與第4圖清楚的說明。第3圖係先前技術之轉向控制方法的示意圖，當中係使用沿著理想路徑所設之複數個參考點。在第3圖中，車輛102位於位置A2，並且正在變換車道。如第1圖所述，先前技術之轉向控制方法使用沿著理想路徑112所設之參考點116做為控制基準。在每一個時間場合t，先前技術之轉向控制方法係使用沿著理想路徑並且位於車輛前方之預先決定距離的特定參考點。預先決定距離可由觀前距離d代表。因此，當車輛102位於位置A2時，做為決定轉向控制指令的特定參考點116為R2。然後，先前技術之轉向控制方法使用主要預測或次要預測，進而預測車輛102的前進位置。譬如，第3圖舉例了次要預測的情況，因此車輛前進位置是B2並且設於車輛102的前方。其中車輛102與車輛前進位置B2之間的距離為前述之觀前距離d。接著，先前技術之轉向控制方法計算出e(t)，也就是參考點R2與車輛前進位置B2之間的距離。於是，轉向控制指令的計算公式為δ(t)=k‧(Σe(t))。值得注意的是，車輛102並不是以理想路徑的位置A2為中心，而且車輛102的方向角並不是朝著理想路徑的切線方向。這是因為車輛的實際路徑或軌跡，通常都會因為剩餘誤差(residue errors)而偏離理想路徑。

第4圖本發明之一實施例的轉向控制方法的示意圖。在本圖中，車輛202位於位置L2，並且正在變換車道。如第2圖所述，轉向控制方法使用複數個目標點206做為控制的基準。此些目標點206則位於車輛所行駛的車道(當車輛202的行駛動作為車道保持)或所要變換的車道(當車輛202的行駛動作為變換車道)。既然車輛202正在變換車道，因此目標點206的位置是設於車道106，也就是沿著車道106的車道中央線110或偏移車道中央線110的位置。在每個時間場合t，轉向控制方法使用一特定目標點，特定目標點係設於車輛前方的觀前距離d(t)。(本發明所揭露之方法的一項優點為觀前距離d是可變化的，並且觀前距離d的變化不會造成系統不穩定或者犧牲性能表現，這項優點會在後續討論。)因此，當車輛位於位置L2時，做為決定轉向控制指令的特定參考點206是T2。在一實施例中，轉向控制方法的下一步為假設車輛維持當下的車速及偏轉速度(偏航率)，然後預估車輛的前進位置。因此，車輛的前進位置是P2。車輛前進位置P2設於車輛202的前方，其中車輛202與車輛前進位置P2之間的距離為前述之觀前距離d(t)。接著，轉向控制方法計算誤差值ε(t)。誤差值ε(t)為目標點T2與前進位置P2之間的距離差。然後，本發明所揭露的轉向控制方法再對誤差值ε(t)進行標準化(normalization)。標準化的方式為將誤差值ε(t)除以觀前距離d(t)，然後進行標準化誤差ε(t)的積分：δ(t)=k(t)‧(Σ(ε(t)/d(t)))。

藉由使用觀前距離d(t)對誤差ε(t)進行標準化，本發明所揭露之轉向控制方法與先前技術相較之下具有相當的優勢。如先前所述，當車輛行駛於急彎的彎道時，根據主要預測所運作的轉向控制系統無法達成滿意的表現。主要預測所假設的是車輛行進於直線的道路。也就是說，當理想路徑包括急彎的彎道時，上述的假設與實際情況是相差很大的。在使用次要預測時，先前技術之轉向控制方法在高車速狀態下，將變得不穩定並且也無法使車輛沿著理想路徑行駛。(就控制理論的觀點來說，一個控制系統需要有足夠的相位邊限及增益邊限，才能夠穩定。為了達成足夠的相位邊限，控制系統需要有足夠的相位領先。為了達到足夠的增益邊限，控制系統的回授增益不應該超過由增益邊限所決定的特定值。)在高車速狀態下，適合低車速使用的觀前距離不足以提供轉向控制系統足夠的相位領先。在缺少足夠的相位領先狀況下，轉向控制系統較容易變得不穩定。一種可能的補救方法是當車速增加時，也增加觀前距離。然而，在同樣的理想路徑及預測路徑狀況下，觀前距離越長，誤差ε也就越大。因此，增加觀前距離的時間實質上也等於增加回授增益。以上情況也就導致轉向控制系統損失增益邊限，也進而造成系統不穩定。

本發明所揭露之轉向控制方法假設車輛維持當下的偏轉速(或轉向角)，進而預測車輛的前進位置。因此，在車輛行進於直線車道或急彎彎道，本發明所揭露之轉向控制方法皆能預測車輛的前進位置。更重要的是，誤差值ε透過觀前距離而標準化，並且將結果做積分以計算出轉向控制指令。在較高的車速下，本發明所揭露的轉向控制法可增加觀前距離d，進而引進更多的相位領先至系統中。雖然觀前距離的增加也會加大誤差值，但是誤差值的標準化(誤差除以觀前距離)會除去先前技術中增加觀前距離時所產生的負面影響。簡單的說，藉由誤差值的標準化，本發明所揭露之轉向控制方法可彈性地調整觀前距離d(t)，進而在廣泛的車速範圍下仍然維持系統穩定度及表現。

如同先前所述，根據次要預測的先前轉向控制的另一缺點就是在急彎的狀況下，車輛無法維持沿著理想路徑行駛。在直線車道或平緩彎道之適用的觀前距離，對於急遽變化的路徑有可能過長。因此，參考點會過遠，進而導致無法捕捉到理想路徑的實際彎道。一種可能的補救辦法是當車輛行駛於急彎的彎道時，縮減觀前距離的長度。可是，在同樣的理想路徑及預估路徑情況下，往前看一段路徑越短時，誤差值ε也越小。因此，觀前距離的縮短，實質上等於減少回授增益。以上的情況導致先前技術之控制系統在需要使車輛行駛於急彎的車道時，無法提供合適的轉向控制指令。

先前技術之轉向控制方法的限制也藉由本發明所揭露之轉向控制方法當中的誤差標準化而克服。當行駛於急彎的彎道時，本發明所揭露的轉向控制系統可縮短觀前距離。雖然觀前距離的縮短也導致較小的誤差值ε，但是對回授增益的影響不大，主要原因是較小的誤差值ε被較小的觀前距離標準化了。因此，本發明所揭露的轉向控制系統具有足夠的回授增益，以提供車輛在行駛急彎的彎道時，擁有足夠的轉向控制。

綜上所述，相較於先前技術，本發明所揭露之轉向控制方法具有兩大優勢。第一，本發明所揭露的轉向控制方法使用目標點作為控制的基準，而目標點係位於車輛所行駛的車道上(當行駛動作為車道保持)或所要變換的車道(當行駛動作為其他行駛動作)。因此，對於不同的行駛動作及駕駛狀況，本發明所揭露之轉向控制方法無需規劃或產生不同的理想路徑。第二，本發明所揭露的轉向控制方法對於預測位置與目標點之間的誤差進行標準化作業，將標準化誤差作積分，然後將標準化誤差之積分乘以回授增益，進而計算轉向控制指令。透過誤差標準化，當車速增加時，本發明所揭露的轉向控制允許觀前距離也隨之增加，但不會犧牲系統穩定性。另外，誤差標準化亦使本發明所揭露的轉向控制方法，在縮減觀前距離的同時，無需減少回授增益。因此，車輛在行駛急彎的彎道時，擁有足夠的轉向控制。根據控制理論的分析顯示，無論車速(及道路彎度)為何，藉由誤差標準化的緣故，進而引進了兩個開迴路零點(open-loop zeroes)，其具有理想及固定的阻尼比。由於閉迴路控制系統的極點係朝向開迴路零點靠近，誤差標準化進而使閉迴路控制系統在廣泛的車速範圍下維持較高的回授增益，但不犧牲系統穩定度。簡而言之，在不同的行駛動作及駕駛情況下，本發明所揭露的轉向控制方法提供了一種簡易的車輛轉向機制，其具有高精準度及保有穩定性。

第5圖為本發明之一實施例的轉向控制方法之程序500的流程圖。程序500內建於安裝在車輛的處理器。處理器採用即時作業方式，並且使用預設的處理週期，例如10ms。程序500由步驟502開始，其為取得目標點的位置。根據車輛正在進行的行駛動作，程序500首先決定目標點所位於的車道。當車輛所進行的行駛動作是車道保持時，目標點位於車輛所行駛的車道內。當車輛在變換車道時，目標點則位於所欲變換的車道(如第2圖及第4圖所示)。當車輛要左轉或右轉時，目標點位於車輛所要轉入的車道。當車輛在所進行的行駛動作為障礙物閃避以閃避目前車道內的障礙物時，目標點位於左側或右側可用的車道。在一實施例中，目標點恆位於車道的中央線。在另一實施例中，目標點位於偏移車道中央線的位置，其中偏移量是非固定的，可以為零偏移或非零偏移。

當程序500已決定目標點所位於的車道，程序500接著決定觀前距離，並且使用以下至少一項因素做為決定觀前距離的依據：車速、車輛偏轉速度、車輛橫向加速度、車輛轉向角、車道彎度、車輛與車道邊線之間的距離、車輛與障礙物之間的距離、標準化誤差、目標點與前進位置之間的距離差、車輛的行駛動作以及障礙物的位置(假如行駛動作為障礙物閃避時)。在一實施例中，觀前距離為車速的函數。例如，d(t)=a‧v(t)，其中d是觀前距離，v是車速，而a可為常數或可變化的增益。在另一實施例中，觀前距離的下限也可以下式表示：d(t)=max(a‧v(t),dmin)。也就是說，假如a‧v(t)>dmin，則d(t)=a‧v(t)；否則d(t)=dmin。又一實施例中，觀前距離d(t)為車速與車輛偏轉速度的函數：d(t)=f(v(t),ω(t))，其中ω(t)是車輛的偏轉速度(偏航率)。函數f(v(t)、ω(t))被設計為當車速增加時，觀前距離d(t)亦增加；而當車輛偏轉速度增加時，觀前距離d(t)則減少。在另一實施例中，轉向角度取代偏轉速度以決定觀前距離d(t)。又一實施例中，觀前距離d(t)的決定是根據車速及車道的彎度。當彎度越大時，觀前距離d(t)就越短。另外，當標準化誤差相較變大時，觀前距離亦變短。當標準化誤差相較變小時，觀前距離則變長。類似地，當目標點位置與前進位置之間的距離差較大時(或較小)，觀前距離可對應地遞減(或增加)。(由於每個處理週期的觀前距離，是在計算標準化誤差或者目標點與前進位置之間的距離差前就已經決定了。因此，上一個週期的標準化誤差或者目標點與前進位置之間的距離差，可被使用於決定下一個週期的觀前距離。)最後，倘若車輛正在進行的行駛動作為車道保持，當車輛即將要穿越車道邊線時(相對遠離車道中心)，觀前距離可減少。當車輛靠近車道中心行駛時，觀前距離可增加。還有，車輛行駛動作也透過以下的方式被納入：例如，對於左轉和右轉的情況，觀前距離d(t)可被縮減。對於變換車道來說，假如更長的距離(或者更多的時間)為變換車道的優先選擇，那麼觀前距離可增加。相反地，假如變換車道要在較短的距離完成，觀前距離可減少。

當車道與觀前距離d(t)已經被決定後，程序500接著計算位於車道之中央線上(或者偏移中央線)的目標點位置。目標點至車輛的距離等於觀前距離d(t)。在一實施例中，目標點的位置是透過解兩個公式而獲取：第一個公式代表車道中央線(或者偏移中央線)，而第二個公式代表目標點與車輛之間的距離，其等於觀前距離。

接下來，在步驟504中，程序500預估車輛的前進位置。前進位置也位於車輛前方的觀前距離d(t)。所預估的前進位置是根據以下的假設：當車輛行駛於觀前距離時，車輛將維持當下的車速及偏轉速度。換句話說，如第4圖所示，車輛202行駛於弧形路徑402，其半徑為R=v(t)/ω(t)，當中v(t)為車速，ω(t)為車輛偏轉速度或偏航率，而弧長為觀前距離d(t)。弧形路徑402的終點為預估的前進位置P2。因此，根據簡單的幾何關係，可取得前進位置的所在位置。在一實施例中，預估的過程中直接使用車輛的偏航率。在另一實施例中，轉向角度則是做為預估偏轉速度的工具。

在步驟506中，目標點與前進位置之間的距離被計算為誤差值ε(t)。接著，在步驟508中，程序500按照以下方式決定轉向控制指令：(1)使用觀前距離d(t)對誤差值ε(t)進行標準化，進而取得標準化誤差ε(t)/d(t)，(2)標準化誤差積分：Σ(ε(t)/d(t))，(3)將標準化誤差積分乘以增益，進而產生轉向控制指令：δ(t)=k(t)‧(Σ(ε(t)/d(t)))。安裝於車輛之作動器接收所產生的轉向控制指令，並且根據轉向控制指令操縱輪胎，使車輛進行所需的行駛動作。

在另一個轉向控制方法的實施例中，目標點由目標線取代。接著，預估的前進位置至目標線的距離被計算為誤差值ε(t)，其使用於轉向控制指令：δ(t)=k(t)‧(Σ(ε(t)/d(t)))。在此實施例中，位於車輛前方的目標線是根據車輛所進行的行駛動作而取得。當車輛在進行車道保持動作時，此目標線位於車輛所行駛之車道上之偏移(包括零偏移)車道中央線的位置。(當偏移為零時，目標線就是車輛所行進之車道的中央線。)當車輛在變換車道時，目標線位於車輛所欲變換的車道之偏移(包括零偏移)中央線之位置。當車輛要左轉或右轉時，目標線位於車輛所欲轉入的車道之偏移(包括零偏移)中央線之位置。當車輛在進行障礙物閃避時，目標線位於偏移車輛所行駛之車道的中央線之位置。目標線的偏移位置取決於障礙物的尺寸與位置以及鄰近車輛所行駛車道的左側和右側車道的可用性。偏移本身又可分為位置偏移及/或角度偏移。當偏移為位置偏移時，目標線與車道中心線相互平行，並且彼此之間相差一距離(包括零距離)。當偏移為角度偏移時，目標線是藉由旋轉車道中央線至某角度而定位的。當偏移同時包括了位置偏移及角度偏移，目標線的定位是透過：首先將車道中央線做位置偏移的平行移位，然後再旋轉移位的平行線至特定的角度偏移。

第6圖為本發明所揭露之轉向控制方法的一實施例之示意圖。本圖中的車輛202正在從車道104換至車道106。在變換車道中的車輛202位於位置L2。因此，目標線定位於偏移(包括零偏移)車道106之車道中央線110的位置。車道106也是車輛202所要變換的道路。於本圖中的實施例，偏移量為零位置偏移，而目標線602就設於車道106的中央線110。本發明之轉向控制方法接著預估車輛前進位置P2，其位於觀前距離d，如同第4圖。觀前距離d，並取決於以下至少一項目：車速、車輛偏轉速度、車輛橫向加速度、車輛轉向角度、車道彎度、標準化誤差、前進位置至目標線的距離差、車輛行駛動作以及障礙物的尺寸與位置(倘若行駛動作為障礙物閃避時)。然後，本發明之轉向控制方法找出前進位置P2與目標線602之間的距離差，並稱為誤差項ε(t)。接下來，本發明之轉向控制方法計算出標準化的誤差。計算的方式為距離差除以觀前距離，也就是ε(t)/d(t)。之後，將標準化誤差做積分，並乘以增益，進而計算出轉向控制指令：δ(t)=k(t)‧Σ(ε(t)/d(t))。最後，安裝於車輛之作動器接收所產生的轉向控制指令，並且根據轉向控制指令操縱輪胎，使車輛進行所需的行駛動作。

第7圖為流程圖，其顯示本發明之一實施例的轉向控制方法之程序700，且程序700係基於目標線，程序700。程序700與第5圖中的程序500不同。具體的說，程序700是根據步驟702中的車輛行駛動作，進而取得目標線的位置(而不是目標點)。程序700取得目標線位置的次序是：(1)根據車輛行駛動作，定位出目標線，以及(2)根據車道中央線及目標線與中央線之間的偏移(包括零偏移)，計算目標線的位置。然後，於步驟704中，程序700決定出觀前距離，並且預估車輛前進位置。車輛前進位置設於在車輛的前方的觀前距離內。於步驟706中，程序700計算從前進位置至目標線的距離。最後，於步驟708中，程序700計算轉向控制指令。計算的方式為：(1)將誤差項標準化(ε(t)/d(t))，(2)將標準化誤差值做積分，(3)將誤差值的積分與增益相乘(δ(t)=k(t)‧Σ(ε(t)/d(t)))。

第8圖為安裝於車輛的轉向控制系統800之示意方塊圖。車輛本身具有複數個輪胎，其控制車輛的行駛方向。轉向控制系統800包括道路偵測裝置802、速度感應器804、轉向角度感應器806、橫向控制處理器808及至少一轉向作動器818。道路偵測裝置802提供車輛前方的道路資訊。速度感應器804提供車速訊號。轉向角度感應器806提供轉向角度訊號。橫向控制處理器808決定出轉向角度指令。至少一作動器818根據所產生的轉向控制指令，負責偏轉輪胎，使車輛進行所需的行駛動作。

在一實施例中，道路偵測裝置802包括影像感應器及影像處理單元。影像感應器收集車輛前方的影像，而影像處理單元根據所收集的影像資料，計算出道路的形狀。舉例來說，道路可由車道標記界定，其中車道標記組成標線(直線或彎線)。這些標線(直線或彎線)可經由數學方程式代表，例如多項式方程式。因此，在一實施例中，影像處理單元由影像感應器所收集的影像資訊辨認出車道標記，並且依照車道標記決定多項式方程式的參數。是以，在影像偵測裝置802所提供的道路資訊中，其包含了車道標記的多項式參數。在此的車道標記通常指的是車輛所行駛的車道之左、右標線。

在另一實施例中，道路偵測裝置802包括衛星導航系統、數位地圖及處理單元。衛星導航系統決定出車輛的所在位置。衛星導航系統的種類包括GPS/Global Positioning System(全球定位系統)、GLONASS/Global Navigation Satellite System(全球導航衛星系統)、Galileo Positioning System(伽利略定位系統)及Beidou Navigation Satellite System/BDS(北斗導航衛星系統)。數位地圖包含了道路資訊。處理單元將車輛位置建立於數位地圖內，並且提供車輛位置前方的道路資訊。衛星導航系統在地理座標系統中(例如經度、緯度及海拔高度座標系統)提供車輛的位置。透過建立車輛位置於數位地圖中，處理單元可在地圖中辨認出車輛所在位置，並且獲取週邊道路資訊。道路資訊可包括道路方向、道路彎度、車道位置、車道數量、車道寬度、節點位置、道路交叉點(路口)之間的距離等等。

在一第三實施例中，道路偵測裝置802包括雷射掃描器及處理單元以提供道路資訊。雷射掃描器發送雷射脈波，並且捕捉從車輛前方之物體所反射的光束。處理單元根據時差測距的原理(Time-Of-Flight/TOF)，決定車輛與物體之間的距離。相較於全部的地面量測，由於車道標記的高反射率，車道標記的量測速率(捕捉到的反射光)是較高的。因此，處理單元可依據光束反射的速率，偵測出車道標記。相應地，車道標記(直線或曲線)可經由不同的方程式代表，譬如多項方程式。接著，處理單元根據所偵測到的車道標記，計算出多項方程式的參數。所以，道路資訊中包括了車道標記的多項式參數，其通常為車輛行進中之車道的左、右兩側車道標記。

橫向控制處理器808連接於道路偵測裝置802以接收道路資訊。橫向控制處理器808亦連接至速度感應器804以接收車速訊號。另外，橫向控制處理器808也連接至轉向角度感應器806以接收轉向角度訊號。根據轉向角度感應器的位置，轉向角度訊號是輪胎的行駛角度、方向盤角度或轉向系統中方向盤與輪胎之間之轉軸的角度。

為了決定轉向角度指令，橫向控制處理器808採用的程序與第5圖中的程序500類似。橫向控制處理器808首先決定觀前距離d於模組812。如第5圖之步驟502所述，觀前距離是根據以下至少一項目而決定的：車速、車輛偏轉速度(車輛偏航率)、車輛橫向加速度、車輛轉向角度、車道彎度、標準化誤差、前進位置與目標點之間的距離差、車輛至車道邊線的距離(當行駛動作為車道保持時)、車輛行駛動作、以及障礙物的位置(當行駛動作為障礙物閃避時)。

於模組810當中，橫向控制處理器808推估目標點的位置。目標點的位置是設於偏移(包括零偏移)車道中央線的位置，並且也位於車輛前方的觀前距離內。在一實施例中，轉向控制系統800只有執行車道保持的行駛動作。因此，車道中央線恆為車輛所行駛之車道的中央線。(在其他實施例中，轉向控制系統800執行其他行駛動作，其包括車道保持、變換車道、左/右轉及障礙物閃避。此實施例的細節將稍後搭配第10圖討論。)

在一實施例中，橫向控制處理器808首先根據道路偵測裝置802所提供的道路資訊，推估出車道中央線，再進而推估目標點的位置。如之前所述，假如使用的是影像或雷射掃描型的道路偵測裝置，道路資訊將包括道路形狀，也就是代表左及/或右側的車道標記之方程式。是以，車道的中央線可經由同類型的方程式代表(例如多項式方程式)。而且，藉由左及/或右側之車道標記的方程，代表車道中央線之方程式的參數可被推估出來。倘若道路偵測裝置採用的是衛星導航技術，那麼道路資訊將包括道路方向、彎度、車道位置、車道數量、車道寬度等等。車道的中央線可估計為弧線，其半徑為1除以道路彎度，而切線方向是道路方向。弧線的起點為車輛所行駛之車道的中心。透過以上任何一種道路偵測裝置，車道中心線被推估為代表中央線(直線或曲線)的方程式。

接下來，橫向控制處理器808根據車道中心線以及觀前距離，計算出目標點的位置。基本上，計算過程包括了求出車道中央線之方程式的解(例如：f(x,y)=0)及代表觀前距離之方程式的解(x²+y²=d²)。位於車輛前方(Tx>0)的解答(Tx,Ty)就是目標點的位置。在本實施例中，目標點位於車道中央線及車輛前方的觀前距離內。在另一實施例中，目標點可定位於偏移車道中央線的位置，並且在車輛前方的觀前距離內。在此實施例的情況下，計算過程包括求出偏移中央線之方程式的解(例如：f(x,y,m)=0，其中m是偏移量)及代表觀前距離之方程式的解(x²+y²=d²)。

在另一實施例中，橫向控制處理器808在不推估車道中央線的情況下根據道路資訊直接推估車道中央線的偏移。譬如，道路資訊包括左及/或右側車道標記的方程式。然後，橫向控制處理器808藉由求出偏移車道中央線之方程式及代表觀前距離之方程式的解而計算出目標點的位置。

於模組814當中，橫向控制處理器808預測出車輛的前進位置。預測過程是根據轉向角度訊號及觀前距離。在一實施例中，所做的估測所使用的假設為：車輛維持當下的車速及偏轉速度(偏航率)。也就是說，車輛沿著弧線行進時的半徑是不變的。根據轉向角度的幾何關係，弧線的半徑被推估為：R=L/tan(δ)=L/tan(α‧δ_meas)。在此公式中，L為車輛的軸距，δ為輪胎的轉向角度，δ_meas為轉向角度感應器所提供的轉向角度數據，而α為輪胎轉向角度與轉向角度數據(由轉向角度感應器提供)的比例。α的值受轉向角度感應器的安裝位置而影響(例如位於轉向柱或動力轉向單元)。當轉向角度感應器的位置被決定後，就可得知α。

在另一實施例中，車輛偏轉速度是由車輛模型根據轉向角度所推估的。一個車輛模型的例子就是著名的二維車輛模型。在二維車輛模型的架構下，車輛偏轉速度為模型的狀態，而車速為模型的參數。此模型設轉向角度為輸入值，並且推估車輛的偏轉速度為模型的其中一種狀態。另一方面，當使用車輛動態模型時，可推估出車輛偏轉速度ω(t)至ω(t+T)的時序數據。此推估所設的假設是在[t,t+T]的時段，車輛保持當下的車速v(t)及轉向角度δ(t)，其中T可設為d(t)/v(t)。也就是說，T是車輛完成行駛觀前距離d(t)所花的時間。因此，根據車速及推估的車輛偏轉速度，車輛的前進位置可經由以下的方程式決定出來：x(t_k+1)=x(t_k)+v(t)‧(t_k+1-t_k)‧cos(θ(t_k))；y(t_k+1)=y(t_k)+v(t)‧(t_k+1-t_k)‧sin(θ(t_k))；θ(t_k+1)=θ(t_k)+ω(t_k)‧(t_k+1-t_k)。

在座標固定於車輛的狀態下，模型的初始狀態為(x(t₀),y(t₀),θ(t₀))=(0,0,0)。請注意在本實施例中，在[t,t+T]的時段，由於車輛是假設為保持當下的車速，速度永遠是v(t)。在另一實施例中，在[t,t+T]的時段，速度可根據當下的加速度a(t)或加速度曲線而推估出來。因此，車輛的前進位置可經由以下的方程式推估出來：x(t_k+1)=x(t_k)+v(t_k)‧(t_k+1-t_k)‧cos(θ(t_k))；y(t_k+1)=y(t_k)+v(t_k)‧(t_k+1-t_k)‧sin(θ(t_k))；θ(t_k+1)=θ(t_k)+ω(t_k)‧(t_k+1-t_k)；v(t_k+1)=v(t_k)+a(t_k)‧(t_k+1-t_k)。

在一實施例中，弧線的起點為車輛當下的位置，而弧線的切線為車輛方向。當推估目標點的是車輛固定座標，在此座標的車輛當下位置是(0,0)，而切線位於x軸。因此，弧線可被函數g(x,y)=0特別地界定出來。相對應地，透過解方程式g(x,y)=0及x²+y²=d²，位於觀前距離內的前進位置可被決定出來。所求出的解(Px,Py)，其中Px>0，就是前進位置。

當目標位置(Tx,Ty)、前進位置(Px,Py)及觀前距離d均已決定出來後，橫向控制處理器808於模組816計算出轉向指令。處理器808首先計算出目標點位置與前進位置之間的距離差：ε=sqrt((Tx-Px)²+(Ty-Py)²)。接著，將距離差除以觀前距離(ε/d)，處理器808計算出標準化誤差，然後將標準化誤差值做積分：Σ(ε/d)。最後，處理器808將標準化誤差的積分乘以某增益(δ=k‧Σ(ε/d))，決定出轉向角度指令。

由於距離差ε及觀前距離d不是固定值，轉向指令由δ(t)=k‧Σ(ε(t)/d(t))代表較合適。在另一實施例中，橫向控制處理器808進一步的調整增益k，其調整的做法是根據以下至少一項目：距離差ε、觀前距離d、標準化誤差ε/d、車速、轉向角度及道路彎度。因此，增益k亦為變數，所以轉向指令可以再進一步改寫成：δ(t)=k(t)‧Σ(ε(t)/d(t))。在一實施例中，當標準化誤差ε/d大於某臨界值，或者標準化誤差有很大的改變，這時橫向控制處理器808會減少增益k。在另一實施例中，當轉向角度相較大時(例如大於某臨界值)，橫向控制處理器808會增加增益k。類似地，當道路的彎度相較大時，橫向控制處理器808可提高增益k。(橫向控制處理器808可經由車道中央線之方程式，取得道路彎度。另一種方法是，假如使用的是衛星導航型的道路偵測裝置802，橫向控制處理器808可透過道路偵測裝置802所提供的道路資訊，直接取得道路彎度。)

於模組816完成轉向指令的計算後，橫向控制處理器808輸出轉向指令至轉向作動器818。轉向作動器818根據轉向指令δ，操縱輪胎以使車輛維持在車道內。在一實施例中，被操縱的輪胎為車輛的前輪。轉向作動器818依據轉向指令δ，操縱車輛的前輪。在另一實施例中，可轉向的輪胎包括前輪與後輪，而轉向控制系統800包括一對轉向作動器。前作動器負責前輪的轉向，而後作動器負責後輪的轉向。前作動器可使前輪的轉向角度至δ_f，而後作動器可使後輪的轉向角度至δ_r，其中兩個角度滿足以下的關係：δ_f-δ_r=δ。在一實施例中，δ_f及δ_r轉向角度分別滿足δ_r=(c/(L-c))‧δ_f之關係，其中L為車輛的軸距，而0<c<L。因此，透過求出以上兩個方程(δ_f-δ_r=δ及δ_r=(c/(L-c))‧δ_f)的解，兩個作動器可決定出所對應的轉向角度，加以對前輪及後輪進行轉向。

第9圖為轉向控制系統900的示意方塊圖。轉向控制系統900安裝於車輛上。車輛包括複數個控制車輛轉向的轉向輪胎。轉向控制系統900之實施例不同於第8圖中的轉向控制系統800。不同處為轉向控制系統900使用偏轉速度感應器902(偏航率感應器)來量測車輛的偏轉速度。然後，橫向控制處理器904使用偏轉速度感應器902所提供的偏轉速度訊號，預測出車輛前進位置於模組814。橫向控制處理器904所做的預測，是基於假設車輛保持當下的車速及偏轉速度。也就是說，車輛沿著圓弧行進時的半徑不變。經由速度感應器804所提供的車速訊號，以及偏轉速度感應器902所提供的偏轉速度訊號，圓弧的半徑R可藉由R=v/ω之公式決定出來，其中v是車速及ω是偏轉速度。圓弧的起點為車輛當下的位置，而圓弧起點之切線是車輛前進方向。在一實施例中所使用的是載具座標(vehicle-fixed coordinates)。因此，圓弧的起點是(0,0)，而切線為x座標軸。所以，圓弧可個別地透過半徑而定義出來。另外，經由求出圓弧方程式(g(x,y)=0)及觀前距離方程式(x²+y²=d²)的解，前進位置(Px,Py) 可被計算出來。

第8圖中的轉向控制系統800及第9圖的轉向控制系統900所執行的是車道保持的行駛動作，其中，以車輛所行駛的車道來說，目標點恆位於偏移(包括零偏移)車道中央線的位置。請參照第10圖，係為安裝於車輛中的轉向控制系統1000之示意方塊圖。轉向控制系統1000自動性地使車輛轉向，以執行不同的行駛動作。相較於第8圖中的轉向控制系統800，轉向控制系統1000更進一步地與一單元(圖未示)相連接，以接收行駛動作指令。然後，橫向控制處理器1004決定出轉向指令以執行行駛動作。提供行駛動作指令的單元可為自律決策單元，其功能為：接收起點位置及目的地位置(例如：駕駛員所提供的)、決定起點與目的地之間的路徑、監測週遭的駕駛環境、以及在追隨所要行駛之路徑及確保安全的限制下決定車輛需要執行的行駛動作。

為了要執行特定的行駛動作(例如：車道保持、車道變換、左轉、右轉及障礙物閃避)，橫向控制處理器1004更進一步地包括目標線選擇模組1002。目標線選擇模組1002根據行駛動作指令及道路偵測裝置802所提供的道路資訊，挑選出目標線。根據行駛動作指令，以車輛所行駛的車道或者所要變換的車道來說，目標線是位於偏移(包括零偏移)車道中央線的位置。譬如，假如行駛動作指令是車道保持，那以車輛所行駛的車道來說，目標線是位於偏移(包括零偏移)車道中央線的位置。假如行駛動作指令是變換至左(或右)車道，那以車輛左側(或右側)的車道來說，目標線是位於偏移(包括零偏移)車道中央線的位置。倘若行駛動作指令是左轉(或右轉)，那以車輛所要變換的車道來說，目標線是位於偏移(包括零偏移)車道中央線的位置。假如行駛動作指令是使用左測(或右側)車道進行障礙物閃避，那以左側(或右側)的車道來說，目標線是位於偏移(包括零偏移)車道中央線的位置。如同車道中央線可為直線或曲線，目標線同樣地亦可是直線或曲線。

在一實施例中，偏移為位置偏移，所以目標線平行於車道中央線。當位置偏移為零，目標線也就是中央線。在另一實施例中，橫向控制處理器1004根據駕駛情境及狀況，對偏移量做漸進式的修正。例如，當車輛進入彎道時，橫向控制處理器1004可增加偏移量。若車輛行駛於彎道中，偏移量維持不變。當車輛離開該彎道時，橫向控制處理器1004可減少偏移量。透過上述可調整的偏移，讓車輛在過彎時，採用「截彎取直」的方式，使車輛行駛於比較緩和的彎道路線。

在另一實施例中，偏移的方式為角度偏移，其中目標線所在的位置是將指定的中央線做角度偏移的旋轉。又在另一實施例中，偏移的態樣包括位置及角度偏移，其中目標線所在的位置是先將中央線依位置偏移做移位，然後再將所移位的中央線按照角度偏移做旋轉。

在一實施例中，橫向控制處理器1004更進一步的於模組1002計算出代表目標線的方程式。然後，橫向控制處理器1004再求出此些方程式與觀前距離之方程式(x²+y²=d²)的解，推估出目標點的位置。在另一實施例中，模組1002直接輸出上述之目標線決定值。然後，模組810計算出目標線的方程式並推估目標點的位置。在以上兩個實施例中，目標線的方程式是透過道路偵測裝置所提供之道路資訊(如第8圖)而決定的。由於不同的行駛動作，目標點亦對應位於不同的目標線。轉向作動器再使用所產生的轉向指令，驅使車輛進行不同的行駛動作。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

500‧‧‧轉向控制方法程序

步驟502‧‧‧取得目標點位置

步驟504‧‧‧預測前進位置

步驟506‧‧‧計算目標點與前進位置之間的距離

步驟508‧‧‧計算轉向控制指令

Claims

一種轉向控制方法，使用於一車輛，該車輛具有使該車輛之複數輪胎轉向的一作動器，該轉向控制方法包括：取得位於遠離該車輛之一觀前距離的一目標點的位置；預測該車輛的一前進位置，其中該前進位置為該車輛行駛之弧形路徑的終點且設於遠離該車輛之該觀前距離；決定該目標點的位置與該前進位置之間的一距離差；透過該距離差除以該觀前距離計算一標準化誤差；以及根據該標準化誤差之積分決定一轉向控制指令，其中該作動器根據該轉向控制指令使該些輪胎轉向，以使該車輛執行不同的行駛動作。
如請求項1所述之轉向控制方法，其中該觀前距離是根據至少以下一項因素而決定：車速、車輛偏轉速度、車輛橫向加速度、車輛轉向角度、車道彎度、該車輛至車道邊線之距離、該車輛至障礙物之距離、該標準化誤差、該距離差以及該車輛行駛動作。
如請求項1所述之轉向控制方法，其中該觀前距離為車速的線性函數。
如請求項1所述之轉向控制方法，其中該目標點的位置是根據該車輛所執行之行駛動作而定位該目標點的位置，其中：當該車輛在執行車道保持動作時，該目標點是位於該車輛所行駛的車道中，偏移該車道之中央線的一偏移位置，且包括零偏移；當該車輛在執行車道變換動作時，該目標點是位於該車輛所要變換的車道中，偏移該車道之中央線的一偏移位置，且包括零偏移；當該車輛在執行左轉或右轉動作時，該目標點是位於該車輛所要轉入的車道中，偏移該車道之中央線的一偏移位置，且包括零偏移；以及根據該車道的中央線、該偏移位置及該觀前距離計算該目標點的位置。
如請求項1所述之轉向控制方法，其中該前進位置的推估是根據當該車輛行駛該觀前距離時，假設該車輛保持當下的車速及當下的偏轉速度，且當下的偏轉速度是根據以下至少一項而決定的：車輛當下的偏航率，以及車輛當下的轉向角度。
如請求項1所述之轉向控制方法，其中該前進位置的推估是根據當該車輛行駛該觀前距離時，假設該車輛保持當下的車速及當下的轉向角度。
一種轉向控制方法，使用於一車輛，該車輛具有使該車輛之複數輪胎轉向的一作動器，該轉向控制方法包括：根據該車輛所執行中的行駛動作獲取於該車輛前方之一目標線；推估該車輛的一前進位置，其中該前進位置為該車輛行駛之弧形路徑的終點且設於遠離該車輛之一觀前距離；決定該前進位置至該目標線的一距離差；透過該距離差除以該觀前距離計算一標準化誤差；以及根據該標準化誤差之積分決定一轉向控制指令，其中該作動器根據該轉向控制指令使該些輪胎轉向，以使該車輛執行該行駛動作。
如請求項7所述之轉向控制方法，其中該觀前距離是根據至少以下一項因素而決定：車速、車輛偏轉速度、車輛橫向加速度、車輛轉向角度、車道彎度、該車輛至車道邊線之距離、該車輛至障礙物之距離、該標準化誤差、該距離差以及該車輛行駛動作。
如請求項7所述之轉向控制方法，其中該目標線的位置是根據該車輛所執行的該行駛動作定位該目標線的位置，其中：當該車輛在執行車道保持動作時，該目標線是位於該車輛所行駛的車道中，偏移該車道之中央線的一偏移位置，且包括零偏移；當該車輛在執行車道變換動作時，該目標線是位於該車輛所要變換的車道中，偏移該車道之中央線的一偏移位置，且包括零偏移；當該車輛在執行左轉或右轉動作時，該目標線是位於該車輛所要轉入的車道中，偏移該車道之中央線的一偏移位置，且包括零偏移；以及根據該車道的中央線及該偏移位置計算該目標線的位置。
一種轉向控制系統，該轉向控制系統安裝於具有複數個輪胎之一車輛，以控制該車輛之轉向，該轉向控制系統包括：一道路偵測裝置，用於提供該車輛前方的道路資訊；一速度感應器，用於提供車速訊號；一轉向角度感應器，用於提供轉向角度訊號；一處理器，該處理器連接該道路偵測裝置以接收車道資訊，該處理器還連接該速度感應器以接收該車速訊號，該處理器也連接該轉向角度感應器以接收該轉向角度訊號，該處理器根據以下步驟計算一轉向角度命令：決定一觀前距離，計算位於車輛前方之該觀前距離的一目標點的位置，預測一車輛前進位置，其中該車輛前進位置為該車輛行駛之弧形路徑的終點且設於遠離該車輛之該觀前距離，計算該目標點位置與該車輛前進位置之間的一距離差，並透過該距離差除以該觀前距離計算一標準化誤差，對該標準化誤差做積分；以及至少一轉向作動器，該轉向作動器根據該轉向角度命令使該些輪胎轉向，以使該車輛執行行駛動作。
如請求項10所述之轉向控制系統，其中該道路偵測裝置包括一影像感應器及一影像處理單元，該影像感應器捕捉該車輛前方之影像，該影像處理單元根據該影像感應器所捕捉的影像之道路資訊計算道路形狀。
如請求項10所述之轉向控制系統，其中該道路偵測裝置包括用於決定一車輛位置之一衛星導航系統、一數位地圖及一處理單元，該處理單元將該車輛位置建立於該數位地圖中，且提供該車輛位置前方的道路資訊。
如請求項10所述之轉向控制系統，其中該道路偵測裝置包括一雷射掃描器及一處理單元，該雷射掃描器發送雷射脈波，且捕捉於該車輛前方之物體所反射的光束，該處理單元根據該反射光之道路資訊決定道路形狀。
如請求項10所述之轉向控制系統，其中該處理器根據以下至少一項因素決定該觀前距離：車速、車輛偏航率、車輛橫向加速度、車輛轉向角度、車道彎度、該車輛至車道邊線之距離、該車輛至障礙物之距離、該標準化誤差、該距離差以及該車輛正在執行之行駛動作。
如請求項10所述之轉向控制系統，其中該處理器根據該道路偵測裝置所提供之道路資訊推估一車道中央線，以及根據該車道中央線及該觀前距離計算該目標點的位置，其中該目標點位於該車輛前方之該觀前距離之偏移該車道中央線的一偏移位置，且包括零偏移。
如請求項10所述之轉向控制系統，其中該處理器根據該轉向角度訊號推估一車輛偏轉速度，該處理器再根據該車速訊號、該車輛偏轉速度及該觀前距離計算該車輛前進位置。
如請求項10所述之轉向控制系統，更包括一偏轉速度感應器，用於提供一車輛偏轉速度訊號，其中該處理器根據該速度感應器所提供之該車速訊號、該偏轉速度感應器所提供之該車輛偏轉速度訊號及該觀前距離預測該車輛前進位置。
如請求項10所述之轉向控制系統，其中該轉向控制系統更連接至安裝於該車輛之一車輛行駛動作決策單元，其中該處理器接收由該車輛行駛動作決策單元發送的一行駛動作指令，該行駛動作指令包括以下至少一項指令：車道保持指令、車道變換指令、左轉指令、右轉指令，以及障礙物閃避指令，該處理器根據該行駛動作指令選取一目標線，其中該目標點位於該目標線，該處理器根據該目標線及該觀前距離計算該目標點的位置。