TWI675771B - 車道變換系統及車道變換方法 - Google Patents

Abstract

一種車道變換系統，裝設於車輛中，包含慣性偵測單元、圖資單元、視覺追蹤器、記憶體、處理器及轉動裝置。慣性偵測單元偵測車輛的車速、加速度及車體參數。圖資單元偵測車輛的即時位置，並儲存有道路邊線資訊。視覺追蹤器偵測道路曲率值、相對距離、並擷取道路邊線影像及車輛周邊影像。處理器儲存有車輛參數，處理器依據車輛參數、車速、加速度及道路曲率值計算出側向加速度。處理器判斷相對距離小於門檻值、且側向加速度小於安全閾值、及車輛周邊影像為安全時，產生轉向信號。轉動裝置接收轉向信號時，控制車輛切換車道。

Description

車道變換系統及車道變換方法

本發明涉及汽車駕駛領域，尤其是一種車道變換系統及車道變換方法。

隨著無人自動車、或是自動輔助駕駛的發展，車輛在行徑中遇到狀況，需要有主動排除狀況的能力。例如，在前方有障礙物、或視前方發生車禍等狀況，需要有自動或自動輔助切換車道的功能。

現階段的車道變換方法都是以路徑規劃為主，大部分的路徑規劃的運算結構龐大且複雜，必須一直做最佳化來取得較好路徑。另外，所花的時間上較長，對於反應時間較短的狀況，難以應變。

另外，由於單純只考量路徑規劃，並未考量其內所乘載的乘客或是運送的貨物，在車輛變換車道時，若無法達到舒適、安全，則發展無人自動車、或是自動輔助駕駛必然受到使用者的反面評價。

有鑑於此，在此提供一種車道變換系統。車道變換系統裝設於車輛中，且包含慣性偵測單元、圖資單元、視覺追蹤器、記憶體、處理器及轉動裝置。

慣性偵測單元偵測車輛的車速、加速度及複數個車體參數。圖資單元偵測車輛的即時位置，並儲存有道路邊線資訊。視覺追蹤器偵測 道路曲率值、相對距離，並擷取道路邊線影像及車輛周邊影像。記憶體，儲存有複數個車輛參數；處理器電性連接視覺追蹤器、圖資單元、記憶體及慣性偵測單元。

處理器用以：接收車速、車體參數、加速度、道路曲率值、相對距離、道路邊線資訊、車輛周邊影像及道路邊線影像；依據車輛參數、車速、加速度及道路曲率值計算出側向加速度；以及在判斷相對距離小於門檻值、側向加速度小於安全閾值及依據車輛周邊影像判斷車輛周邊無其他車輛時，產生轉向信號。轉動裝置電性連接處理器，接收轉向信號，使車輛由原行駛車道切換至另一車道。

在此，更提供一種車道變換方法，該方法包含：由慣性偵測單元偵測車輛的車速、加速度及複數個車體參數；由圖資單元偵測車輛的即時位置，並儲存有道路邊線資訊；由視覺追蹤器偵測道路曲率值、相對距離，並擷取車輛周邊影像及道路邊線影像；由處理器依據儲存於記憶體中的複數個車輛參數、車速、加速度及道路曲率值計算出側向加速度；由處理器判斷在相對距離小於門檻值、側向加速度小於安全閾值、且依據車輛周邊影像判斷車輛周邊無任何其他車輛時，產生轉向信號；以及由轉動裝置接收轉向信號，使車輛由原行駛車道切換至另一車道。

藉此，透過處理器計算出車輛的側向加速度，來控制車輛切換車道的側向加速度及行駛距離等，能提供乘客在車輛變換車道時較佳的安全性及舒適度，進而使得乘客感到舒適而不恐慌，若是載運貨物的車輛，其所運載的貨物也能確保，從而提升了無人自動車、或是自動輔助駕駛的可靠性。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者瞭解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。

1‧‧‧車道變換系統

10‧‧‧慣性偵測單元

20‧‧‧圖資單元

30‧‧‧視覺追蹤器

40‧‧‧處理器

50‧‧‧轉動裝置

51‧‧‧方向盤感測器

60‧‧‧記憶體

500‧‧‧車輛

510‧‧‧車輛控制匯流排

C‧‧‧控制信號

P‧‧‧角度資訊

R‧‧‧轉向信號

T‧‧‧跟隨信號

d‧‧‧車道行駛距離

W‧‧‧側向偏移量

L1‧‧‧原行駛車道

L2‧‧‧另一車道

θ c‧‧‧偏航角

B‧‧‧前方物件

S1‧‧‧車道變換方法

S10‧‧‧偵測車輛的車速、加速度、以及車體參數

S20‧‧‧偵測道路曲率值、相對距離、並擷取車輛周邊影像及道路邊線影像

S30‧‧‧計算出側向加速度

S40‧‧‧連續判斷步驟

S41‧‧‧相對距離小於門檻值

S43‧‧‧側向加速度小於安全閾值

S45‧‧‧有其他車輛

S50‧‧‧產生轉向信號控制轉向裝置轉動，使車輛由原行駛車道切換至另一車道

S60‧‧‧產生跟隨信號，控制轉向裝置跟隨道路邊線資訊行駛

S70‧‧‧發出控制信號至車輛的車輛控制匯流排，以調整車速及加速度

圖1為車道變換系統的示意圖。

圖2為車道變換方法的流程圖。

圖3為車輛自動變換車道的俯視示意圖。

圖1為車道變換系統的示意圖。如圖1所示，車道變換系統1裝設於車輛500中，車道變換系統1包含慣性偵測單元10、圖資單元20、視覺追蹤器30、處理器40、轉動裝置50及記憶體60。

慣性偵測單元10是一種慣性感測器(inertial sensor)可以包含加速器(Accelerometer)、陀螺儀(Gyro Meter)及電子羅盤(Compass)。慣性偵測單元10用以偵測車輛500的車速、加速度及複數個車體參數並輸出。圖資單元20偵測車輛500的即時位置，並儲存有道路邊線資訊。更詳細地，圖資單元20可以為高精度的GPS單元。視覺追蹤器30偵測道路曲率值、相對距離、並擷取道路邊線影像及車輛周邊影像並加以輸出。視覺追蹤器30包含偵測器、影像擷取裝置及運算裝置(圖中未示出)，可以擷取影像畫面、並可依據偵測器、影像畫面來計算相對距離及道路曲率值等相關參數。

記憶體60儲存有複數個車輛參數，記憶體60可包括任何適合的揮發性或非揮發性電腦可讀取儲存媒體(volatile or non-volatile computer readable storage media)，例如：一隨機儲存記憶體(random access memory；RAM)、一唯讀記憶體(read-only memory；ROM)、一通用串列匯流排(Universal Serial Bus；USB)碟、一硬碟、一光碟(Compact Disk；CD)、一隨身碟或本發明所屬技術領域中具有通常知識者所知且具有相同功能之任何其他儲存媒體或電路。

處理器40可為中央處理單元(Central Processing Unit；CPU)、微處理器、控制元件、其他可執行指令的硬體元件或本發明所屬技術領域中具有通常知識者所知之其他計算裝置中之任一者。處理器40電性連接視覺追蹤器30、圖資單元20、記憶體60及慣性偵測單元10。處理器40用以接收車速、車體參數、加速度、道路曲率值、相對距離、道路邊線資訊、車輛周邊影像及道路邊線影像。接著處理器40依據車輛參數、車速、加速度及道路曲率值計算出側向加速度。並且處理器40在判斷相對距離小於門檻值、側向加速度小於安全閾值及依據車輛周邊影像判斷車輛周邊無其他車輛時，產生轉向信號R。轉動裝置50電性連接處理器40，接收轉向信號R，使車輛500由原行駛車道切換至另一車道。

此外，處理器40比對車輛500的即時位置、道路邊線資訊及道路邊線影像以產生跟隨信號T。轉向裝置50接收跟隨信號T，使車輛500依據道路邊線資訊繼續行駛。

進一步地，依據車輛周邊影像判斷車輛周邊無其他車輛時，僅做為示例表示，而非限於此，處理器40可以依據車輛周邊影像畫素分 析，左方、又方、後方、左後方、或右後方，是否有相對速度過快的物件向車輛500行駛而來。若沒有，或是相對速度較慢時，判斷為無其他車輛，反之，則判斷為有其他車輛。

更詳細地，記憶體60所儲存的車輛參數包含車重、前輪轉向剛性、後輪轉向剛性、車輛重心到前輪的距離、以及車輛重心到後輪的距離。另外，慣性偵測單元10所偵測的車體參數包含車輛偏航率、前輪側滑角、後輪側滑角、前輪速度角、後輪速度角、以及前輪轉向角。在此，前輪側滑角可以由下列方程式1-2所計算出、後輪側滑角可以由下列方程式3-4所計算出、側向加速度可以由方程式5-7計算出。

方程式1：α _f =δ _f -θ _vf ，其中α _f 為前輪側滑角、δ _f 為前輪轉向角、θ _Vf 為前輪速度角。

，其中θ _Vf 為前輪速度角、V _x 為直線速度、V _y 為側向速度、I _f 為車輛重心到前輪的距離、

為車輛偏航率。

方程式3：α _r =-θ _Vr ，其中α _r 為後輪側滑角，θ _Vr 為後輪速度角。

，其中θ _Vr 為後輪速度角、V _x 為直線速度、V _y 為側向速度、I _r 為車輛重心到後輪的距離、

為車輛偏航率。

，其中LG為側向加速度、m為車重、F _yf 為前輪側向力、F _yr 為後輪側向力。

方程式6：F _yf =C _f α _f ，其中F _yf 為前輪側向力、C _f 為前輪轉向剛性、α _f 為前輪側滑角。

方程式7：F _yr =C _r α _r ，其中F _yr 為後輪側向力、C _r 為後輪轉向剛性、α _r 為後輪側滑角。

進一步地，處理器40可以設定安全閾值為0.2G至0.3G，在此，G係指重力加速度。如此，所乘載的乘客對於車輛500轉向切換車道，可以具有較佳的舒適感，而不會感到暈眩。另外，處理器40可以依據車速來調整，控制車輛500由原行駛車道切換至另一車道所需的時間為1.5秒至4秒。

另外，處理器40還電性連接車輛500的車輛控制匯流排510，當處理器40判斷相對距離小於門檻值且側向加速度大於安全閾值時，處理器40發出控制信號C至車輛控制匯流排510，以調整車速及加速度。例如，執行剎車，降低車速及加速度，以避免與前方的障礙物發生碰撞。或者，當處理器40判斷該相對距離小於該門檻值、該側向加速度小於該安全閾值及依據該車輛周邊影像判斷該車輛周邊有該等其他車輛時，該處理器40發出控制信號C至該車輛控制匯流排510，以調整該車速及該加速度。

再次參閱圖1，進一步地，轉動裝置50包含方向盤感測器51，方向盤感測器51電性連接處理器40，並偵測方向盤轉動角度而產生角度資訊P，並將角度資訊P傳送至處理器40，處理器40依據角度資訊P調整轉向信號R，藉此，處理器40可以即時地微調方向盤轉動的角度，而避免偏差。進一步地，方向盤感測器51所感測的角度，在車輛500跟隨道路邊線資訊行駛時，應與圖資單元20所儲存的道路邊線資訊、以及視覺追蹤器30所擷取到道路邊線影像一致。

圖2為車道變換方法的流程圖。如圖2所示，車道變換方法 S1包含步驟S10、步驟S20、步驟S30、步驟S40、步驟S50、步驟S60、以及步驟S70。同時參閱圖1，步驟S10由慣性偵測單元10偵測車輛500的車速、加速度、以及複數個車體參數。步驟S20是由視覺追蹤器30偵測道路曲率值、相對距離、並擷取車輛周邊影像及道路邊線影像。步驟S30是由處理器40依據儲存於記憶體60中複數個車輛參數、以及車速、加速度及道路曲率值計算出側向加速度，其計算的方式大致如前述所示。

步驟S40為連續判斷步驟，包含步驟S41、步驟S43、步驟S45。步驟S41是由處理器40判斷在相對距離是否小於門檻值，若為“是”，則進入步驟S43繼續判斷，若為“否”則進入步驟S60。步驟S43是由處理器40判斷側向加速度是否小於安全閾值，若為“是”則進入步驟S45繼續判斷，若為“否”則進入步驟S70。步驟S45是由處理器40依據車輛周邊影像，判斷是否有其他車輛，例如，左方車道、右方車道、後方是否有來車或障礙物等，若判斷為“是”則進入步驟S50，若判斷為“否”則進入步驟S70。

圖3為車輛自動變換車道的俯視示意圖。同時參閱圖2及圖3，在步驟S50中處理器40產生轉向信號R控制轉動裝置50轉動，使車輛500由原行駛車道L1切換至另一車道L2。處理器40隨時接收來自圖資單元20之車輛500的即時位置、並比對來自圖資單元20的道路邊線資訊及道路邊線影像，當處理器40判斷車輛500的即時位置進入另一車道L2後，進入步驟S60，處理器40產生跟隨信號T，控制轉動裝置50跟隨道路邊線資訊行駛。

同時參閱圖1及圖3，若是處理器40判斷車輛500與前方物件B，例如，障礙物或車輛的相對距離仍大於門檻值時，會進入步驟S60繼 續產生跟隨信號T，控制轉動裝置50跟隨道路邊線資訊行駛。也就是，除非前方會影響到本身的行車安全時，才啟動步驟S50，來進行轉向，使車輛500變換車道。

但步驟S43判斷為“否”時，也就是當處理器40判斷相對距離小於該門檻值(即相對距離不足以進行轉向變換車道的情況)、且該側向加速度大於該安全閾值時。或是，步驟S41、步驟S43判斷為“是”，但步驟S45判斷為否時，也就是處理器40依據車輛周邊影像判斷車輛500周邊有其他車輛時，也就是處理器40判斷車輛500無法完全避免與其他車輛碰撞的條件下，進入步驟S70，處理器40發出控制信號C至車輛500的車輛控制匯流排510，以調整車速及加速度。換言之，可以剎車、降速，來使車輛500避免碰撞前方物件B。進一步地，還可以在降速、或減少加速度後，再回到步驟S30重新計算，再進行後續的判斷。然而，這僅做為示例，而不限於此，例如，步驟S43與步驟S45的判斷順序也可以相互置換。

另外，在步驟S60中，該轉動裝置50包含一方向盤感測器51，該方向盤感測器51電性連接該處理器40，並偵測一方向盤的轉動角度而產生一角度資訊P，並將該角度資訊P傳送至該處理器40，該處理器40依據該角度資訊P調整該轉向信號R。

再次參閱圖3，透過前述的計算，可以控制車輛500的變換車道的安全閾值為0.2G至0.3G、另一車道L2的時間為1.5秒至4秒，而計算出合適的切換車道行駛距離d、側向偏移量W，以及基於此計算出的偏航角θ c。

在此，車輛500對於偏航角θ c的軌跡及側向偏移量W的關 係，可以透過拉普拉斯轉換(Laplace Transform)來呈現，可以描述如下方程式8所示，其可以二階阻尼響應的形態來描述，但此僅為示例，而不限於此。

，其中V _x 為直線速度、θ _c 為偏航角、W為側向偏移量，w_n為系統頻率常數、s為拉普拉斯轉換的輸出變量。

另外，轉動裝置50的操作函數可以方程式9來描述，在此設定系統頻率為6 π、阻尼比為0.8，但這僅為示例，而非用以限制。

，其中θ _c為偏航角，δ _f 為前輪轉向角、s為拉普拉斯轉換的輸出變量。

進一步地，車輛500空間的狀態可以方程式10及方程式11來描述：

，其中X為狀態空間變數、δ _f 為前輪轉向角、A及B為車輛500的系統常數。

方程式11：output=CX，其中C為另一系統常數，X為狀態空間變數，如此，描述一個具有多個輸入參數(δ _f )、多個輸出參數(Output)及多個狀態空間變數X的系統，將其狀態空間變數的微分表示成所有狀態空間變數與輸入參數之線性關係組合。

其中方程式12為方程式10及方程式11的展開式，經由拉普拉斯轉換而整理得到方程式13，即可計算出

、

，進而與前述的方程式1-7連結。

方程式12：

其中，C_f為前輪轉向剛性、C _r 為後輪轉向剛性、I為轉動慣量、l _f 為車輛重心到前輪的距離、l _r 為車輛重心到後輪的距離、V _x 為直線速度、m為車重、

為側向速度，即方程式2及方程式4的V_y、

為車輛偏航率。

在圖2中所述之車道變換方法S1為一種實施方式，可由包含複數個指令之一電腦程式產品實現。各電腦程式產品可為能被於網路上傳輸之檔案，亦可被儲存於一非暫態電腦可讀取儲存媒體(non-transitory computer readable storage medium)中。針對各電腦程式產品，在其所包含之該等指令被載入一電子計算裝置(例如：在圖1中所述之車到變換系統1)之後，該電腦程式執行如在圖2中所述之車道變換方法。非暫態電腦可讀取儲存媒體可為一電子產品，例如：一唯讀記憶體(read only memory；ROM)、一快閃記憶體、一軟碟、一硬碟、一光碟(compact disk；CD)、一隨身碟、一磁帶、一可由網路存取之記錄元件或本發明所屬技術領域中具有通常知識者所知且具有相同功能之任何其他儲存媒體。

綜上實施例所述，透過處理器40計算出車輛500側向加速度，來控制車輛500切換車道的側向加速度及行駛距離等，能提供乘客在車輛500變換車道時較佳的安全性及舒適度，進而使得乘客感到舒適而不恐慌，若是載運貨物的車輛500，其所運載的貨物也能確保，從而提升了無人自動車、或是自動輔助駕駛的可靠性。

雖然本發明的技術內容已經以較佳實施例揭露如上，然其並 非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神所作些許之更動與潤飾，皆應涵蓋於本發明的範疇內，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (18)

1. 一種車道變換系統，裝設於一車輛中，包含： 一慣性偵測單元，偵測該車輛的一車速、一加速度及複數個車體參數； 一圖資單元，偵測該車輛的一即時位置，並儲存有一道路邊線資訊； 一視覺追蹤器，偵測一道路曲率值、一相對距離，並擷取一道路邊線影像及一車輛周邊影像； 一記憶體，儲存有複數個車輛參數； 一處理器，電性連接該視覺追蹤器、該圖資單元、該記憶體及該慣性偵測單元，其中該處理器用以： 接收該車速、該等車體參數、該加速度、該道路曲率值、該相對距離、該道路邊線資訊、該車輛周邊影像及該道路邊線影像； 依據該等車輛參數、該車速、該加速度及該道路曲率值計算出一側向加速度；以及 在判斷該相對距離小於一門檻值、該側向加速度小於一安全閾值及依據該車輛周邊影像判斷該車輛周邊無其他車輛時，產生一轉向信號；以及 一轉動裝置，電性連接該處理器，接收該轉向信號，使該車輛由一原行駛車道切換至另一車道。
2. 如請求項1所述之車道變換系統，更包含： 該處理器比對該車輛的該即時位置、該道路邊線資訊及該道路邊線影像以產生一跟隨信號；以及 該轉向裝置接收該跟隨信號，使該車輛依據該道路邊線資訊繼續行駛。
3. 如請求項1所述之車道變換系統，其中該處理器更電性連接該車輛的一車輛控制匯流排，當該處理器判斷該相對距離小於該門檻值且該側向加速度大於該安全閾值時，該處理器發出一控制信號至該車輛控制匯流排，以調整該車速及該加速度。
4. 如請求項1所述之車道變換系統，其中該處理器更電性連接該車輛的一車輛控制匯流排，當該處理器判斷該相對距離小於該門檻值、該側向加速度小於該安全閾值及依據該車輛周邊影像判斷該車輛周邊有該等其他車輛時，該處理器發出一控制信號至該車輛控制匯流排，以調整該車速及該加速度。
5. 如請求項1所述之車道變換系統，其中該轉動裝置包含一方向盤感測器，該方向盤感測器電性連接該處理器，並偵測一方向盤的轉動角度而產生一角度資訊，並將該角度資訊傳送至該處理器，該處理器依據該角度資訊調整該轉向信號。
6. 如請求項1所述之車道變換系統，其中該等車輛參數包含一車重、一前輪轉向剛性、一後輪轉向剛性、一車輛重心到前輪的距離及一車輛重心到後輪的距離。
7. 如請求項1所述之車道變換系統，其中該側向加速度的該安全閾值為0.2 G至0.3G，其中G代表重力加速度。
8. 如請求項7所述之車道變換系統，其中該車輛由該原行駛車道切換至該另一車道所需的時間為1.5秒至4秒。
9. 如請求項1所述之車道變換系統，其中該車體參數包含一車輛偏航率、一前輪側滑角、一後輪側滑角、一前輪速度角、一後輪速度角及一前輪轉向角。
10. 一種車道變換方法，包含： 由一慣性偵測單元偵測該車輛的一車速、一加速度及複數個車體參數； 由一圖資單元偵測該車輛的一即時位置，並儲存有一道路邊線資訊； 由一視覺追蹤器偵測一道路曲率值、一相對距離，並擷取一車輛周邊影像及一道路邊線影像； 由一處理器依據儲存於一記憶體中的複數個車輛參數、該車速、該加速度及該道路曲率值計算出一側向加速度； 由該處理器判斷在該相對距離小於一門檻值、該側向加速度小於一安全閾值、且依據該車輛周邊影像判斷該車輛周邊無任何其他車輛時，產生一轉向信號；以及 由一轉動裝置，接收該轉向信號，使該車輛由一原行駛車道切換至另一車道。
11. 如請求項10所述之車道變換方法，更包含： 由該處理器比對該車輛的該即時位置、該道路邊線資訊及該道路邊線影像以產生一跟隨信號；以及 由該轉向裝置接收該跟隨信號，使該車輛依據該道路邊線資訊繼續行駛。
12. 如請求項10所述之車道變換方法，更包含： 當該處理器判斷該相對距離小於該門檻值且該側向加速度大於該安全閾值時，該處理器發出一控制信號至該車輛的一車輛控制匯流排，以調整該車速及該加速度。
13. 如請求項10所述之車道變換方法，更包含： 當該處理器判斷該相對距離小於該門檻值、該側向加速度小於該安全閾值及依據該車輛周邊影像判斷該車輛周邊有該等其他車輛時，該處理器發出一控制信號至該車輛控制匯流排，以調整該車速及該加速度。
14. 如請求項10所述之車道變換方法，其中該轉動裝置包含一方向盤感測器，該方向盤感測器電性連接該處理器，並偵測一方向盤的轉動角度而產生一角度資訊，並將該角度資訊傳送至該處理器，該處理器依據該角度資訊調整該轉向信號。
15. 如請求項10所述之車道變換方法，其中該等車輛參數包含一車重、一前輪轉向剛性、一後輪轉向剛性、一車輛重心到前輪的距離及一車輛重心到後輪的距離。
16. 如請求項10所述之車道變換方法，其中該側向加速度的該安全閾值為0.2G至0.3G，其中G代表重力加速度。
17. 如請求項16所述之車道變換方法，其中該車輛由該原行駛車道切換至該另一車道所需的時間為1.5秒至4秒。
18. 如請求項10所述之車道變換方法，其中該車體參數包含一車輛偏航率、一前輪側滑角、一後輪側滑角、一前輪速度角、一後輪速度角及一前輪轉向角。