CN101041355A - 具有报警修正标准的车道偏离报警和避免*** - Google Patents

具有报警修正标准的车道偏离报警和避免*** Download PDF

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Abstract

本发明是一种具有报警修正标准的车道偏离报警和避免***。在本发明的适用于车辆并由操作者使用的车道偏离检测/避免和数据融合***中，包括至少一个车道标线传感器、至少一个状态传感器以及与所述传感器可通信地耦合的控制器，所述控制器被构造成确定状态偏差，并将状态偏差与预定状态阈值进行比较，以改进***对操作者接合的识别、对曲线的车道偏离检测以及性能变差检测。

Description

具有报警修正标准的车道偏离报警和避免***
技术领域
[0001]本发明涉及车道偏离报警和避免***，更具体地说，涉及一种被构造成在预定条件下自动减小或抑制报警阈阈值或者修正报警算法的车道偏离报警和避免***。
背景技术
[0002]车道偏离报警和避免(LDW)***的研制有助于车辆操作者在道路上有秩序地导航。更具体地说，安全***通过警告操作者可能无意中产生的车道偏离而有助于操作者保持正确的车道找正。与通常在路肩上发现的用于向操作者报警至少部分地处于车道偏离的划痕不同，LDW***在车道偏离之前提供实时报警。这些LDW***通常采用至少一个摄像机/图像处理器或其他类型的传感器(例如IR)检测划定车道边界的车道标线。同样已经研制了其他横向的支持***，例如车道保持(LK)***。
[0003]用于稳定辨识车道标线的一个因素是在车辆前面的车道标线的预视长度。然而，由于一些道路曲线的曲率，这些***的摄像机经常不能有足够长的时间观察接近的车道标线(主要是由于有限的摄像机视野(FOV))。因此，这些常规***的车道感测能力与曲率半径直接地成比例地变差。因此，LDW***特别是在高速下难以对急弯提供实时报警。
[0004]进一步来说，这些常规***不具有检测有意的车道偏离的装置，由此经常导致错误或烦扰的报警，这些报警在复杂的操纵过程中会分散操作者的注意力。换句话说，这些***不能分辨操作者当前是否正在控制车辆以及是否有意离开车道。最后，这些***也不具有校准装置或者性能测定。同样，这些***也会因图像处理器和/或摄像机固有性能的变差而提供错误(烦扰)的报警并遗漏检测。
发明内容
[0005]针对这些和其他问题，本发明涉及一种改进的车道偏离报警和避免***，该***采用数据融合(data fusion)来改进对弯曲道路的报警定时、操作者控制检测以及性能测定。尤其是，这种新颖的***用于降低产生错误(烦扰)报警和遗漏检测的可能性。
[0006]本发明的第一方面涉及一种适用于车辆并由操作者使用的横向支持和数据融合***。该***包括被构造成检测车辆相对于至少一个车道标线的位置的至少一个车道传感器。至少一个确证传感器被构造成确定车辆的至少一个实际状态。最后，该***包括控制器，所述控制器被构造成确定车辆与所述至少一个车道标线之间的距离(或距车道交叉点的时间)，并在距车道交叉点的距离或时间小于预定报警阈值时警告操作者。本发明的控制器进一步被构造成将实际状态与预定估计状态进行比较以确定状态偏差，并在状态偏差大于预定容差因子时减小报警阈值。
[0007]本发明的第二方面涉及一种适用于车辆并由操作者使用的横向支持和数据融合***。在这方面，本发明的控制器被构造成将实际状态与预定接合的状态阈值进行比较，并在实际状态不遵从操作者接合的状态阈值时抑制报警阈值。
[0008]最后，本发明的第三方面涉及一种进一步包括图像处理器和至少一个摄像机的横向支持和数据融合***。在这方面，本发明的控制器被构造成将实际状态与预定校准状态阈值进行比较，并在实际状态不遵从校准状态阈值时调节车道标线传感器或报警算法。
[0009]可以理解和认识到本发明与现有技术相比提供了多个优点，包括例如提供更可靠的车道检测***。优选的***进一步被构造成提供来自多个状态传感器的冗余数据反馈，以形成自校准和性能测定的闭环***。
[0010]从以下对(多个)优选实施方式和附图的详细描述中将会了解到本发明的其他方面和优点。
附图说明
[0011]以下参照附图详细描述本发明的(多个)优选实施方式，其中：
图1是车辆在具有正在接近的曲线的道路上行进的平面图，特别示出了弯曲的车道标线；
图2是根据本发明的车辆的平面图，特别示出了优选的车道偏离报警和避免***的部件；
图3是有关操作者接合检测的控制算法优选实施方式的流程图；
图3a是图3的可替换实施方式，其中将状态评定步骤重新排定在报警标志验证步骤之前；
图3b是图3的第二可替换实施方式，其中将状态评定步骤重新排定在报警标志验证步骤之前，并且同时执行标志产生/评定和状态评定步骤；
图4是根据本发明优选实施方式的导航***、车辆和操作者的正视图；以及
图5是有关对曲线的车道偏离检测的控制算法优选实施方式的流程图。
具体实施方式
[0012]本发明涉及一种适用于车辆12和操作者14的改进的车道偏离报警和避免***10。在此针对汽车描述和示出***10，然而，将***10应用在其他基于道路进行控制的人和自发操作的运输机械上必然落在本发明的范围内。如图1所示，***10被构造成检测车辆12的位置以及划定车道的车道边界的至少一个车道标线16，其中术语“车道标线”可以包括高反射涂料或热塑条纹(无论连续或短划线)、路缘线、中线、反射器、以及其他可分辨的路面边缘。
[0013]当车道标线16和车辆之间的距离(由传感器位置测定)小于预定报警阈值时，***10被构造成警告操作者14可能无意中产生的车道偏离。更优选地，***10被构造成一旦车辆12已经完成车道偏离则解除报警，以提供由最早和最迟报警线18a，b限定的报警区18(参见图1)。***10还被构造成确定实际的车辆状态，将该实际的状态与预定的估计状态进行比较以确定状态偏差，并进一步将该状态偏差与状态阈值进行比较。当状态偏差不遵从状态阈值时，***10被构造成减小或抑制报警阈值，或者修正***10。
[0014]因此，通常，***10采用数据融合来提高***10的功能。在这里描述和所示的优选实施方式中，数据融合被用于提高I)操作者接合(engagement)的识别，II)对曲线的车道标线检测和报警定时，以及III)性能变差的检测。如图2所示，***10的优选实施方式包括至少一个车道标线传感器20、至少一个状态传感器22、以及可通信地耦合到两个传感器20，22的控制器24。然而，使两个或多个这样的部件组合以提供一个集成单元也落在本发明的范围内。在远程位置通过可通信地耦合到控制器24的第三方(未示出)执行这些部件中至少一个的功能也落在本发明的范围内。
I.操作者接合的识别
[0015]在图2中最清楚地示出，优选的车道标线传感器20优选包括至少一个摄像机26a以及视频图像处理器26b，它们被协调构造成随着车辆12在道路上的行进以光电方式采集周期的或连续的视频馈送、将视频图像转化成周期或连续的数据流、以及将该数据流传送到控制器24。(多个)摄像机26a定向成可采集由车道标线16划定的左右车道两端以提供足够距离的上行数据流。优选的处理器26b进一步被构造成确定车辆12相对于车道标线16的横向速度(V_yl)、根据车辆12和车道标线16之间的距离和/或横向速度矢量确定“开(on)”或“关(off)”报警标志值。最后，用于本发明的适当的车道标线传感器20可以包括电荷耦合装置(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，可以认识到CMOS图像传感器具有更少的部件并由此比CCD需要更少的功率。可替换地，车道标线传感器20可以包括其他适当的车道检测装置，例如红外线(IR)传感器(参见图4)。
[0016]每个状态传感器22被构造成感测车辆12的状态，更优选地是，至少一个状态从包括但不局限于车辆位置、制动器辅助开关的使用(在合适使用时)、液压制动压力(B)、转向角(δ)、加速踏板行程或力(A)、发动机每分钟转数(rpm)、绝对横向加速度(LA)、速度(V)、偏航角速度、转向信号激励、手动换档、悬架位移以及因起伏引起的位移的组中选择。最优选地是，***10包括被构造成确定每个上述状态以提供冗余的多个状态传感器22。每个状态传感器22进一步被构造成随着车辆12在道路上行进而周期性地或连续地向控制器24传送状态数据。当确定多个状态时，控制器24更优选地被构造成在确定操作者接合过程中确证地采用每个状态。也就是说，当满足一个状态阈值时，优选的控制器24被构造成进一步考虑其他相关的状态传感器，以确认接合。例如，当满足接合的转向角阈值时，还优选考虑转向信号激励传感器以确认操作者接合。
[0017]如图3所示，识别操作者接合的优选方法开始于第一步骤100，此时为每个状态传感器22设置接合阈值。更具体地说，控制器24被构造成当获得通常与操作者接合相关联的预定状态值时产生输出。例如，比常规不重合度(例如20°-30°)更大的转向角偏移可以被设定为转向角阈值。在步骤102，控制器24通常读取相对于车道标线的横向速度(V_yl)，以在检测到不遵从规定的车辆/车道标线关系时确定报警标志值为“开”。在这种构造中，因确定了通过车道标线传感器20检测的距车道交叉点的距离或时间不遵从规定而产生报警标志。然而，当存在备选的报警标志检测时，可以认识到V_yl可以在下文进一步描述的步骤106被确定为控制状态变量。在步骤104，通过重复装置验证报警标志状态的“开”值。如果发现错误的标志，则所述方法随着车辆12沿道路行进回到步骤102。
[0018]然而，如果报警标志是有效的，并且在并行的步骤106a-g，控制器24被构造成从状态和车道检测传感器20，22的至少一部分中读取状态值。在这种构造中，可以认识到在步骤104的验证周期必须小于预定的最大功能周期，从而使得在步骤106a-g能够有效地比较有效的标志和状态。传感器20，22优选并行相连，使得仅有一部分需要被读取以完成一个循环。在可选的步骤108，优选的控制器24进一步被构造成过滤至少一个状态以确定该状态的变化率。例如，如图3，3a和3b所示，可以在并行的步骤108a，b过滤转向角和加速踏板行程或力状态，以确定转向角变化速率状态(dδ)以及加速踏板行程或力变化速率状态(dA)。
[0019]接着，在步骤110，接收到的状态的至少一部分与预定的相应接合状态阈值进行比较。如果对于至少一种状态来说，满足接合状态阈值，由此表示操作者接合，所述方法进行到步骤112a，此时报警标志得到抑制。可以认识到当满足接合的横向加速度阈值(可以是绝对的或相对于车道标线)时，操作者最有可能采取规避操作(evasive maneuver)。在这种情况下，优选的控制器24进一步被构造成立即进行到步骤112a而不考虑其他传感数据。更优选地，控制器24被构造成当任何状态超过它们相对应的阈值时立即进行到步骤112a。当不满足接合状态阈值时，在步骤112b产生报警。通过返回到步骤102循环本身重复进行直至***10被停止。
[0020]在图3a所示的可替换构造中，将步骤106a-g和108a，b重新排定在报警标志验证步骤104之前。可以认识到这一构造提供在报警标志产生时存在的状态的更准确的评定。然而，当在重新排定的步骤104确定了错误的标志时，还可以认识到在前读取的状态必须在返回到步骤102之前从存储器中被清除。最后，在图3b所示的第三可替换构造中，步骤102以及重新排定的步骤106a-g和108a，b可以呈现为在报警标志验证步骤104之前的并行步骤，使得与报警标志产生同时执行状态评定。在该第二可替换构造中，报警标志验证步骤104必然被构造成确定有效、错误以及空标志情况。
II.对曲线的车道偏离检测和报警定时增强
[0021]如上所述，由数据融合产生的第二功能改进涉及对曲线的车道偏离检测的增强。在这一构造中，车道标线和/或(多个)状态传感器20，22向控制器24提供优选从纵向车道中线测定的曲率半径数据(R)。优选的控制器24利用半径数据确定估计的转向角(δR)，并将δR与实际转向角(δ)进行比较以进一步确定转向车轮角度状态偏离。当转向车轮状态偏离超出给定曲线的容差范围时，控制器24作用以使报警阈值减小预定值，从而实时地向操作者14报警。
[0022]更具体地说，优选的状态传感器(多个传感器)20包括定位装置28和更优选地包括由多个位置点组成的地图数据库30。优选的定位装置28被构造成依照三维坐标系确定车辆的实际位置并使这些坐标与所述多个地图位置点中的一个相关联。更优选地，数据库30包括由实际地理上的车行道和道路的GPS数据构建的多个地图。所述点的至少部分优选包括使得能够在相应位置使给定点与对应于实际状态的标记数据相关联的ID链接。在本发明中，所述标记优选包括在给定点道路的曲率半径，并且可以由工程设计数据或通过曲率分析方法来确定。最后，数据库30可以通过常规存储装置例如DVD-ROM、内部硬盘、或可移动存储卡被存储在***10内。
[0023]如图2和4所示，优选的定位装置28采用定位在车辆12内的GPS接收器32和与接收器32可通信地耦合的四个映射卫星34，36，38，40确定车辆的经度、纬度和高度坐标。可替换地，位于控制点的其他信号源可以与接收器32可通信地耦合，并且可以采用基于多种测地数据、单位、投影以及可参考使用的其他坐标系。最后，当没有提供GPS/地图数据库时，可以采用图像处理器26b或其他传感器数据例如偏航角速度以及横向加速度来估计给定点的曲率半径。
[0024]如图5所示，基于转向车轮角度对曲线的车道偏离检测的优选方法开始于步骤200，设定协调限定了用于通过等于δR+ε的曲线的容许转向车轮范围的转向车轮角度容差因子(ε)和校准因子(λ)，其中λ小于1。在步骤202，从图像处理器26b中读取V_yl，并且在步骤204通过地图数据库30部分地确定或者通过图像处理器26b部分地估计R。在优选并行的步骤206a-d中，从状态传感器22中读取δ、V、偏航角速度以及LA。
[0025]接着，在步骤208，控制器24优选被构造成估计前桥车轮的侧滑角(αf)以及后桥车轮的侧滑角(αr)，其中侧滑角是车轮纵向轴线方向与车轮本身之间的角度差(参见图2)。更具体地说，控制器24可以被构造成基于车轮速度、横向加速度以及实际或估计的车辆12的偏航角速度估计侧滑角。从估计的侧滑角中，δR优选被确定为车辆12的转向机构传动比(G)和轮距(L)以及R、αf和αr的函数，更优选地，根据公式：
δR＝G[(C1/R)+(αf-αr)]，其中C1＝(180/π)/L       (1)
然而可以认识到当不存在αf或αr的准确估计时，可以从公式(1)中省去侧滑角的差值并由此计算δR。
[0026]如上所述，一旦δR得到确定，则在步骤210根据以下不等式将其与预定容差范围进行比较：
|δR-δ|＞ε                                       (2)
当根据不等式的真值满足状态偏差时，在步骤212a，优选的控制器24被构造成根据以下公式减小报警阈值：
λ(ε/|δR-δ|)                                    (3)
从而车辆12逐渐离开曲线，减小报警阈值并以更快的速度向操作者14发出报警。当状态偏差处于容差范围内时，在步骤212b，不改变报警阈值。通过返回到202再次重复循环本身，直至***10停止。在这里描述的优选实施方式中，可以认识到ε和λ通常与车辆纵向车速成反比。还可以认识到可以在阈值减小算法中采用更复杂的函数ε/|δR-δ|而不是采用单一因子例如λ。
III.性能变差的检测
[0027]本发明的独特方面在于采用数据融合来校准和测定***10的性能。为此，优选的***10进一步被构造成利用从状态传感器(多个传感器)22中接收的作为控制环路下的反馈的数据。例如，当检测到可能无意中产生的车道偏离并且警告标志值为“开”时，优选的控制器24被构造成确定至少一个状态偏差，例如在部分(II)中论述的转向角比较。可以认识到当转向车轮角度的状态偏差处于容差范围内但警告标志为“开”时，可能存在图像处理器26b的性能变差。进一步可以认识到提供控制环路下的反馈可以通过降低因固有性能变差产生错误报警和遗漏检测的可能性而显著改进所述***。
[0028]还可以采用其他传感器测量例如起伏和悬架位移来确定瞬时的性能干扰。也就是说，优选的控制器24进一步被构造成当确定车辆相对于车道标线的定位时考虑起伏和悬架位移的影响。当这些影响产生错误警报时，报警标志得到抑制。本领域普通技术人员可以认识到采用悬架位移(例如从MR振动中)提供对图像干扰可靠且快速(大约50Hz)的测定以抑制报警标志。还可以认识到可以采用图像处理器26b本身来确定摄像机26a的间距或垂直位移，并且在实现大于预定阈值的情况下抑制报警标志。最后，优选的控制器24和传感器20，22还被构造成采用恒定反馈来修正报警算法的阈值和参数值以给出自校准***。
[0029]状态传感器数据的另一用途是在不干涉操作者14控制车辆的情况下激活和停止***10。例如，手动变速器状态传感器和控制器24可以被协调构造成抑制对操作者14手动换档的报警，和/或当变速器(未示出)换档到停车档时停止***，以减小空闲电池负荷。***10还可以被构造成通过视觉、听觉或触觉装置(例如振动座椅或加速踏板力状态)根据需求进行操作。例如，当需要车道偏离检测时，可以通过操作者14启动话音请求/话音响应或按按钮/话音响应机构(同样未示出)。
[0030]以上描述的本发明优选形式仅被用于示意，而不应该被用于对解释本发明范围的限制意义。本领域技术人员在不脱离本发明的精神的前提下可以很容易地对在此提出的示例性实施方式以及操作方法做出显而易见的修改。发明人因此提出他的意图是根据等价原则来确定和评定本发明合理公平的范围是包含实质上不脱离但从文字上落在以下权利要求提出的本发明范围之外的任何***或方法。

Claims (25)

1.一种车道偏离检测和数据融合***，适于由操作者使用并用于在道路上行进的车辆，所述***包括：
至少一个车道标线传感器，其被构造成检测车辆相对于至少一个车道标线的位置；
至少一个状态传感器，其被构造成确定车辆的至少一个实际状态；以及
与车道标线和状态传感器可通信地耦合的控制器，其被构造成确定车辆与所述至少一个车道标线之间距车道交叉点的距离或时间，当该距离小于预定报警阈值时警告操作者，将实际状态与预定估计状态进行比较，以确定状态偏差，并在状态偏差大于预定容差因子(ε)时减小报警阈值。
2.如权利要求1所述的***，其特征在于，
所述控制器进一步被构造成确定距车辆与车道交叉点的时间，并在距车道交叉点的时间小于预定报警阈值时警告操作者。
3.如权利要求1所述的***，其特征在于，还包括
具有多个位置点的地图数据库；
与数据库可通信地耦合的定位装置，其被构造成确定车辆的位置并使该位置与所述位置点中的第一个匹配，
所述控制器进一步被构造成将实际状态与相对于车辆位置的预定估计状态进行比较。
4.如权利要求1所述的***，其特征在于，
所述车辆包括转向车轮，
所述至少一个状态传感器被构造成检测实际转向车轮角度(δ)，
所述控制器进一步被构造成将(δ)与基于车辆位置的预定估计转向角(δR)进行比较。
5.如权利要求4所述的***，其特征在于，
所述控制器进一步被构造成使阈值减小预定值，其中所述值是δR、δ和校准参数(λ)的函数。
6.如权利要求5所述的***，其特征在于，
所述控制器进一步被构造成通过以下公式减小阈值：
λ(ε/|δR-δ|)
7.如权利要求4所述的***，其特征在于，
所述车辆引入转向机构传动比(G)、轮距长度(L)以及前桥侧滑角(αf)以及后桥侧滑角(αr)，
所述车道标线传感器、状态传感器以及控制器被协调构造成确定道路当前的曲率半径(R)，
所述估计的转向车轮角度(δR)被确定为是G、R、αf、αr和L的函数。
8.如权利要求7所述的***，其特征在于，
所述估计的转向角根据以下公式确定
δR＝G[(C1/R)+(αf-αr)]，其中C1＝(180/π)/L
9.如权利要求1所述的***，其特征在于，
所述至少一个状态传感器被构造成检测实际制动状态，
所述控制器进一步被构造成将实际制动状态与预定接合的制动状态阈值进行比较，并在实际状态不遵从状态阈值时抑制报警阈值。
10.如权利要求1所述的***，其特征在于，
所述至少一个状态传感器被构造成检测实际转向角，
所述控制器进一步被构造成确定转向角变化率，将该转向角变化率与预定阈值进行比较，并在实际状态不遵从状态阈值时抑制报警阈值。
11.如权利要求1所述的***，其特征在于，
所述至少一个状态传感器被构造成检测实际加速踏板行程或力或者发动每分钟转数状态，
所述控制器进一步被构造成确定加速踏板力或行程或者发动机每分钟转数状态变化率，将该加速踏板行程或力或者发动机每分钟转数状态变化率与预定阈值进行比较，并在加速踏板行程或力或者发动机每分钟转数变化状态不遵从状态阈值时抑制报警阈值。
12.如权利要求1所述的***，其特征在于，
所述车辆包括转向车轮，
所述至少一个状态传感器被构造成检测转向车轮的角度，以及相应转向信号的激励状态，
所述控制器进一步被构造成将转向车轮角度和转向信号激励状态与相应预定的状态阈值进行比较，并在实际状态不遵从状态阈值时抑制报警阈值。
13.如权利要求1所述的***，其特征在于，
所述至少一个状态传感器被构造成检测车辆的悬架位移，
所述控制器进一步被构造成将悬架位移与预定的悬架位移阈值进行比较，并在位移不遵从位移阈值时抑制报警阈值。
14.如权利要求1所述的***，其特征在于，
所述车辆具有变速器，
所述至少一个状态传感器被构造成检测变速器的手动换档，
所述控制器进一步被构造成在发生变速器手动换档时抑制报警阈值。
15.如权利要求1所述的***，其特征在于，
所述至少一个状态传感器被构造成检测车轮的绝对横向加速度，
所述控制器进一步被构造成将绝对横向加速度与预定横向加速度阈值进行比较，并在绝对横向加速度不遵从预定阈值时抑制报警阈值。
16.如权利要求15所述的***，其特征在于，
所述至少一个状态传感器被构造成检测相对于所述至少一个车道标线的横向速度，
所述控制器进一步被构造成将相对于所述至少一个车道标线的横向速度与相对于所述至少一个车道标线的预定横向速度阈值进行比较，并在相对于所述至少一个车道标线的横向速度不遵从状态阈值时抑制报警阈值。
17.如权利要求1所述的***，其特征在于，
所述至少一个车道标线传感器、至少一个状态传感器或控制器与车辆隔开并由第三方控制。
18.一种适用于车辆的车道偏离检测***，所述***包括：
至少一个车道标线传感器，其被构造成检测车辆相对于至少一个车道标线的位置，并包括图像处理器和至少一个摄像机；
至少一个状态传感器，其被构造成确定车辆的至少一个实际状态；以及
与车道标线和状态传感器可通信地耦合的控制器，其引入报警算法并被构造成确定车辆与所述至少一个车道标线之间的距离，当该距离小于预定报警阈值时警告操作者，将实际状态与预定校准状态阈值进行比较，并在实际状态不遵从状态阈值时调节报警算法。
19.如权利要求18所述的***，其特征在于，
所述图像处理器被构造成确定所述至少一个摄像机的间距或垂直位移状态，
所述控制器进一步被构造成在所述间距或垂直位移大于预定摄像机阈值时抑制报警阈值。
20.如权利要求18所述的***，其特征在于，
所述控制器进一步被构造成在实际状态不遵从状态阈值时调节车道标线传感器。
21.一种用于通过与在道路上行进的车辆相关联的至少一个电子装置执行的计算机程序，其中所述车辆具有操作者、至少一个车道标线传感器以及至少一个状态传感器，所述程序被构造成从传感器中接收车道标线和状态数据，确定车辆与所述至少一个车道标线之间的距离，在距车道交叉点的距离或时间小于预定报警阈值时产生电子报警标志以警告操作者，将状态数据与预定估计的状态阈值进行比较，并根据状态数据和阈值比较修正报警阈值。
22.如权利要求21所述的程序，其特征在于，所述程序进一步被构造成将状态数据与预定估计的状态阈值进行比较以确定状态偏差，并在状态偏差大于预定容差因子时修正报警阈值。
23.如权利要求21所述的程序，其特征在于，所述程序进一步被构造成在警告操作者之前验证报警标志。
24.如权利要求23所述的程序，其特征在于，所述程序进一步被构造成在接收状态数据之后验证报警标志。
25.如权利要求24所述的程序，其特征在于，产生报警标志和接收状态数据同时进行。
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