CN103204162B - 具有有效后转向的车道跟踪*** - Google Patents

Abstract

一种用于车辆的车道跟踪***，包括前转向控制器、后转向控制器和车道跟踪处理器。前转向控制器被配置为响应于前转向扭矩命令而使车辆前车轮转动通过前转向角，后转向控制器被配置为响应于后转向扭矩命令而使车辆的后车轮转动通过后转向角转动。车道跟踪处理器被配置为确定车辆沿车行道的期望路线，基于感测到的车辆运动估计车辆的轨迹，计算在所确定的期望路线和估计的轨迹之间的误差，以及将前转向扭矩命令提供至前转向控制器，将后转向扭矩命令提供至后转向控制器，以最小化算得的误差。

Description

具有有效后转向的车道跟踪***

技术领域

本发明大体涉及用于提高汽车的车道跟踪能力的***。

背景技术

车辆车道跟踪***可采用视觉目标识别来辨识标记在道路上的边界车道线。通过这些***，视觉处理技术可估计车辆和相应车道线之间的位置，以及车辆相对于车道的行驶方向（heading）。现有的车用视觉***可利用面向前方的摄像机，其基本对准地平线，以提高潜在的视场。当将有效转向***并入车道跟踪***中时，控制器可配置为适应性地使车辆位于车道的中央（“车道居中（lanecentering）”），将车辆的位置维持在车道内（“车道保持”），或可用于使车辆移动转向进入相邻车道（“车道转换”）。

发明内容

一种用于车辆的车道跟踪***，包括前转向控制器、后转向控制器和车道跟踪处理器。前转向控制器被配置为响应于前转向扭矩指令而使车辆的前车轮转动通过前转向角，后转向控制器被配置为响应于后转向扭矩指令而使车辆的后车轮转动通过后转向角。车道跟踪处理器被配置为确定车辆沿车行道的期望路线、基于感测到的车辆运动估计车辆的轨迹、计算在所确定的期望路线和所估计的轨迹之间的误差，以及将前转向扭矩指令提供至前转向控制器，将后转向扭矩指令提供至后转向控制器。所述前和后转向扭矩指令可被配置为使该算得的误差最小化。

在一种配置中，当前转向扭矩命令的大小低于预定阈值时，所提供的后转向扭矩命令的大小可以为零，当前转向扭矩命令的大小等于或大于预定阈值时，所提供的后转向扭矩命令的大小可以大于零。在另一配置中，当后转向扭矩命令的大小低于预定阈值时，所提供的前转向扭矩命令的大小可以为零，当后转向扭矩命令的大小等于或大于预定阈值时，所提供的前转向扭矩命令的大小可以大于零。

车道跟踪处理器可进一步被配置为确定期望前转向角和期望后转向角，其中所提供的前转向扭矩命令被控制为使前转向角和期望前转向角之间的差最小化，以及所提供的后转向扭矩命令被控制为使后转向角和期望后转向角之间的差最小化。

车辆沿车行道的期望路线可确定为将车辆保持在通车车道的中心。替换地，车辆沿车行道的期望路线可确定为实现车道转换操纵。在任何一种情况中，期望路线的性质可通车由用户经由界面（例如，“保持当前车道”、“使车辆在车道中居中”、“转换车道”）指定。

另外，一种控制车辆运动的方法可包括：接收图像数据和感测到的车辆运动数据；使用处理器从接收到的图像数据和感测到的车辆运动数据确定车辆沿车行道的期望路线；以及，使用处理器基于感测到的车辆运动估计车辆的轨迹。该方法可进一步包括计算在确定的车辆期望路线和估计的车辆轨迹之间的误差；使用处理器为车辆的前车轮确定期望前转向角以及为车辆的后车轮确定期望后转向角，其中期望的前和后转向角被确定为使算得的误差最小化；以及命令前转向控制器使前车轮转动通过期望前转向角；以及命令后转向控制器使后车轮转动通过期望后转向角。

在一种配置中，命令前转向控制器使前车轮转动通过期望前转向角可包括监测实际前转向角，和将前转向扭矩命令提供给前转向控制器，所述前转向扭矩命令使实际前转向角与期望前转向角之间的差最小化。同样，命令后转向控制器使后车轮转动通过期望后转向角可包括监测实际的后转向角，和将后转向扭矩命令提供给后转向控制器，所述后转向扭矩命令使实际后转向角与期望后转向角之间的差最小化。

本发明的上述特征和优势及其他特征和优势将从用于实施本发明的最佳模式的以下详细描述连同附图时显而易见。

附图说明

图1是包括车道跟踪***的车辆的示意性俯视图。

图2是布置在道路的车道内的车辆的示意性俯视图。

图3是与转向控制器连通的车辆前车轮的示意性俯视图。

图4是车道跟踪处理器的示意性流程图。

图5是车道转换过程的示意性俯视图。

图6是示出实施前-第一转向***的方法的示意性流程图。

具体实施方式

参考附图，其中相同的附图标记用来在各个视图中标识相似或相同的部件，图1示意性地示出了具有车道跟踪***11的车辆10，所述车道跟踪***11包括局部环境传感器（例如一个或多个摄像机12、激光传感器、激光雷达（LIDAR）、GPS/测绘单元（mappingunit）等）、图像处理器14、车辆运动传感器16、车道跟踪处理器18，以及前和后转向控制器20、22。如将在下文中更详细地描述的，车道跟踪处理器18可分析和/或评估被捕获的和/或增强的环境数据24，以及感测到的车辆运动数据26，来确定车辆10在通车车道30内的位置（如大致在图2中所示的）。车辆运动数据26可包括例如偏航率（yawrate）、速度、纵向和侧向加速度、前和后转向角，和/或前和后转向扭矩的指示。另外，车道跟踪处理器18可选择性地控制前和后车辆转向（经由转向控制器20、22），以使得车辆10跟踪预定路线。这样的路线可以，例如，使得车辆10在车道30内保持居中，或可实行车道转换操纵。在一种配置中，通过计算车辆10和右车道线34之间的距离32、车辆10和左车道线38之间的距离36、和/或车辆10相对于车道30的行驶方向40，车道跟踪处理器18可近实时地（near-realtime）确定车辆10的位置。

图像处理器14和车道跟踪处理器18可每一个分别地实施为一个或多个数字计算机或数据处理装置，其每一个具有一个或多个微处理器或中央处理单元（CPU）、只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、高速时钟、模拟数字转换（A/D）电路、数字模拟转换（D/A）电路、输入/输出（I/O）电路、功率电子设备（powerelectronics）/变压器，和/或信号调制和缓冲电子设备。驻于处理器14、18中的或易于由其访问的单独的控制/处理例程由此可存储在ROM或其他合适的有形存储单元（memorylocation）和/或其他存储装置中，并可以由处理器14、18的相关硬件部件自动地执行，以提供相应的处理功能。在另一配置中，视频处理器14和车道跟踪处理器18可通过单个装置实施，诸如数字计算机或数据处理装置。

当车辆10沿着道路42行驶时，局部环境传感器（例如一个或多个摄像机12）可以可视地检测标记（例如道路散列标记44），所述标记可以涂在或嵌在道路42的表面上以限定车道30。例如，摄像机12可每一个分别地包括一个或多个透镜和/或滤光器，其适合于将来自视场46内的光接收和/或成形至图像传感器上。图像传感器可包括，例如，一个或多个电荷耦合器件(CCD)，所述电荷耦合器件被配置为将光能转换为数字信号。摄像机12可输出视频馈送48，所述视频馈送48可包括，例如，以固定速率（即帧速率）顺续捕捉到的多个静止的图像帧。除一个或多个摄像机（例如摄像机12）以外，车辆10可包括其他局部环境传感器，诸如一个或多个雷达收发机（radartransceiver）（未示出）或其他感知-传感装置（perception-sensingdevice），其可用于检测车辆相对于一个或多个环境物体的位置。

一个或多个摄像机12（或其他感知-感测装置）可以相对于车辆以任何合适的取向/对齐方式定位，只要它们可以合理地观察到布置在道路42上或沿道路42布置的一个或多个物体或标志。在一种配置中，如图1和2中大致所示，摄像机12可布置在车辆10的前部50上，从而其可以合适地观察车辆10前方的道路42。例如，摄像机12可布置在车辆10的前格栅上，或车辆10的前风挡玻璃内，且可以大致取向为面向前的方向。

前和后转向控制器20、22中的每一个可以与车道跟踪处理器18连通，且可被配置为在处理器18的指导下分别控制前和后车轮52、54的角运动。例如，在一种配置中，前转向控制器20和后转向控制器22可每一个包括电动机（诸如伺服电动机），所述电动机可将扭矩施加至前和后车轮52、54中的每一个。尽管图1显示了仅连接至单个相应车轮的转向控制器20、22，应该理解的是，前车轮52中的每一个可通过转向组件（未示出）被链接用于联合运动（jointmotion）。同样，后车轮54中的每一个可类似地通过转向组件（未示出）被链接用于联合运动。在一个替换性实施例中，车道跟踪处理器18可被配置为选择性地控制每个车轮（独立于所有其他车轮地）的角运动。

如图3中大致所示，在一种配置中，前转向控制器20可被配置为从车道跟踪处理器18接收扭矩命令60。前转向控制器20于是可施加扭矩62(τ_front)至车轮52，诸如通过接通与转向组件联接的电动机，所述转向组件可以与车轮52机械地连通。取决于车轮10的动态（dynamics），诸如速度、偏转、车轮与道路表面之间的滚动摩擦、和/或其他动力因数，被施加的扭矩62可使得车轮行驶方向64从标称平直位置（nominallystraightposition）66转动离开通过转向角前转向控制器20可监测转向角68，诸如通过编码器或其他角传感器，并可将监测的转向角68经由转向角信号70传送回车道跟踪处理器18。如可意识到的，后转向控制器22可以以与前转向控制器20类似的方式被配置，但是其与后车轮54相连。

图4显示了车道跟踪处理器18的更详细的示意图。如所示，处理器18包括各种模块，所述模块可以每一个执行分立的功能，尽管可共依赖于处理器18内的其他模块。每个功能模块可实施为一个或多个软件算法、硬件电路/装置，或可包括软件和硬件元件的组合。

如所示，传感器融合模块80可接收各种形式的传感信息，所述传感信息从图像处理器14、车辆运动传感器16、和/或车辆10可包括的其他基于感知的（perception-based）局部环境传感器获得。传感器融合模块80可将这些各种类型/形式的信息组合成为车辆局部环境的统一模型（consolidatedmodel）。传感器融合模块80可以，例如，聚集检测到的物体、跟踪它们、和报告它们在笛卡尔坐标系中记录它们相对目标位置和相对速度。在一种配置中，传感器融合模块80可采用各种过滤技术（诸如卡尔曼滤波器）以融合从各数据输入获得的信息。

通过车辆局部环境的该融合/统一的模型，位置检测模块82可确定车辆在车道内的相对位置（例如，如图2中所示的距离32、36和行驶方向40），路径预测模块84可基于车辆的当前位置和车辆的瞬时运动来估计/推断车辆10的预测轨迹。同时，车行道（roadway）估计模块86可确定车行道42的前方路径，诸如通过车道-路线检测/分析，而路径-计划模块88可沿车行道42的前方路径绘制期望路线。所述期望路线可以代表被估计的前方的车道/车行道的中心线、中心线加上偏移量、或会实现从一个车道向相邻车道的车道转换操作的路径。这种线路可通常由用户通过用户输入90（例如，来自车辆的驾驶员）来指定。被绘制的期望路线可进一步是用于车辆的平滑路径，其使得可能为乘客带来不适的任何急剧的变化或运动最小化。在一种配置中，期望路线可以被表示为在一时间段上相对于一个或多个车道线的一系列侧向偏移、行驶方向角和纵向距离。

图5是行驶在车行道42上的车辆10的视图，其中车道跟踪处理器18正试图实现车道-转换操作。如所示，用于车道转换操作的期望路线100可由路径-计划模块88产生，瞬时条件下的预测轨迹102可由路径预测模块84产生。

转向控制模块92（图4中所示）于是可基于预测的轨迹102来考虑期望车辆路线100，以计算车辆10在期望路线100与预测轨迹102之间的侧向偏移误差104和/或行驶方向角（取向）误差。转向控制模块92可于是试图针对相应前和后转向控制器20、22确定适当的转向扭矩命令94、96(τ_front,τ_rear)和/或期望转向角命令在一种配置中，转向控制模块92可产生一系列未来扭矩命令和/或期望转向角命令，所述命令可试图使得车辆的期望路线100与预测的车辆轨迹102之间的取向误差和侧向偏移误差104最小化。

在一种配置中，转向控制模块92可通过一系列期望转向角命令确定和/或指定前进运动，但是可通过提供转向扭矩命令94、96(τ_front,τ_rear)来命令前和后转向控制器20、22。基于车辆和/或车轮的动态，所提供的扭矩命令94、96(τ_front,τ_rear)则可以使车轮转动通过实际的转向角(如图3所示)。以该方式且如上所述，转向控制模块92可接收所监测的转向角信号70、72，作为来自相应前和后转向控制器20、22的反馈用于以闭环的方式（即，使得实际转向角和期望转向角之间的差最小）控制所提供的扭矩命令94、96(τ_front,τ_rear)。

根据***11的期望的性能特性，前和后转向扭矩命令94、96(τ_front,τ_rear)可以相对于彼此以不同的比例/方案被控制。例如，在一种配置中，***11可以是前-第一***，从而后转向扭矩命令96(τ_rear)为零，直到前转向扭矩命令94(τ_front)超出预定阈值。在另一配置中，***11可以是后-第一***，从而前转向扭矩命令94(τ_front)为零，直到后转向扭矩命令96(τ_rear)超出预定阈值。在又一配置中，前和后转向扭矩命令94、96(τ_front,τ_rear)可以总是被一起使用，但是可根据预定的比例被分配权重。

图6示意性地示出了实施前-第一转向***的方法120，诸如可通过车道跟踪处理器18执行。应该意识到的是，车辆动力学领域的技术人员可以容易地将该方法120应用于后-第一转向***。如图所示，当处理器18做出了车道居中（或车道转换）请求时，方法120开始于步骤122。该请求可例如由车辆10的驾驶员/用户作出，诸如通过车辆10的车厢内的人-机接口（HMI）（参见，例如，图1中的HMI110）做出。

在步骤122的初始请求之后，处理器18可在步骤124中采用前-转向车道居中算法。在该步骤中，处理器18可试图确定期望前转向角该前转向角使得方程1中的成本函数(J₁)在接下来的时间间隔[0,ΔT]上最小化。

方程1

如方程1中所使用的，Q(t)和R(t)是权重因数，y_err代表期望路线100与预测的轨迹102之间的侧向偏移误差104，而代表车辆10沿预测的轨迹102相对于沿期望路线100的期望行驶方向的取向/行驶方向误差。当确定转向命令序列时，该分析可进一步考虑车辆动态，诸如方程2中所述的。

方程2

如方程2中所使用的，v_x表示车辆的纵向速度，v_y表示车辆的侧向速度，r表示车辆偏航率，ρ表示道路的曲率，C_f和C_r表示前和后侧偏刚度（corneringstiffness），m表示车辆的质量，I表示车辆的偏航惯量，a和b表示车辆的质心与相应前和后车轴之间的距离。

一旦在步骤124中确定了期望前转向角在步骤126中前转向控制器20可被指令以实现该转向角，诸如通过前转向扭矩命令94(τ_front)的闭环控制。

在步骤128中，处理器18可监测被命令的前转向扭矩命令94(τ_front)以确定其是否超出了预定阈值。在一种配置中，对乘客舒适度或对车辆稳定性合适的阈值可以是例如3Nm。然而，如果命令期望前转向角太快地变化，如果车辆10已经在转弯且具有大的侧向加速度或偏航角，如果车辆10以慢速率运动，和/或如果前转向控制器20已变得不起作用，则会发生超出该阈值的扭矩命令。如果在步骤128中超出预定的扭矩阈值，在步骤130中处理器18可立即考虑车辆的当前位置和运动而重新计算期望路线100。在步骤132中，处理器18可随后基于前转向扭矩命令94(τ_front)（其被人为地饱和（saturate）/限制在来自步骤128的预定阈值）而计算/推断车辆的当前轨迹102。

一旦在步骤130和132中分别更新了期望路线100和预测的轨迹102，处理器18可在步骤134中计算期望后转向角命令其可被需要用于增强人为限制的前转向扭矩命令94(τ_front)。在一种配置中，该确定可通过考虑到车辆动态（诸如方程4中所述的）最小化方程3中陈述的成本函数(J₂)来完成。

方程3

方程4如方程4中所使用的，前转向角可以是测得的量，诸如通过前转向角信号70。

在步骤136中，处理器18可以以闭环方式将后转向扭矩命令96(τ_rear)输出到后转向控制器22，以实现期望后转向角方法120可以随后循环回到步骤128并将被命令的前转向扭矩命令94(τ_front)与预定阈值进行重新比较。

在前和后转向控制两者都总是有效（active）的配置中，处理器可试图选择最平滑地使得车辆10遵从期望路线100的前和后转向扭矩命令94、96(τ_front,τ_rear)（或期望的前/后转向角）。例如，处理器18可考虑到车辆动态（例如方程6中所述的）而试图使图5中所示的成本函数(J₃)最小化。方程5和6中所使用的，

方程5

方程6

通过以上述方式之一使得能有效后转向（activerear-steer），即使在可请求较大转向扭矩的较低速度下或在拥堵交通中，车辆10可能够更有效地跟踪车道30。因此，相比仅仅依赖于前-转向，前和后转向的联合可由此提供跨越宽广范围的速度和道路几何布局的更鲁棒的有效巡航控制/车道保持***。

尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是熟悉本发明所涉及的领域的技术人员会认识到用于在所附的权利要求的范围内实施本发明的各种替换设计和实施例。意图是包含在上述描述或显示在附图中的所有内容应该解释为仅是说明性的而不是限制性的。

Claims (10)

1.一种用于具有前车轮和后车轮的车辆的车道跟踪***，该车道跟踪***包括：

前转向控制器，配置为响应于前转向扭矩命令而使车辆的前车轮转动通过前转向角；

后转向控制器，配置为响应于后转向扭矩命令而使车辆的后车轮转动通过后转向角；和

车道跟踪处理器，配置为：

确定车辆沿车行道的期望路线；

基于感测的车辆运动估计车辆的轨迹；

计算所确定的期望路线和被估计的轨迹之间的误差；和

将前转向扭矩命令提供至前转向控制器，和将后转向扭矩命令提供至后转向控制器，所提供的前转向扭矩命令和后转向扭矩命令被选择为使算得的误差最小化，

其中，前转向扭矩命令和后转向扭矩命令中的一个为零，直到前转向扭矩命令和后转向扭矩命令中的另一个等于预定阈值。

2.如权利要求1所述的车道跟踪***，其中当前转向扭矩命令的大小低于预定阈值时，所提供的后转向扭矩命令的大小为零；且

其中当前转向扭矩命令的大小等于或大于预定阈值时，所提供的后转向扭矩命令的大小大于零。

3.如权利要求1所述的车道跟踪***，其中当后转向扭矩命令的大小低于预定阈值时，所提供的前转向扭矩命令的大小为零；且

其中当后转向扭矩命令的大小等于或大于预定阈值时，所提供的前转向扭矩命令的大小大于零。

4.如权利要求1所述的车道跟踪***，其中车道跟踪处理器进一步配置为确定期望前转向角和期望后转向角；

其中所提供的前转向扭矩命令被控制为使得前转向角和期望前转向角之间的差最小化；且

其中所提供的后转向扭矩命令被控制为使得后转向角和期望后转向角之间的差最小化。

5.如权利要求1所述的车道跟踪***，其中车辆沿车行道的期望路线被确定为将车辆保持在通车车道的中央内。

6.如权利要求1所述的车道跟踪***，其中车辆沿车行道的期望路线被确定为实现车道转换操纵。

7.如权利要求1所述的车道跟踪***，其中算得的误差包括侧向偏移误差和行驶方向角误差。

8.如权利要求1所述的车道跟踪***，其中确定车辆的期望路线包括从用户接收指示，其中所述指示指定车道居中命令和车道转换命令中的一个。

9.如权利要求1所述的车道跟踪***，进一步包括摄像机和车辆运动传感器，摄像机被配置为产生代表车行道的图像数据，车辆运动传感器被配置为产生代表所感测到的车辆运动的车辆运动数据；且

其中车道跟踪处理器进一步包括传感器融合模块，所述传感器融合模块被配置为将图像数据与车辆运动数据融合，以形成局部车辆环境的统一模型。

10.如权利要求9所述的车道跟踪***，其中车道跟踪处理器被配置为根据所述统一模型确定车行道的前进路径。