CN107150682B - 一种车道保持辅助*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种车道保持辅助***，包括：感知模块，用于采集车道信息和车辆信息；控制模块，分别连接感知模块和整车控制器，用于根据接收到的信息计算车道保持辅助力矩，并与驾驶员真实转向力矩叠加，形成虚拟驾驶员转向力矩；执行模块，连接控制模块，用于响应所述虚拟驾驶员转向力矩。与现有技术相比，本发明将车道保持辅助力矩与驾驶员真实转向力矩叠加后得到虚拟驾驶员转向力矩，替代原本从转向力矩传感器测得的驾驶员真实转向力矩，从而实现车道保持功能，具有硬件实现容易，便于改装，成本低等优点。
Description
技术领域
本发明属于汽车技术领域，涉及高级驾驶员辅助***，尤其是涉及一种车道保持辅助***。
背景技术
如今每年由于驾驶员因素导致的交通事故不计其数，因而智能汽车和高级驾驶员辅助***成为了当下的研究和行业热点，而车道保持辅助***作为横向的驾驶员辅助***之一，能有效地阻止车辆在高速驾驶时偏出车道，从而有效预防由于车道偏离所导致的交通事故的发生。
典型的车道保持辅助***中，当车辆达到预设车速，即将偏出车道时，且驾驶员没有打转向灯的话，车道保持辅助***会主动介入车辆的航向控制。比较常见的有在单侧车轮上施加一个制动力，或是在转向***上施加一个转向力。随着电动助力转向***的普及，通过修改电动助力转向***中的助力策略，加入车道保持的控制策略，在电机上激发一个转向力，用以在车辆逐渐偏出车道时纠正车辆航向，这种方法便于实现车道保持辅助的功能。
但是，典型的车道保持辅助装置均是在车辆即将偏出车道时，控制器直接发送一个力矩指令给电动助力转向***中的助力电机。而随着***的高度集成化，转向***供应商通常将转向***总成直接提供给主机厂，助力策略以及电机的力矩指令接口通常不对主机厂开放，或是事先并没有预留该力矩控制接口，因而如果主机厂想要基于原有电动助力***开发车道保持辅助***，若没有转向***供应商的支持，便无法直接发送力矩指令给助力电机，从而无法实现车道保持辅助功能。若是自行开发电动助力转向***的控制器，替换原车已有的控制器，或是增加用于车道保持辅助功能的额外电机，尽管能够实现车道保持辅助功能，但是对原***的改动过大，原有转向***功能的完整性和可靠性将难以保障，同时成本较高。
因此，开发一种易于改装、且能够保证原有转向***可靠工作的车道保持***具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种车道保持辅助***，将车道保持辅助力矩与驾驶员真实转向力矩叠加后得到虚拟驾驶员转向力矩，替代原本从转向力矩传感器测得的驾驶员真实转向力矩，从而实现车道保持功能。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种车道保持辅助***，包括：
感知模块，用于采集车道信息和车辆信息；
控制模块，分别连接感知模块和整车控制器，用于根据接收到的信息计算车道保持辅助力矩，并与驾驶员真实转向力矩叠加，形成虚拟驾驶员转向力矩；
执行模块，连接控制模块，用于响应所述虚拟驾驶员转向力矩。
所述感知模块包括采集车辆位置信息和道路信息的车道线识别传感器、采集当前方向盘转角的转角传感器以及采集驾驶员真实转向力矩的转向力矩传感器；
所述车辆位置信息包括当前车辆相对于车道的横向偏移量和偏航角，所述道路信息包括前方道路曲率。
所述控制模块包括：
状态决策单元，用于根据车辆位置信息、道路信息、驾驶员真实转向力矩以及从人机交互装置发送的开关信号决定所述车道保持辅助***的工作状态，并生成对应的辅助力矩抑制系数α；
车道自动跟随控制单元，用于根据车辆位置信息、道路信息、当前方向盘转角以及从整车控制器发送的整车动力学信息计算虚拟车道跟随驾驶员力矩T′h；
输出力矩决策单元，根据所述工作状态和虚拟车道跟随驾驶员力矩获得车道保持辅助力矩Tlka，Tlka＝T′h*α。
所述状态决策单元获取辅助力矩抑制系数α的具体过程为：
1)根据开关信号判断车道保持辅助***是否关闭，若是，则车道保持辅助***进入关闭状态，辅助力矩抑制系数α＝0，返回步骤1)，若否，则转步骤2)；
2)根据车道线识别传感器的采集信息判断是否有效检测到车道线，若是，则转步骤3)，若否，则车道保持辅助***进入关闭状态，辅助力矩抑制系数α＝0，返回步骤1)；
3)根据车道线识别传感器采集的车辆位置信息和道路信息计算靠近车道线一侧的前轮距离压到所述车道线的时间，判断该时间是否大于第一阈值，若是，则车道保持辅助***处于待机状态，辅助力矩抑制系数α＝0，返回步骤1)，若否，则转步骤4)；
4)判断转向力矩传感器采集的驾驶员真实转向力矩是否大于第二阈值，若是，则车道保持辅助***处于待机状态，辅助力矩抑制系数α＝0，返回步骤1)，若否，则转步骤5)；
5)车道保持辅助***处于正常工作状态，辅助力矩抑制系数α＝1，同时执行步骤6)；
6)判断当前车辆相对于车道的横向偏移量是否大于第三阈值，若是，则转步骤1)，若否，则车道保持辅助***处于待机状态，辅助力矩抑制系数α＝0，返回步骤1)。
所述车道自动跟随控制单元在所述辅助力矩抑制系数α＝1时响应。
所述车道自动跟随控制单元计算虚拟车道跟随驾驶员力矩T′h的具体过程为：
计算保持车道所需要的目标转角θ′：
θ′＝ky*y+kΨ*Ψ+kR*R
其中，y为当前车辆相对于车道的横向偏移量，Ψ为偏航角，R为前方道路曲率，ky、kΨ、kR为比例系数；
将所述目标转角θ′与转角传感器测得的当前方向盘转角θ作差，得到转角误差e；
计算虚拟车道跟随驾驶员力矩T′h：
其中，kp、ki、kd分别为比例、积分、微分系数。
所述车道自动跟随控制单元采用的控制参数根据整车动力学信息中的车速信息进行查表获得。
所述输出力矩决策单元包括用于限制辅助力矩抑制系数变化率的斜率限制子单元。
所述输出力矩决策单元包括用于使车道保持辅助力矩呈线性变化的选择子单元和记忆子单元。
所述执行模块包括相连接的电动助力转向***控制器和助力电机，所述电动助力转向***控制器与控制模块连接。
与现有技术相比，本发明将车道保持辅助力矩与驾驶员真实转向力矩叠加后得到虚拟驾驶员转向力矩，替代原本从转向力矩传感器测得的驾驶员真实转向力矩，从而实现车道保持功能，具有以下优点：
1)不需要原车的电动助力转向***控制器开放助力电机的力矩控制指令接口，硬件实现容易，便于改装，成本低；
2)不需要改动原车的电动助力转向***控制器和助力电机，保证了原有转向***功能的完整性和可靠性；
3)能够实现完整的车道保持辅助***的功能，便于功能的二次开发和拓展。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明车道保持辅助控制器控制策略示意图；
图3为本发明车道保持辅助控制器的示意图；
图4为本发明状态决策单元工作流程示意图；
图5为本发明车道自动跟随控制单元原理示意图；
图6为本发明输出力矩决策单元原理示意图；
图7为本发明车道保持辅助结果示意图；
图8为本发明转角跟踪控制结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本车道保持辅助***，包括感知模块、控制模块和执行模块，感知模块用于采集车道信息和车辆信息；控制模块为车道保持辅助控制器，分别连接感知模块和整车控制器，用于根据接收到的信息计算车道保持辅助力矩，并与驾驶员真实转向力矩叠加，形成虚拟驾驶员转向力矩；执行模块连接控制模块，用于响应虚拟驾驶员转向力矩。控制算法在车道保持辅助控制器中运行，计算得到的车道保持辅助力矩与驾驶员原本的输入力矩叠加后得到虚拟驾驶员转向力矩，替代原本从力矩传感器测得的真实驾驶员输入力矩，从而实现车道保持功能。其中执行模块均沿用车辆原本的模块，从而保证原车***功能的完整性和可靠性。
1、硬件连接
传统的电动助力转向器装置中，电动助力转向控制器通过转向***中的转向力矩传感器测得的驾驶员输入转向力矩，根据该力矩数值大小，按照预设的助力特性计算出电机助力力矩，并将该指令发送给电机驱动模块，实现助力效果。
为了实现车道保持辅助功能，将车道保持辅助力矩叠加到转向力矩传感器的输出信号中，使电动助力电机响应额外的车道保持辅助力矩。转向力矩传感器与电动助力转向***控制器之间的线束分为供电线束和信号线束。为保证力矩传感器供电功能的可靠性，无需切断原本的供电线束，只切断信号线束，与控制器的I/O口相连。
本申请的车道保持辅助控制器的控制策略框图如图2所示，根据驾驶员真实转向力矩、车辆位置信息、道路信息、当前方向盘转角和整车动力学信息，计算得到车道保持辅助力矩，与驾驶员真实转向力矩叠加，得到虚拟驾驶员转向力矩，将该力矩替代原本转向力矩传感器输出的真实驾驶员转向力矩，发送给电动助力转向***控制器，从而实现车道保持功能。
2、感知模块
感知模块包括采集车辆位置信息和道路信息的车道线识别传感器、采集当前方向盘转角的转角传感器以及采集驾驶员真实转向力矩的转向力矩传感器。车辆位置信息包括当前车辆相对于车道的横向偏移量和偏航角，道路信息包括前方道路曲率等。
3、控制模块
控制模块的***框图如图3所示，包括状态决策单元、车道自动跟随控制单元和输出力矩决策单元。
(1)状态决策单元
状态决策单元用于根据车辆位置信息、道路信息、驾驶员真实转向力矩以及从人机交互装置发送的开关信号控制车道保持辅助***的工作状态，并生成对应的辅助力矩抑制系数α。状态决策单元的输入包括由车道线识别传感器测得的当前车辆相对于车道的横向位置、偏航角、前方道路曲率等信息以及由转向力矩传感器测得的驾驶员输入力矩，输出为辅助力矩抑制系数。
状态决策单元的工作流程如图4所示，具体为：
判断部01，从人机交互装置接收车道保持辅助***的开关信号，如果驾驶员关闭车道保持辅助***，则***进入关闭状态，辅助力矩抑制系数α等于0，然后回到判断部01进行下一次判断，若车道保持辅助***打开，则执行判断部02。判断部02中，若车道线识别传感器判断当前无法有效检测到车道线，则***同样进入关闭状态，否则进入判断部03。判断部03，根据车道线识别传感器测得的车辆相对于当前车道的位置信息，计算靠近车道线一侧的前轮距离压到当前车道的车道线的时间，比较该时间是否大于第一阈值，如果车辆距离压到当前车道的车道线的时间大于第一阈值，则认为车辆没有偏出车道的趋势，则车道保持辅助***处于待机状态，辅助力矩抑制系数α等于0，然后回到判断部01进行下一次判断，否则进入判断部04。判断部04，根据转向力矩传感器测得的驾驶员转向力矩信息，比较驾驶员的输入力矩是否大于第二阈值，如果驾驶员的输入力矩大于第二阈值，则判断驾驶员此时是在主动进行转向行为，则车道保持辅助***处于待机状态，辅助力矩抑制系数α等于0。否则，车道保持辅助***处于正常工作状态，辅助力矩抑制系数α等于1。当车道保持辅助***开启后，执行判断部05。判断部05，根据车道线识别传感器的信息，比较车辆相对于车道中心线的横向偏移量是否大于第三阈值，如果此时横向偏移量小于第三阈值，则认为车辆已经回到车道中央，车道保持***处于待机状态，辅助力矩抑制系数α等于0，否则，***则继续处于正常工作状态，返回判断部01。
(2)车道自动跟随控制单元
车道自动跟随控制单元用于根据车辆位置信息、道路信息、当前方向盘转角以及从整车控制器发送的整车动力学信息计算虚拟车道跟随驾驶员力矩T′h。车道自动跟随控制单元的输入包括由车道线识别传感器测得的当前车辆相对于车道的横向位置、偏航角、前方道路曲率等信息、由转角传感器测得的当前方向盘转角以及由整车控制器发送的整车车速信息，输出为虚拟车道跟随驾驶员力矩。
车道自动跟随控制单元可仅在辅助力矩抑制系数α＝1时响应。
车道自动跟随控制单元的原理图如图5所示，可分为横向位置控制器和方向盘转角控制器。横向位置控制器根据车道线识别模块得到的道路信息及车辆位置信息，其中包括：车辆相对于当前车道的横向偏移量y、航向角Ψ及前方道路曲率R，计算得到保持车道所需要的目标转角θ′，横向位置控制器可依据兼顾道路曲率的车辆位姿闭环***性能指标要求进行设计，亦可采用比例控制器，其控制算法为：
θ′＝ky*y+kΨ*Ψ+kR*R
通过横向位置控制器计算得到的目标转角θ′与转角传感器测得的实际方向盘转角θ作差，得到转角误差e，计算得到虚拟车道跟随驾驶员力矩T′h。方向盘转角控制器可依据转角闭环***性能指标要求进行设计，亦可采用比例-积分-微分控制器，其控制算法为：
同时，根据整车控制器发送的车速信息，通过查表方式获得事先预设的各车速下所对应的车道自动跟随控制模块的控制参数，从而保证在各车速下***均能有效的实现较为理想的车道保持功能。
(3)输出力矩决策单元
输出力矩决策单元根据工作状态和虚拟车道跟随驾驶员力矩获得车道保持辅助力矩Tlka，Tlka＝T′h*α。输出力矩决策单元的输入包括由状态决策单元得到的辅助力矩抑制系数和由车道自动跟随控制单元得到的虚拟车道跟随驾驶员力矩，输出为车道保持辅助力矩。当辅助力矩抑制系数α＝1时，车道保持***输出的虚拟驾驶员转向力矩Tlka即为虚拟车道跟随驾驶员力矩T′h；当辅助力矩抑制系数α＝0时，车道保持***输出的虚拟驾驶员转向力矩Tlka等于0。
如图6所示，由于车道保持辅助***从正常工作退出到待机或关闭状态通常是由于驾驶员主动转向引起，此时驾驶员会紧握方向盘，因而保证在车道保持辅助***从正常工作退出到待机或关闭状态这段过程中车道保持辅助力矩退出的平稳顺畅尤为重要，避免驾驶员转向手感不适甚至是驾驶恐慌。为了达到上述目的，斜率限制子单元Rate_limiter用于限制辅助力矩抑制系数α变化率过大。
同时，因为在辅助力矩抑制系数α从1降为0的过程当中，可能由于车辆位置的变化从而导致虚拟车道跟随驾驶员力矩T′h的波动，从而使输出的虚拟驾驶员转向力矩Tlka的变化为非线性的，导致驾驶员手感不佳。因而本发明结合图6所示选择子单元和记忆子单元保证输出的虚拟驾驶员转向力矩Tlka在状态切换过程线性变化。选择子单元Switch和记忆子单元Memory的作用是：当辅助力矩抑制系数α从1降为0时，确保虚拟车道跟随驾驶员力矩T′h始终保持不变，从而保证了最终输出的虚拟驾驶员转向力矩Tlka在状态切换时，其变化是线性的，从而保证驾驶员的转向手感舒适。
4、算法验证
图7为各车速下的车道保持辅助结果示意图。图中所示实线和虚线分别为120kph和80kph车速下车辆相对于车道的横向偏移量及车道保持辅助***的工作状态，高电平表示***处于正常工作状态，低电平表示***处于待机状态。
图8为各车速下的转角跟踪控制结果示意图。图中所示实线为实际方向盘转角。图中所示虚线为车道自动跟随控制模块中横向位置控制器输出的目标转角。图中所示点画线为车道保持辅助***的工作状态，高电平表示***处于正常工作状态，低电平表示***处于待机状态。
结果表明，在80kph和120kph两种车速下，该***均可以在车辆即将偏出车道时开启辅助，实际方向盘转角跟踪目标转角的效果较好，并且同时能够有效地纠正车辆回到车到中央。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种车道保持辅助***，其特征在于，包括：
感知模块，用于采集车道信息和车辆信息；
控制模块，分别连接感知模块和整车控制器，用于根据接收到的信息计算车道保持辅助力矩，并与驾驶员真实转向力矩叠加，形成虚拟驾驶员转向力矩；
执行模块，连接控制模块，用于响应所述虚拟驾驶员转向力矩；
所述感知模块包括采集车辆位置信息和道路信息的车道线识别传感器、采集当前方向盘转角的转角传感器以及采集驾驶员真实转向力矩的转向力矩传感器；
所述车辆位置信息包括当前车辆相对于车道的横向偏移量和偏航角，所述道路信息包括前方道路曲率；
所述控制模块包括：
状态决策单元，用于根据车辆位置信息、道路信息、驾驶员真实转向力矩以及从人机交互装置发送的开关信号决定所述车道保持辅助***的工作状态，并生成对应的辅助力矩抑制系数α；
车道自动跟随控制单元，用于根据车辆位置信息、道路信息、当前方向盘转角以及从整车控制器发送的整车动力学信息计算虚拟车道跟随驾驶员力矩T′h；
输出力矩决策单元，根据所述工作状态和虚拟车道跟随驾驶员力矩获得车道保持辅助力矩Tlka，Tlka＝T′h*α。
2.根据权利要求1所述的车道保持辅助***，其特征在于，所述状态决策单元获取辅助力矩抑制系数α的具体过程为：
1)根据开关信号判断车道保持辅助***是否关闭，若是，则车道保持辅助***进入关闭状态，辅助力矩抑制系数α＝0，返回步骤1)，若否，则转步骤2)；
2)根据车道线识别传感器的采集信息判断是否有效检测到车道线，若是，则转步骤3)，若否，则车道保持辅助***进入关闭状态，辅助力矩抑制系数α＝0，返回步骤1)；
3)根据车道线识别传感器采集的车辆位置信息和道路信息计算靠近车道线一侧的前轮距离压到所述车道线的时间，判断该时间是否大于第一阈值，若是，则车道保持辅助***处于待机状态，辅助力矩抑制系数α＝0，返回步骤1)，若否，则转步骤4)；
4)判断转向力矩传感器采集的驾驶员真实转向力矩是否大于第二阈值，若是，则车道保持辅助***处于待机状态，辅助力矩抑制系数α＝0，返回步骤1)，若否，则转步骤5)；
5)车道保持辅助***处于正常工作状态，辅助力矩抑制系数α＝1，同时执行步骤6)；
6)判断当前车辆相对于车道的横向偏移量是否大于第三阈值，若是，则转步骤1)，若否，则车道保持辅助***处于待机状态，辅助力矩抑制系数α＝0，返回步骤1)。
3.根据权利要求1所述的车道保持辅助***，其特征在于，所述车道自动跟随控制单元在所述辅助力矩抑制系数α＝1时响应。
4.根据权利要求1所述的车道保持辅助***，其特征在于，所述车道自动跟随控制单元计算虚拟车道跟随驾驶员力矩T′h的具体过程为：
计算保持车道所需要的目标转角θ′：
θ′＝ky*y+kΨ*Ψ+kR*R
其中，y为当前车辆相对于车道的横向偏移量，Ψ为偏航角，R为前方道路曲率，ky、kΨ、kR为比例控制参数；
将所述目标转角θ′与转角传感器测得的当前方向盘转角θ作差，得到转角误差e；
计算虚拟车道跟随驾驶员力矩T′h：
其中，kp、ki、kd为比例、积分、微分控制参数。
5.根据权利要求4所述的车道保持辅助***，其特征在于，所述车道自动跟随控制单元采用的控制参数根据整车动力学信息中的车速信息进行查表获得。
6.根据权利要求1所述的车道保持辅助***，其特征在于，所述输出力矩决策单元包括用于限制辅助力矩抑制系数变化率的斜率限制子单元。
7.根据权利要求1所述的车道保持辅助***，其特征在于，所述输出力矩决策单元包括用于使车道保持辅助力矩呈线性变化的选择子单元和记忆子单元。
8.根据权利要求1所述的车道保持辅助***，其特征在于，所述执行模块包括相连接的电动助力转向***控制器和助力电机，所述电动助力转向***控制器与控制模块连接。
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