CN112977445A - 一种基于eps的车道保持辅助*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于EPS的车道保持辅助***，通过车道线检测、驾驶员驾驶意图判别、EPS助力转向以及主动转向来对车辆偏离进行控制，对驾驶员以及其他人的生命财产安全起到极大的保障作用；该***通过设置预瞄距离可以调节驾驶员从车道偏离预警到控制的时间，同时设置相应的横向距离阈值，用来判断车辆到预瞄点位置时是否会发生偏移，具有很好的时效性；且该***通过三个条件综合判断驾驶员是否处于操作状态，可减少误预警概率；另外，本申请设置了主动转向模式以及EPS助力模式这两种操控模式，用PID控制器对相应参数进行调节，具有很好的鲁棒性。

Description

一种基于EPS的车道保持辅助***
技术领域
本发明属于车辆控制领域，具体涉及一种基于EPS的车道保持辅助***。
背景技术
随着技术的进步和经济的发展，汽车开始大范围普及，汽车保有量和驾驶员数量逐年增加，这也导致车辆行车安全问题日益突出。驾驶员在道路行驶过程中，由于疲劳驾驶或其他不正当驾驶行为易导致汽车在驾驶员无意识的情况下发生偏离车道的情况，极易引起交通事故，对驾驶员以及其他人的生命财产安全有很大的威胁。
车道保持***(Lane Keeping System，LKS)是ADAS(Advanced Driver AssistantSystem)的基础技术之一，其能够减小驾驶员对驾驶技术和身体状况的过度依赖，减轻驾驶员的驾驶负担，提高道路交通安全。
目前，车道保持***的主要作用是通过摄像头等传感器获取车辆和车道线的相对位置信息，实时监测车辆与车道的相对位置，利用偏离预警模块判断车辆是否有驶离车道的可能并决定是否给驾驶员提供警告；当车辆有发生偏离车道的危险时，车道偏离预警会通过视觉、听觉或触觉等手段提醒驾驶员，若预警一定时间后驾驶员没有采取相关措施纠正车辆的偏离运动状态，车道保持***会进一步通过转向***或制动***对车辆进行主动干预，使车辆行驶在车道中间的安全区域，保证行车安全。
车道偏离预警算法是一种通过视觉传感器或雷达探测车道线，结合车辆位置信息和状态信息得到车辆与车道线间相对位置关系的控制算法。
已发表的关于LDWS和LKAS的文献中大部分是利用视觉传感器获得车道线信息，结合预警决策算法辨识车辆是否有偏离原车道的趋势。各研究机构使用的车道偏离预警算法基本上分为两类，一类是道路结构模型与图像信息结合，另一类是仅使用图像信息。
现在使用频率较高的偏离预警算法有八种，分别为：TLC算法、FOD算法、 CCP算法，瞬时侧向位移算法、横向速度算法、边缘分布函数(Edge Distribution Function，EDF)算法、预瞄轨迹偏离(Divergence，TTD)算法和路边振动带(Road Rumble StTime toTrajectory rips，RRS)算法。
TLC算法的特点是预警时间较长，能给驾驶员预留较长的反应间，应用广泛，但是该算法是在假设偏离过程中转向盘转角、车速和航向角都不变的情况下才适用；FOD算法设置虚拟车道线，有多个预警阈值，但是是在假设驾驶员能跟随道路曲率变化且横摆角速度不变的前提下方能适用；瞬时侧向位移算法虽然算法简单，比较容易实现，但是其忽略汽车运动轨迹，如果车辆沿着与车道中心线平行并偏移一定距离的直线平行行驶，LKAS或LDWS的误警率则会较高；
车道保持辅助***(LKAS)的功能要求主要有如下几点：1)当满足偏离预警条件时，LKAS及时发送预警信号提醒驾驶员；当满足主动控制条件时， LKAS会及时控制车辆回归原车道；2)乘用车LKAS预警最迟边界线不超过车道线外0.3m；3)LKAS最早预警边界线的极限值要满足国家法规；4)如果车辆一直在预警边界线附近，LKAS应该连续发送偏离警告信号；5)尽可能少发生虚假预警。
当前常见的车道保持辅助***普遍具有以下几点缺陷：
1)判断车道是否会发生偏离的方法较为复杂，时效性低，不利于***或者驾驶员在短时间内做出有效应对；
2)当车辆发生偏离，且驾驶员可自主进行操作转向的情况下，车道保持辅助***对驾驶员的驾驶状态的判断依据单一，易产生“车夺人”的现象，造成不必要的预警频发，使得驾驶员操作的舒适性受到明显影响。
综上可知，设计一种时效性强、智能化程度更高的带有车道偏离预警的车道保持***是极有意义的，这将对驾驶员以及其他人的生命财产安全起到明显的保障作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于EPS的车道保持辅助***，其所包含的车道偏离预警算法通过对道路边缘检测然后对图像进行处理，检测车道边线，确立道路中心点。图像采集装置安装在汽车纵向中心轴线上，可认为采集的图像中心线方向为当前汽车纵轴线方向。将图像中心线放在大地坐标系上，设汽车预瞄距离为L，算出汽车实时的偏离距离。然后通过车道保持辅助***对车辆偏离进行控制。
本发明的技术方案为：一种基于EPS的车道保持辅助***，包括车道线检测、驾驶员驾驶意图判别、EPS助力转向以及主动转向控制模块，各模块相互配合，主要通过如下步骤实施纠偏过程：
步骤一、利用图像采集装置对道路的车道线进行检测，确定道路中心点，同时在车辆的纵向中心线上安装图像采集装置，进而可认为采集的图像中心线方向为当前汽车纵轴线方向，将图像中心线放在大地坐标系上，通过设立道路中心线可以得到当前位置汽车行驶的角度偏差θ，设置预瞄距离为L，算出车辆在预瞄位置的横向偏差Le，则汽车在当前位置的横向偏差Lt＝Le－Lsinθ，设置Lt的阈值，通过比较实际偏差值和阈值来衡量汽车当前是否会发生偏离；
步骤二、判断驾驶员操作意图，通过方向盘扭矩大小、作用在方向盘上扭矩时间、是否开启转向灯这三个条件来判断驾驶员是否正在操作；
该部分的设置是为了防止在驾驶员操作转向的过程中，车道保持辅助***发生作用，产生“车夺人”的现象，引起驾驶员的反感，本发明所包含的驾驶员操作意图判断包括方向盘扭矩的大小、作用在方向盘上扭矩的时间以及转向灯是否开启三个阈值，通过实时与阈值进行比较以对驾驶员的状态进行判别，可以很好的达到误报警的要求。
步骤三、判断车辆是否偏移，若车辆发生偏移，开启车道偏离预警提醒驾驶员车辆已发生偏移；若未发生偏移，车辆正常启用EPS助力模式进行运作；
步骤四、开启车道偏离预警后，如驾驶员未及时操作，开启主动转向模式，控制车辆安全行驶直到驾驶员操作车辆退出该模式，换成EPS助力模式。
进一步地，步骤一中是利用CCD或CMOS相机在车辆行驶的过程中获取实时的彩色图像进行车道线检测的；
但是，由于所获得的图像包括大量的噪声，所以需对所获得的图像进行一定的预处理，减少初始图像中的噪声，从而获取有效路面信息；
首先，对获取图像进行灰度处理，将拍摄的彩色RGB图像，通过改变R、 G、B所占的权重得到相应的灰度图，RGB色度空间和灰度空间的转换关系为：
Y＝0.2989*R+0.5870*G+0.1140*B
式中，Y：灰度空间矩阵；
R、G、B：彩色图像像素点对应的红、绿、蓝权重；
然后，确立感兴趣区域，对感兴趣区域的图像进行图像增强，最后进行车道线边线检测，确立道路中心点。
进一步地，EPS助力模式以及主动转向模式是利用包括转角传感器、电流传感器、扭矩传感器以及车声速度传感器在内的传感装置对车辆行驶状态进行判断的，利用PID控制器输出相应的电流以及转角信息，调节PWM信号从而控制电机运动。
当车辆发生偏离时，ECU首先判断驾驶员是否处在操作状态，如果驾驶员正在操作，就启动常规的EPS助力模式，驾驶员操作方向盘输出方向盘转角以及扭矩，ECU通过采集行车信息对PID控制器输入目标电流，从而输出PWM 信号控制电机助力方向盘，同时电流传感器采集电机电流反馈到PID控制器实现闭环控制。
驾驶员不在操作状态时，开启车道偏离预警，可以通过蜂鸣器产生报警声，方向盘震动，或者座椅震动提醒驾驶员已经偏离道路；驾驶员在一段时间内仍未做出相应操作，则启动主动转向模式，ECU通过目标轨迹以及侧向驾驶员模型获得目标转角输入给PID控制器，从而输出PWM信号控制电机转动，同时利用转角传感器测量方向盘实际转角反馈到PID控制器形成闭环。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1.本发明设计一种新型的车道偏离预警算法，通过设置预瞄距离来调节驾驶员从车道偏离预警到控制的时间，同时设置相应的横向距离阈值，用来判断车辆到预瞄点位置时是否会发生偏移，具有很好的时效性；
2.本发明通过设置方向盘扭矩大小、作用在方向盘上的扭矩时间大小以及是否开启转向灯这三个条件来综合判断驾驶员是否正在操作车辆，可以很好的减少不必要的预警，提高驾驶员操作的舒适性；
3.本发明设计了两种操作模式，主动转向模式以及EPS助力模式，用PID 控制器对相应参数进行调节，具有很好的鲁棒性。
附图说明
图1为车道偏离预警示意图；
图2为判断驾驶员驾驶状态的操作流程图；
图3为基于EPS的车道保持辅助***的控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
图1所示的是车道偏离预警示意图，如图所示当车辆在无意状态下发生偏离时，车身相对于道路中心线产生相应的夹角θ，因为图像采集装置安装在汽车的纵向中心轴线上，所以可以认为采集的图像中心线方向为当前汽车的轴线方向，根据左右两侧车道线识别结果计算左右车道线的直线方程：根据每个线段在图像坐标系下的斜率，判断线段为左车道线还是右车道线，随后对所有左车道线、所有右车道线上的点做一次最小二乘直线拟合，得到的即为最终的左、右车道线的直线方程。从而计算得到车道中心线所在直线方程为：y＝Kx+b，当前位置汽车行驶偏差θ＝arctan(K)，K为车道中心线所在的斜率。
汽车预瞄距离L，根据摄像头标定结果可知，汽车预瞄点横向偏差为Le，所以汽车当前位置的横向偏差为Lt＝Le－Lsinθ，设置恰当的阈值Lt，用来衡量汽车当前是否会发生偏移。
图2所示的是判断驾驶员驾驶状态的操作流程图。
如图所示，当车辆发生偏移时，该模型首先检测方向盘上有无扭矩输入，根据标定设定相应的阈值T，当方向盘输入的扭矩大于所设定的阈值时，判定此时驾驶员在操作汽车，开启正常的EPS助力模式；如果没有，再判断方向盘输入的扭矩小于阈值的时间是否大于所标定的时间阈值，如果没有，判定此时驾驶员在操作；如果有，继续识别转向灯是否开启，如果转向灯开启，则判定驾驶员在操作汽车，如果没有，则开启车道偏离预警，通过警示声或方向盘震动或汽车座椅震动提醒驾驶员车辆即将发生偏离，如果预警后驾驶员没有操作汽车，则开启主动转向模式，保证汽车在车道线内安全行驶。
图3所示的是基于EPS的车道保持辅助***的控制原理图。
如图所示：电动助力转向以及主动转向部分包含转角传感器、电流传感器、扭矩传感器以及车声速度传感器等对车辆行驶状态进行判断，利用PID控制输出相应的电流以及转角信息，调节PWM信号从而控制电机运动。当车辆发生偏离时，ECU首先判断是否是驾驶员正在操作，如果驾驶员正在操作，就启动常规的EPS助力模式。驾驶员操作方向盘，输出方向盘转角以及扭矩，ECU通过采集车速等信息对PID控制器输入目标电流从而输出PWM信号控制电机助力方向盘，同时电流传感器采集电机电流反馈到PID控制器实现闭环控制；如果驾驶员没有在操作，开启车道偏离预警，可以通过蜂鸣器产生报警声，方向盘震动，或者座椅震动提醒驾驶员已经偏离道路。若驾驶员一段时间没有操作，便启动主动转向模式，ECU通过目标轨迹以及驾驶员模型获得目标转角输入给PID控制器，从而输出PWM信号控制电机转动，同时利用转角传感器测量方向盘实际转角反馈到PID控制器形成闭环。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于EPS的车道保持辅助***，其特征在于，包括车道线检测、驾驶员驾驶意图判别、EPS助力转向以及主动转向控制部分，各模块相互配合，主要通过如下步骤实施纠偏过程：
步骤一、利用图像采集装置对道路的车道线进行检测，确定道路中心点，同时在车辆的纵向中心线上安装图像采集装置，通过设立道路中心线得到当前位置汽车行驶的角度偏差θ，设置预瞄距离为L，算出车辆在预瞄位置的横向偏差Le，则汽车在当前位置的横向偏差Lt＝Le－Lsinθ，设置Lt的阈值，通过实际偏差值和阈值的比较来衡量汽车当前是否会发生偏移；
步骤二、判断驾驶员操作意图，通过方向盘扭矩大小、作用在方向盘上扭矩时间、是否开启转向灯这三个条件来判断驾驶员是否正在操作；
步骤三、判断车辆是否偏移，若车辆发生偏移，开启车道偏离预警提醒驾驶员车辆发生偏移；若未发生偏移车辆正常启用EPS助力模式进行运作；
步骤四、开启车道偏离预警后驾驶员未及时操作，开启主动转向模式，控制车辆安全行驶直到驾驶员操作车辆退出该模式，换成EPS助力模式。
2.如权利要求1所述的一种基于EPS的车道保持辅助***，其特征在于，步骤一中是利用CCD或CMOS相机在车辆行驶的过程中获取实时的彩色图像进行车道线检测的，获取图像后进行降噪处理以获取有效路面信息；
首先对图像进行灰度处理，将拍摄的彩色RGB图像，通过改变R、G、B所占的权重得到相应的灰度图，RGB色度空间和灰度空间的转换关系为：
Figure 1
式中，Y：灰度空间矩阵；
R、G、B：彩色图像像素点对应的红、绿、蓝权重；
然后确立感兴趣区域，对感兴趣区域的图像进行图像增强，最后进行车道线边线检测，确立道路中心点。
3.如权利要求1所述的一种基于EPS的车道保持辅助***，其特征在于，EPS助力模式以及主动转向模式是利用包括转角传感器、电流传感器、扭矩传感器以及车声速度传感器在内的传感装置对车辆行驶状态进行判断，利用PID控制器输出相应的电流以及转角信息，调节PWM信号从而控制电机运动。
4.如权利要求3所述的一种基于EPS的车道保持辅助***，其特征在于，当车辆发生偏移时，ECU首先判断是否是驾驶员在操作，如果驾驶员正在操作，就启动常规的EPS助力模式，驾驶员操作方向盘输出方向盘转角以及扭矩，ECU通过采集行车信息对PID控制器输入目标电流，从而输出PWM信号控制电机助力方向盘，同时电流传感器采集电机电流反馈到PID控制器实现闭环控制。
5.如权利要求3所述的一种基于EPS的车道保持辅助***，其特征在于，驾驶员不在操作状态时，开启车道偏离预警，可以通过蜂鸣器产生报警声，方向盘震动，或者座椅震动提醒驾驶员已经偏离道路；驾驶员在一段时间内仍未做出相应操作，则启动主动转向模式，ECU通过目标轨迹以及侧向驾驶员模型获得目标转角输入给PID控制器，从而输出PWM信号控制电机转动，同时利用转角传感器测量方向盘实际转角反馈到PID控制器形成闭环。
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