TWI602725B - 具路徑誤差修正的車輛軌跡追蹤裝置及方法 - Google Patents

Description

具路徑誤差修正的車輛軌跡追蹤裝置及方法

本發明是關於一種車輛軌跡追蹤裝置及方法，尤指一種具路徑誤差修正的車輛軌跡追蹤裝置及方法。

先進駕駛輔助系統(Advanced-Driver Assistance System, ADAS)是自動駕駛車輛中的主要基礎之一，諸如障礙物辨識感測、輔助駕駛決策、車間與車內通訊等各方面都算是先進駕駛輔助系統中的重要子系統，主要透過各類感測器取得車輛自身資訊、周圍路況資訊等，再由電子控制單元進行資訊分析處理，以產生相應的控制訊號。

請參考圖9，為傳統車輛軌跡追蹤的控制邏輯示意圖，圖中表示先進駕駛輔助系統中的一控制器100可依據一已知的目標軌跡200及回授得到的車輛行駛的實際軌跡，比較該目標軌跡200與實際軌跡之間的誤差量，根據該誤差量估算出一轉向角度，以該轉向角度控制車輛適當地調整移動路徑，目的是希望車輛盡可能地追蹤該目標軌跡200而進行運動。

再請參考圖10，當車輛依據圖9中的控制邏輯自動調整自身行駛路徑時，實際上可能發生如第一修正路徑310或第二修正路徑320的運動情況。第一修正路徑310代表在修正過程中，因為修正過慢，車輛在變換路徑時（如轉向）與目標軌跡200產生明顯差距。另一種情況是第二修正路徑320，代表在修正過程中，因幅度過大，偏移過頭後而再次修正回目標軌跡200。

會產生如圖10所述的第一修正路徑310或第二修正路徑320問題，原因在於控制器100僅比較該目標軌跡200與實際軌跡之間的誤差量，未考量在修正過程中車輛本身的動態變化。當車輛的運動過程是如同第一修正路徑310或第二修正路徑320時，因短時間內偏移幅度明顯且頻繁，恐會對車上乘客造成不適或有車輛翻覆的風險。

本發明的主要目的是提供一種可維持車輛穩定轉向，避免發生車輛翻覆等意外的具路徑誤差修正的車輛軌跡追蹤方法。

為達成前述目的，本發明方法包含： 擷取車輛即時資訊及一目標軌跡； 根據車輛即時資訊，建立一預測軌跡； 根據車輛即時資訊，判斷出一車輛橫擺率門檻值； 計算該車輛橫擺率門檻值所對應的一轉向角； 估算該轉向角所對應的一側向誤差修正量； 判斷該側向誤差修正量是否未大於該目標軌跡與該預測軌跡之間的一誤差值； 當側向誤差修正量未大於目標軌跡與預測軌跡的誤差值，以該側向誤差修正量所對應的轉向角控制車輛轉向； 當側向誤差修正量大於目標軌跡與預測軌跡的誤差值，以該誤差值所對應的轉向角控制車輛轉向。

本發明將該預測軌跡與目標軌跡的誤差值作為一合理的誤差修正門檻，並參考車輛即時資訊，估算出一誤差修正量，在不超過該修正門檻的前提下，可根據該誤差修正量控制車輛的偏轉幅度，避免車輛轉向幅度過大而發生意外，令車輛可以因應各種道路狀況追蹤該目標軌跡而平穩行駛。

請參考圖1、2所示，本發明根據車輛的即時資訊建立一預測軌跡T_P ，該預測軌跡T_P 與一己獲得的目標軌跡T_G 比較而得出一誤差值ê，並根據車輛的即時資訊計算出一側向誤差修正量，以決定應利用該誤差值ê或側向誤差修正量所對應之轉向角度，控制車輛變換路徑。

首先說明圖2，目標軌跡T_G 是以實線表示，為根據現有技術即能建立，故不再贅述；預測軌跡T_P 是本發明中所建立，後面將有更進一步的說明；本發明依據車輛的即時資訊所計算出之側向誤差修正量，即對應於一規劃軌跡T_E ，其中，在控制車輛行進時，視計算結果選用依據預測軌跡T_P 或規劃軌跡T_E 而前進，以使車輛的實際運動路徑盡可能維持與該目標軌跡T_G 一致。以下將詳細說明本發明方法的詳細技術。

請參考圖3，本發明的方法包含有下述步驟：

S31：擷取車輛即時資訊及一目標軌跡T_G ，其中車輛即時資訊可包含但不限於車速、側向加速度、駕駛者車輛模型、行駛情境等。

S32：建立一預測軌跡T_P ，利用車輛即時資訊，估算預測軌跡T_P 。本實施例以圖4所示的模型為例說明，車輛前輪(以矩形圖案示意)的輪距中心以(x,y)表示其目前位置，在下一時間的預測位置以表示，其中，，D代表輪距中心(x,y)至轉向瞬心的長度，代表前輪轉角的角度。因此基於車輛從過去到目前位置所構成的歷史軌跡，可連續估算出不同時間的預測位置，藉此形成一預測軌跡T_P ，如與目標軌跡T_G 有所不同，即存在目標軌跡T_G 與預測軌跡T_P 的誤差值ê。

S33：判斷車輛橫擺率門檻值，根據車輛即時資訊藉由查表方式，判斷出對應目前車輛即時資訊的車輛橫擺率門檻值，因為是利用查表法判斷出，可利用現有的車輛模型配備模擬程式，預先建立一對照表，該對照表記錄車輛不同狀態下所對應的車輛橫擺率門檻值。在本實施例中，該對照表記錄不同車速分別對應的車輛橫擺率門檻值，即根據車輛的即時車速進行查表，判斷對應該即時車速的橫擺率門檻值。

S34: 計算轉向角，根據查表得到的該橫擺率門檻值，計算出一對應的轉向角，本實施例利用如圖5的腳踏車模型，依據下式計算出轉向角:其中，代表橫擺率，L代表車輛長度，v_x 代表縱向車速，v_ch 代表車速。

S35：估算側向誤差修正量，當轉向角計算出來，再結合車輛的即時車速，計算出側向誤差修正量，可利用下面所列的車輛側向運動狀態空間方程式求出：各已知參數代表的意義如下:v_ch :車速v_x : 縱向車速v_y :側向車速C _{α f} : 前輪轉向剛性C _{α r} :後輪轉向剛性L : 車輛長度m :車輛質量a : 前軸至重心長度b :後軸至重心長度Iz : 轉動慣量                 y:車輛側向位移: 偏航角r :橫擺率():前輪轉角 其中，側向誤差修正量即是上述方程式中的。

S36：判斷側向誤差修正量是否未大於目標軌跡與預測軌跡的誤差值ê  ()。

S37:若側向誤差修正量未大於目標軌跡與預測軌跡的誤差值ê，以側向誤差修正量所對應的轉向角控制車輛偏轉。如圖6所示，目標軌跡T_G 與預測軌跡T_P 的誤差值ê大於計算出來的側向誤差修正量，因此可以利用該側向誤差修正量對應的轉向角控制車輛，使車輛沿著規劃軌跡T_E 前進，並更趨近於目標軌跡T_G 。

S38:若側向誤差修正量大於目標軌跡與預測軌跡的誤差值ê，以誤差值ê所對應的轉向角控制車輛偏轉。如圖7所示，若計算出的側向誤差修正量大於誤差值ê時，假設仍依用該誤差修正量對應的轉向角控制車輛沿規劃軌跡T_E 前進，可明顯看出車輛相對於目標軌跡T_G 將會偏轉過頭，勢必需再次修正回目標軌跡T_G ，故不會採用該轉向角。相反的，在此情況下，將會根據目標軌跡與預測軌跡的誤差值ê，反算出對應之轉向角，以該轉向角控制車輛偏轉。

請參考圖8，為本發明具路徑誤差修正的車輛軌跡追蹤裝置的方塊圖，該裝置是安裝在車輛中，可執行如圖3所示的方法，該裝置包含有：

複數個感測器10，用以分別感測多種不同的車輛即時資訊，該感測器10的種類可包含有車速感測器、加速度感測器、鏡頭、定位裝置(GPS)、慣性測量器(IMU)等不同類型之一種或多種組合；

一軌跡預測單元20，依據車輛即時資訊， 建立預測軌跡T_P ；及

一軌跡修正單元30，依據車輛即時資訊計算出一側向誤差修正量，並判斷該側向誤差修正量是否大於一誤差值ê，以決定輸出對應該側向誤差修正量之轉向角或誤差值ê對應之轉向角，令車輛根據輸出的轉向角變換路徑。

其中，該軌跡修正單30可執行如步驟S33~S38之詳細流程，故不再贅述。該軌跡預測單元20及該軌跡修正單元30可以整合成同一個單元，或由單一個微處理器實現。

綜上所述，本發明依據車輛的即時資訊建立一預測軌跡T_P ，該預測軌跡T_P 與一己獲得的目標軌跡T_G 比較而得出一誤差值ê，該誤差值ê即代表車輛轉向之最大可容許量，當車輛轉角不超過該最大可容許量，即能確保車輛行駛平穩，避免車輛翻覆等危險情況，乘客可享有較舒適的感受。本發明參考車輛即時資訊，估算出一誤差修正量，在車輛轉角不超過該最大可容許量的前提下，可根據該誤差修正量控制車輛，使其運動路線更趨近於一目標軌跡。

10‧‧‧感測器
20‧‧‧軌跡預測單元
30‧‧‧軌跡修正單元
100‧‧‧控制器
200‧‧‧目標軌跡
310‧‧‧第一修正路徑
320‧‧‧第二修正路徑
T_P‧‧‧預測軌跡
T_G‧‧‧目標軌跡
T_E‧‧‧規劃軌跡

圖1：本發明的控制邏輯示意圖。 圖2：本發明車輛軌跡追蹤的路徑示意圖 圖3：本發明的方法流程圖。 圖4：本發明估算預測軌跡之計算示意圖。 圖5：本發明利用腳踏車模型計算轉向角之示意圖。 圖6：本發明依據側向誤差修正量控制車輛行進之示意圖。 圖7：本發明依據目標軌跡與預測軌跡的誤差值ê控制車輛行進之示意圖。 圖8：本發明裝置的方塊圖。 圖9:傳統車輛軌跡追蹤的控制邏輯示意圖。 圖10:傳統車輛軌跡追蹤的路徑示意圖。

Claims (10)

1. 一種具路徑誤差修正的車輛軌跡追蹤方法，包含：擷取車輛即時資訊及一目標軌跡；根據該車輛即時資訊，建立一預測軌跡；根據該車輛即時資訊，判斷出一車輛橫擺率門檻值；計算該車輛橫擺率門檻值所對應的一轉向角；估算該轉向角所對應的一側向誤差修正量；判斷該側向誤差修正量是否未大於該目標軌跡與該預測軌跡之間的一誤差值；當該側向誤差修正量未大於該目標軌跡與該預測軌跡的誤差值，以該側向誤差修正量所對應的轉向角控制車輛轉向；當該側向誤差修正量大於該目標軌跡與該預測軌跡的誤差值，以該誤差值所對應的轉向角控制車輛轉向。
2. 如請求項1所述具路徑誤差修正的車輛軌跡追蹤方法，在判斷該車輛橫擺率門檻值步驟中，根據該車輛即時資訊在一預先建立的對照表中，判斷出對應的該橫擺率門檻值。
3. 如請求項2所述具路徑誤差修正的車輛軌跡追蹤方法，該對照表記錄不同車速分別對應的車輛橫擺率門檻值，利用一即時車速進行查表以得到對應的該橫擺率門檻值。
4. 如請求項1至3中任一項所述具路徑誤差修正的車輛軌跡追蹤方法，在計算該車輛橫擺率門檻值所對應的轉向角步驟中，根據下式計算出該轉向角： 其中，代表橫擺率，L代表車輛長度， v _x 代表縱向車速， v _ch 代表車速，δ _f 為轉向角。
5. 如請求項4所述具路徑誤差修正的車輛軌跡追蹤方法，在估算該轉向角對應的側向誤差修正量步驟中，依據下列方程式估算出該側向誤差修正量： 其中，上列方程式的參數分別代表： v _ch ：車速 v _x ：縱向車速 v _y ：側向車速 C _{α f} ：前輪轉向剛性 C _{α r} ：後輪轉向剛性 L ：車輛長度 m ：車輛質量 a ：前軸至重心長度 b ：後軸至重心長度 Iz ：轉動慣量 y：車輛側向位移ψ：偏航角 r ：橫擺率() δ _f ：前輪轉角：側向誤差修正量。
6. 如請求項5所述具路徑誤差修正的車輛軌跡追蹤方法，在建立該預測軌跡的步驟中，車輛目前位置表示為(x,y)，其下一時間的預測位置表示為(,)，其中，，D代表輪距中心(x,y)至一轉向瞬心的長度，δ _f 代表前輪轉角的角度。
7. 一種具路徑誤差修正的車輛軌跡追蹤裝置，包含： 複數個感測器，用以分別感測多種不同的車輛即時資訊；一軌跡預測單元，依據該些車輛即時資訊，建立一預測軌跡；及一軌跡修正單元，依據該些車輛即時資訊計算出一側向誤差修正量，並判斷該側向誤差修正量是否大於一誤差值，該誤差值為一目標軌跡與該預測軌跡的誤差；當該側向誤差修正量未大於該誤差值，輸出該側向誤差修正量所對應的轉向角；當該側向誤差修正量大於該誤差值，輸出該誤差值所對應的轉向角；其中，該軌跡修正單元在計算該誤差修正量時，根據車輛即時資訊，判斷出一車輛橫擺率門檻值，計算該車輛橫擺率門檻值所對應的一轉向角，並根據該轉向角估算出該側向誤差修正量。
8. 如請求項7所述具路徑誤差修正的車輛軌跡追蹤裝置，該複數個感測器包含有車速感測器、加速度感測器、鏡頭、定位裝置及慣性測量器當中之一種或多種的組合。
9. 如請求項7所述具路徑誤差修正的車輛軌跡追蹤裝置，該軌跡預測單元及該軌跡修正單元整合為單一個微處理器。
10. 如請求項7所述具路徑誤差修正的車輛軌跡追蹤裝置，該些車輛即時資訊包含車速、側向加速度、駕駛者車輛模型及行駛情境的其中之一種或多種的組合。