TWI633030B - Vehicle automatic lane following control system and method - Google Patents

Abstract

本創作提供一種車輛自動車道追隨控制系統與方法，其包含一影像感測器、一轉向角感測器、一慣性量測單元、一車速感測器、一電子裝置與一控制器。該影像感測器產生一車道資訊；該轉向角感測器產生一轉向角資訊；該慣性量測單元產生一加速度資訊、一偏航率資訊與一傾斜角資訊；該車速感測器產生一車速資訊；該控制器分別電連接該影像感測器、該轉向角感測器、該慣性量測單元、該電子裝置與該車速感測器，且該控制器接收一數位地圖資訊、該車道資訊、該轉向角資訊、該加速度資訊、該偏航率資訊、該傾斜角資訊以及該車速資訊，計算該方向盤之一補償角資訊。

Description

車輛自動車道追隨控制系統與方法

本創作係有關於一種車輛自動車道追隨控制系統與方法，特別是一種考量車輛的傾斜角與車道的坡度角的車輛自動車道追隨控制系統與方法。

在美國交通部的統計資料顯示，車輛因偏離車道所造成的碰撞事故，約佔所有碰撞事故的51%，而在另外一份美國州際高速公路與交通協會的報告指出，車輛偏離車道所造成的死亡率，佔了所有交通事故死亡率的58%。可見，車輛偏離車道導致碰撞事故發生的機率很高，且是常容易導致死亡的交通事故。

因此，汽車廠商設計一種車道追隨控制系統(Lane Following Control，LFC)，車道追隨控制系統的中控系統經由感測系統獲得相對於車輛的車道幾何資訊，透過控制轉向系統使車輛維持行駛於車道中央線上，防止車輛偏離車道，進而避免交通事故的發生，更能減少駕駛者的負擔。

現有的車道追隨控制系統大多利用影像感測器偵測車道線，當車輛在平坦的車道上行駛時，車道追隨控制系統可以成功地控制該車輛的方向盤，讓該車輛維持於兩側的二車道線之間行駛。

然而，當該車輛在行駛時產生傾斜角(Roll Angle)，或者當車道具有坡度角(Bank Angle)時，該車道追隨控制系統可能因為該車輛的該傾斜或該車道具有該坡度角而導致方向盤偏離控制，該車輛可能無法有效地維持在該二車道線之間行駛。

在中國專利第CN101778753B號的專利中，公開了一種用於支持車輛的車道保持的操作方法和系統，其主要目的是防止車輛在行經彎道時偏移車道，透過預測該車輛的未來軌跡與所期望的車道位置進行比較，決定該車輛的轉向。然而，該專利並沒有考慮該車輛的傾斜角，其所使用的操作方法仍可能無法將該車輛維持在車道線之間。

因此，如圖6所示，需要考慮一車輛60在行駛時碰到一傾斜角61或一車道具有一坡度角的狀況，改善現有車道追隨控制系統，讓該車道追隨控制系統在方向盤控制上，不會偏離過多，將該車輛60維持在二車道線之間行駛，降低駕駛因疲勞或偏離車道所造成之意外傷亡。

本創作之目的在創作一種車輛自動車道追隨控制系統，該車輛自動車道追隨控制系統參考車輛的傾斜角與車道的坡度角調整該車輛之方向盤的轉向角，有效地將該車輛控制在車道線之間。

根據上述的目的，本創作提供一種車輛自動車道追隨控制系統，包含： 一影像感測器，感測一車輛之一車道以產生一車道資訊； 一轉向角感測器，感測該車輛之一方向盤的一轉向角以產生一轉向角資訊； 一慣性量測單元，感測該車輛之一加速度、一偏航率與一傾斜角以產生一加速度資訊、一偏航率資訊與一傾斜角資訊； 一車速感測器，感測該車輛的車速以產生一車速資訊； 一電子裝置，接收一數位地圖資訊； 一控制器，分別電連接該影像感測器、該轉向角感測器、該慣性量測單元、該車速感測器及該電子裝置，且該控制器接收該數位地圖資訊、該車道資訊、該轉向角資訊、該加速度資訊、該偏航率資訊、該傾斜角資訊以及該車速資訊，計算該方向盤之一補償角資訊。

本創作之另一目的在創作一種車輛自動車道追隨控制方法，透過該方法可計算該車輛之該方向盤的該補償角資訊，並根據該車輛的該傾斜角資訊與該車道的該坡度角資訊，控制該車輛在二車道線之中央線上。

根據上述的目的，本創作提供一種車輛自動車道追隨控制方法，包含下列步驟： 透過一影像感測器感測一車輛之一車道的二車道線以產生一車道資訊，並輸出該車道資訊至一中央線計算單元； 透過一中央線計算單元接收該車道資訊以計算一中央線資訊，並輸出該中央線資訊； 根據一車輛的偏航率資訊、加速度資訊、車速資訊以及該車輛之一方向盤的一轉向角，計算該車輛的預測偏移軌跡資訊； 根據該車輛的該預測偏移軌跡資訊與該中央線資訊，計算該車輛的橫向位移面積； 根據該橫向位移面積以計算一偏移面積，進而計算該車輛之該方向盤的一補償角資訊； 參考該車道的一坡度角資訊、該車輛的一傾斜角資訊以及一對照表，修正該車輛之該方向盤的該補償角資訊。

本創作的優點在於：進一步參考該車輛的傾斜角與該車道的坡度角，讓該車輛自動車道追隨控制系統在該方向盤控制上，不會偏離過多，可將該車輛維持在二車道線之中央線上行駛，降低駕駛因疲勞或偏離車道所造成之意外傷亡。

請參閱圖1，本創作之車輛自動車道追隨控制系統10包含一影像感測器(Image Sensor)11、一控制器(Control Unit)12、一轉向角感測器(Steering Angle Sensor)13、一慣性量測單元(Inertial Measurement Unit，IMU)14與一車速感測器(Vehicle Speed Sensor)15。該控制器12包含一中央線計算單元(Centerline Compute)121、一預測軌跡計算單元(Predicted Trajectory Compute)122、一橫向位移面積計算單元(Lateral Displacement Area Compute)123與一轉向角計算單元(Steering Angle Compute)124。

該影像感測器11電連接該控制器12，該控制器12分別電連接該轉向角感測器13、該慣性量測單元14與該車速感測器15。進一步來說，該控制器12的該中央線計算單元121電連接該影像感測器11，該預測軌跡計算單元122電連接該轉向角感測器13、該慣性量測單元14與該車速感測器15。該橫向位移面積計算單元123電連接該中央線計算單元121與該預測軌跡計算單元122。該轉向角計算單元124電連接該橫向位移面積計算單元123與該慣性量測單元14。

該影像感測器11用於感測一車道的二車道線以產生一車道資訊，並將該車道資訊輸出至該中央線計算單元121，該中央線計算單元121根據所接收的該車道資訊計算一中央線以輸出一中央線資訊，該中央線位於該二車道線之間，且該中央線為該車輛所在之該二車道線之間的一中央假想線，該中央線資訊輸出至該橫向位移面積計算單元123。本創作的車輛自動車道追隨控制系統10根據該中央線資訊判斷該車輛向左偏移或向右偏移，再對該車輛的偏移調整。另外，該轉向角感測器13感測該車輛之該方向盤的一轉向角以產生一轉向角資訊，並將該轉向角資訊輸出至該預測軌跡計算單元122。

該慣性量測單元14為用於測量車輛的一偏航率(Yaw rate)資訊以及一加速度資訊的裝置，一般來說，一個該慣性量測單元14包含裝有三軸的陀螺儀與三個方向的加速度計，可量測物體在三維空間中的一偏航角速度與一加速度，並以此算出該物體的姿態。在本創作中，該慣性量測單元14設置於該車輛上，可輸出該車輛的該加速度資訊與該偏航率資訊至該預測軌跡計算單元122。另外，該慣性量測單元14更輸出該車輛的一傾斜角資訊至該轉向角計算單元124，本創作的車輛自動車道追隨控制系統10根據該車輛的該傾斜角資訊修正該方向盤的該轉向角。

該車速感測器15用於感測該車輛的車速，以輸出一車速資訊至該預測軌跡計算單元122。因此，根據該方向盤的該轉向角資訊以及該車輛的該加速度資訊、該偏航率資訊與該車速資訊，該預測軌跡計算單元122可以計算出該車輛的一預測偏移軌跡資訊，並將該預測偏移軌跡資訊輸出至該橫向位移面積計算單元123。

該橫向位移面積計算單元123根據所計算出的該中央線資訊以及該預測偏移軌跡資訊，計算該車輛的一橫向位移面積，然後輸出該橫向位移面積至該轉向角計算單元124。如何計算該橫向位移面積會於下面段落中有進一步的說明。

該轉向角計算單元124進一步連接一電子裝置16，該電子裝置16較佳為全球定位系統(Global Positioning System，GPS)，或者該電子裝置16可以是一無線網路卡，可無線連接至網際網路下載一數位地圖資訊，在此並不侷限。電子裝置16可輸出該數位地圖資訊至該轉向角計算單元124，透過該數位地圖資訊，該轉向角計算單元124可獲得該車道的一坡度角(Bank angle)資訊。另外，該轉向角計算單元124接收一對照表(Lookup Table)，該對照表儲存於該車輛自動車道追隨控制系統10內部的一記憶體125中，該記憶體125可設置於該轉向角計算單元124內或設置於該轉向角計算單元124外，在此並不侷限。該對照表儲存該車速資訊、該車道的該坡度角資訊或該車輛的該傾斜角資訊以及該方向盤的該轉向角資訊之間的關係列表。

該轉向角計算單元124根據該橫向位移面積，計算該車輛之該方向盤的一補償角資訊。另外，該轉向角計算單元根據該方向盤的該轉向角資訊、該車道的該坡度角資訊與該車速資訊，並參考該對照表調整該車輛的該補償角資訊。根據該補償角資訊，該車輛自動車道追隨控制系統10修正該方向盤的該轉向角，以維持該車輛在該車道線之間。如何建立該對照表會於下面段落中有進一步的說明。

透過本創作的該車輛自動車道追隨控制系統10，將該車輛的該傾斜角資訊與該車道的該坡度角資訊考慮在內，降低該車輛偏移計算的誤差，因此可以有效地將該車輛控制在該二車道線之間。

實際上，請參閱圖2，駕駛人目測該車輛20的偏移路徑為軌跡21，而本創作之預測軌跡計算單元計算出之該車輛的預測偏移軌跡為軌跡22，由圖2之該車輛的兩個軌跡可以看出，目測之該車輛20的偏移路徑的該軌跡21與該車輛20的預測偏移軌跡的該軌跡22之間存在誤差，因此需要根據該車輛20之該預測偏移軌跡的該軌跡22，進行該車輛的行徑方向的修正。

請參閱圖3，一第一軌跡31為該二車道線的該中央線，而一第一函數(func1)為代表該第一軌跡的數學函數，一第二軌跡32為本創作之車道追隨控制系統所計算出車輛30偏移的該預測偏移軌跡資訊，一第二函數(func2)為代表該第二軌跡32的數學函數。第一點(d1)為該車輛30之車頭的水平延伸線與該中央線的交叉點，該車頭的水平延伸線係垂直於該中央線；第二點(d2)為該第二軌跡32與該中央線的交叉點；第三點(d3)為前視點，該車輛30之該車頭與該第三點(d3)之間的距離為前視距離(Look ahead distance)，該前視距離為車速(V_car )*時間(t)，該時間(t)為固定值，該車速越快，所需的該前視距離越長，在本創作的一實施例中，該時間為2。該第三點(d3)之水平延伸線與該第一軌跡31的交叉點為第四點(d4)，該第三點(d3)的水平延伸線係垂直於該中央線(x`)。

第一面積(A)為該第一軌跡31與該第二軌跡32在該第二點(d2)與該第四點(d4)之間所夾的面積；第二面積(B)為該第一軌跡31與該第二軌跡32在該第一點(d1)與該第二點(d2)之間所夾的面積，該第一面積(A)與該第二面積(B)的公式如下：

該第一面積(A)的公式為，

該第二面積(B)的公式為，

偏移面積為第二面積(B)減去第一面積(A)，若該偏移面積＞0，表示該第二面積(B)大於該第一面積(A)，則該車輛的方向盤應該往右轉，反之，若該偏移面積＜0，表示該第一面積(A)大於該第二面積(B)，則該車輛30的該方向盤應該往左轉。透過將上述的計算公式嵌入圖1所示之該轉向角計算單元124，該轉向角計算單元124即可計算出該方向盤所需轉向左方或右方以及該補償角。

表1為該車輛的平均速度(Avg. Speed)、該車道的該傾斜角或該車道的該坡度角(Avg. Roll Angle/Bank Angle)與該方向盤的該轉向角(Steering Wheel Angle，SWA)之間的該對照表(Look up table)：

表1

圖4為該車輛的該傾斜角或該車道的該坡度角與該方向盤的該轉向角的曲線圖。根據表1與圖4，二虛線分別為傾斜角與坡度角的曲線，二實線為針對傾斜角與坡度角所求出的線性回歸曲線，應用一線性回歸方法，可計算出該車輛的該傾斜角或該車道的該坡度角在幾度時，該方向盤之轉向角所需要的一補償角資訊為多少。在統計學中，線性回歸（Linear regression）是利用線性回歸方程式的最小平方函數對一個或多個自變量和因變量之間關係進行建立模型的一種回歸分析。因此本創作之該車輛自動車道追隨控制系統10將所計算之該方向盤的該補償角資訊，並參考該對照表與該線性回歸方法所繪製的該曲線圖，找出該車輛在該車速時需要微調之該補償角資訊為多少，進一步修正該補償角資訊，讓該車輛可以持續保持在該二車道線之間。

請參閱圖5，本創作之車輛自動車道追隨控制方法包含下列步驟。在步驟S501中，透過一影像感測器感測路面上的二車道線，並將感測所產生的一車道資訊輸出至一中央線計算單元。為了讓一車輛保持在該二車道線之間，需要先知道該二車道線的位置，本創作的該車輛自動車道追隨控制系統則可以參考該二車道線，知道要控制一方向盤轉左或轉右。

在步驟S502中，透過該中央線計算單元接收該車道資訊計算一中央線以產生一中央線資訊。該車輛以該中央線為基準，判斷該車輛目前是左偏移還是右偏移，並根據該中央線資訊，進而計算該車輛的一橫向位移面積，進而知道要控制該方向盤轉左或轉右。

在步驟S503中，獲得該車輛的一偏航率資訊、一加速度資訊、一車速資訊以及該車輛之方向盤的一轉向角資訊以計算該車輛的一預測偏移軌跡資訊。透過一慣性量測單元可獲得該車輛的該偏航率資訊與該加速度資訊，透過一車速感測器可獲得該車輛的該車速資訊，透過一轉向角感測器可獲得該方向盤的該轉向角資訊，因此可計算出該車輛的該預測偏移軌跡資訊。

在步驟S504中，根據該車輛的該預測偏移軌跡資訊與該中央線資訊，透過一橫向位移面積計算單元計算該車輛的該橫向位移面積。透過該橫向位移面積，判斷該車輛是向左偏移還是向右偏移，並可進一步計算該車輛之該方向盤的一補償角資訊。

在步驟S505中，根據該橫向位移面積以計算一偏移面積，進而獲得該方向盤之該補償角資訊。計算該車輛在該中央線的左右兩側的該橫向位移面積(一第一面積與一第二面積)，該偏移面積等於該第二面積減去該第一面積，若該偏移面積＞0，該方向盤則控制該車輛往右轉，反之，若該偏移面積＜0，該方向盤控制該車輛往左轉。該橫向位移面積的計算公式如上所示，在此不再贅述。

在步驟S506中，根據在步驟S505所計算出的該方向盤的該補償角資訊，並參考一數位地圖資訊之該車道的一坡度角資訊、該車輛的一傾斜角資訊以及一對照表，修正該車輛之該方向盤的該補償角資訊。在步驟S505所計算出的該補償角資訊為假設該車輛無傾斜且該車道無該坡度角存在，在計算出該補償角資訊後，根據該車輛實際的該傾斜角以及該車道的該坡度角，參考該對照表，找出該車輛在該車速時需要微調之該補償角資訊為多少，進一步修正該補償角資訊，以維持該車輛在該二車道線之該中央線上行駛。

透過參考該車輛的該傾斜角與該車道的該坡度角，本創作的車輛自動車道追隨控制系統與方法，可以當該車輛在偏移時，更準確地控制該車輛的該方向盤轉左或轉右。

10‧‧‧車輛自動車道追隨控制系統
11‧‧‧影像感測器
12‧‧‧控制器
121‧‧‧中央線計算單元
122‧‧‧預測軌跡計算單元
123‧‧‧橫向位移面積計算單元
124‧‧‧轉向角計算單元
125‧‧‧記憶體
13‧‧‧轉向角感測器
14‧‧‧慣性量測單元
15‧‧‧車速感測器
16‧‧‧電子裝置
20‧‧‧車輛
21‧‧‧軌跡
22‧‧‧軌跡
30‧‧‧車輛
31‧‧‧第一軌跡
32‧‧‧第二軌跡
d1‧‧‧第一點
d2‧‧‧第二點
d3‧‧‧第三點
d4‧‧‧第四點
A‧‧‧第一面積
B‧‧‧第二面積
60‧‧‧車輛
61‧‧‧傾斜角

圖1為本創作之車輛自動車道追隨控制系統的系統方塊圖。 圖2為車輛目測軌跡與預測軌跡的示意圖。 圖3為該車輛的橫向位移面積的示意圖。 圖4為車輛的傾斜角或車道的坡度角與方向盤的轉向角之間的關係曲線圖。 圖5為本創作之車輛自動車道追隨控制方法的步驟流程圖。 圖6為車輛之傾斜角的示意圖。

Claims (10)

1. 一種車輛自動車道追隨控制系統，包含：一影像感測器，感測一車輛之一車道的二車道線以產生一車道資訊；一轉向角感測器，感測該車輛之一方向盤的一轉向角以產生一轉向角資訊；一慣性量測單元，感測該車輛之一加速度、一偏航率與一傾斜角以產生一加速度資訊、一偏航率資訊與一傾斜角資訊；一車速感測器，感測該車輛的車速以產生一車速資訊；一電子裝置，接收一數位地圖資訊；一控制器，分別電連接該影像感測器、該轉向角感測器、該慣性量測單元、該車速感測器及該電子裝置，以接收該數位地圖資訊、該車道資訊、該轉向角資訊、該加速度資訊、該偏航率資訊、該傾斜角資訊以及該車速資訊，且該控制器儲存有一對照表；該控制器根據該數位地圖資訊獲得該車道的一坡度角資訊，該對照表包含有該車速資訊、該車道的該坡度角資訊、該車輛的該傾斜角資訊以及該方向盤的該轉向角資訊之間的關係列表；該控制器根據該影像感測器產生的該車道資訊，計算一中央線資訊，並根據該轉向角感測器產生的該轉向角資訊、該慣性量測單元產生的該加速度資訊、該偏航率資訊以及該車速感測器產生的該車速資訊，計算該車輛的一預測偏移軌跡資訊；該控制器根據該中央線資訊以及該預測偏移軌跡資訊，計算該車輛的橫向位移面積，並根據該橫向位移面積計算一偏移面積，以計算該方向盤之一補償角資訊； 其中該控制器根據該車道的該坡度角資訊、該車輛的傾斜角資訊以及該對照表，修正該車輛之該方向盤的該補償角資訊。
2. 如請求項1所述之車輛自動車道追隨控制系統，其中該控制器包含：一中央線計算單元，電連接該影像感測器，接收該車道資訊，計算該中央線資訊；一預測軌跡計算單元，分別電連接該轉向角感測器與該慣性量測單元，接收該轉向角資訊、該加速度資訊、該偏航率資訊以及該數位地圖資訊，計算該預測偏移軌跡資訊；一橫向位移面積計算單元，電連接該中央線計算單元與該預測軌跡計算單元，接收該預測偏移軌跡資訊與該中央線資訊，計算該橫向位移面積；一轉向角計算單元，電連接該慣性感測單元與該橫向位移面積計算單元，接收該橫向位移面積，並根據該橫向位移面積，計算該偏移面積及該方向盤的該補償角資訊，且該轉向角計算單元進一步根據該車道的該坡度角資訊與該車輛的該傾斜角以及該對照表，修正該方向盤的該補償角資訊。
3. 如請求項2所述之車輛自動車道追隨控制系統，其中該橫向位移面積包含有一第一面積與一第二面積；其中該偏移面積為該第一面積與該第二面積之間的差值。
4. 如請求項2所述之車輛自動車道追隨控制系統，進一步包含有：其中該電子裝置為一全球定位系統，該全球定位系統接收該數位地圖資訊。
5. 如請求項3中任一項所述之車輛自動車道追隨控制系統，其中該二車道線的該中央線為一第一軌跡，而該預測偏移軌跡資訊為一第二軌跡； 其中該偏移面積為該第一面積與該第二面積之間的差值，該第一面積與該第二面積的公式為： 其中d1為一第一點，該第一點為該車輛的一水平延伸線與該中央線的一交叉點，d2為一第二點，該第二點為該第二軌跡與該中央線的交叉點，d3為一第三點，該第三點為前視點，d4為一第四點，該第四點為該第三點之該水平延伸線與該中央線的該交叉點，A為該第一面積，B為該第二面積，func2(s)為代表該第二軌跡的數學函數，func1(s)為代表該第一軌跡的數學函數。
6. 一種車輛自動車道追隨控制方法，包含：透過一影像感測器感測一車輛之一車道的二車道線以產生一車道資訊，並輸出該車道資訊至一中央線計算單元；透過一中央線計算單元根據該車道資訊以計算一中央線資訊，並輸出該中央線資訊；根據一車輛的一偏航率資訊、一加速度資訊、一車速資訊以及該車輛之一方向盤的一轉向角，計算該車輛的一預測偏移軌跡資訊；根據該車輛的該預測偏移軌跡資訊與該中央線資訊，計算該車輛的橫向位移面積；根據該橫向位移面積以計算一偏移面積，進而計算該車輛之該方向盤的一補償角資訊；根據該車道的一坡度角資訊、該車輛的一傾斜角資訊以及一對照表，修正該車輛之該方向盤的該補償角資訊；其中該對照表包含有該車速資訊、該車道的該坡度角資訊、該車輛的該傾斜角資訊以及該方向盤的該轉向角資訊之間的關係列表。
7. 如請求項6所述之車輛自動車道追隨控制方法，其中在計算該車輛的該預測偏移軌跡資訊的步驟中，係透過一慣性計算單元測量該車輛的該偏航率資訊、該加速度資訊與該傾斜角資訊。
8. 如請求項6所述之車輛自動車道追隨控制方法，其中該橫向位移面積包含有一第一面積與一第二面積；其中在根據該橫向位移面積以計算該偏移面積，進而計算該車輛之該方向盤的該補償角資訊的步驟中，係計算在該中央線資訊與該預測偏移軌跡資訊之間的該第一面積與該第二面積，且計算該第一面積與該第二面積之間的差值作為該偏移面積；其中該二車道線的該中央線為一第一軌跡，而該預測偏移軌跡資訊為一第二軌跡；其中該第一面積與該第二面積的公式為： 其中d1為一第一點，該第一點為該車輛的一水平延伸線與該中央線的一交叉點，d2為一第二點，該第二點為該第二軌跡與該中央線的交叉點，d3為一第三點，該第三點為前視點，d4為一第四點，該第四點為該第三點之該水平延伸線與該中央線的該交叉點，A為該第一面積，B為該第二面積，func2(s)代表該第二軌跡的數學函數，func1(s)代表該第一軌跡的數學函數。
9. 如請求項6所述之車輛自動車道追隨控制方法，其中該車道的該坡度角資訊係根據一數位地圖資訊而獲得。
10. 如請求項9所述之車輛自動車道追隨控制方法，其中該對照表係根據該車道的該坡度角資訊、該車輛的該傾斜角資訊與該車速，並應用一線性回歸方法計算統計而得。