專利名稱：用于自動車道居中和車道變換控制系統(tǒng)的路徑生成算法的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明總體上涉及一種自主駕駛車輛中的為車道居中和車道變換提供路徑生成 的系統(tǒng)和方法，更具體地說，涉及一種考慮車輛運動控制的自主駕駛車輛中的為車道居中 和車道變換提供路徑生成的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代車輛的運行正變得更加自主，S卩，車輛能夠在駕駛員越來越少干預的情況下 提供駕駛控制。巡航控制系統(tǒng)已經(jīng)在車輛上使用了若干年，在該系統(tǒng)中車輛操作者可以 設定車輛的特定速度，并且車輛將保持這個速度而不需要駕駛員操作節(jié)氣門。近來在本領 域已經(jīng)開發(fā)出了自適應巡航控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅保持設定速度，而且在利用各種傳感器 (例如雷達和攝像頭)測出前面有慢速行進車輛的情況下將會自動放慢車速。某些現(xiàn)代車 輛還提供自主泊車功能，在此情況下車輛將會自動地提供用于車輛停泊的轉(zhuǎn)向控制。如果 駕駛員作出可能影響車輛穩(wěn)定性的劇烈轉(zhuǎn)向變化，則一些車輛系統(tǒng)會進行干預。一些車輛 系統(tǒng)努力使車輛保持在接近道路車道的中央。此外，已證明完全自主車輛可以以高達30英 里/小時的車速在模擬的城市交通中行駛，并遵守所有的交通規(guī)則。隨著車輛系統(tǒng)的改進，它們將變得更加自主，目標是成為完全自主駕駛的車輛。例 如，將來的車輛也許將會把自主系統(tǒng)用于車道變換、超車、離開車流、進入車流等。隨著這 些系統(tǒng)在車輛技術(shù)中變得更加普遍，還需要確定在結(jié)合了用于控制車輛速度和轉(zhuǎn)向及超馳 (overriding)自主系統(tǒng)的這些系統(tǒng)的情況下駕駛員的作用將是什么。在自主車輛中，平穩(wěn)操作以及自動車道居中和車道變換控制對于使駕駛員和乘客 獲得舒適感來說是重要的。然而，由于傳感器和致動器的延遲，測量的車輛狀態(tài)可能不同于 實際的車輛狀態(tài)。這個差異可導致不恰當?shù)穆窂缴桑@將會影響車道變換的不平順性。因 此，需要的是一種旨在使乘客獲得舒適感的自主或半自主車輛中的為車道居中和車道變換 提供平穩(wěn)操作的系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的教示，公開了一種自主或半自主車輛中的提供用于車道居中和/或 車道變換目的的路徑生成的系統(tǒng)和方法。該路徑生成系統(tǒng)包括期望路徑生成處理器，該處 理器接收檢測車輛行駛所在道路的信號、車道變換請求、和車輛轉(zhuǎn)向角。該系統(tǒng)還包括路徑 預測處理器，該處理器基于車輛狀態(tài)信息(包括車輛縱向速度、車輛橫向速度、車輛偏航 率、車輛轉(zhuǎn)向角)來預測接下來幾秒鐘時間的車輛路徑。對期望的路徑信息與預測的路徑 信息進行比較而產(chǎn)生誤差信號，該誤差信號被傳送給車道變換自適應巡航控制(LXACC)系 統(tǒng)，該系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)向角信號以使車輛轉(zhuǎn)向并且減小誤差信號。該轉(zhuǎn)向角信號被傳送給使車 輛轉(zhuǎn)向的車輛轉(zhuǎn)向控制子系統(tǒng)，并且提供由路徑預測處理器所使用的車輛狀態(tài)測量值。在 一個實施例中，期望路徑生成處理器利用五階多項式方程并基于輸入值來確定車輛的期望 路徑。
從以下描述和所附權(quán)利要求中，并結(jié)合附圖，本發(fā)明的其他特征將變得明顯。


圖1是自主或半自主車輛中的各種系統(tǒng)和子系統(tǒng)的示意性方框圖，其中包括 LXACC系統(tǒng)。圖2是圖1所示LXACC系統(tǒng)中采用的路徑預測系統(tǒng)的方框圖。圖3是正在道路上行駛的車輛的圖示，圖中示出了預測的車道中央和檢測的車道 中央。圖4是正在道路上行駛的車輛的圖示，圖中示出了各種車輛參數(shù)。圖5是在彎道附近變換車道的車輛的圖示。圖6是在平直道路上變換車道的車輛的圖示。圖7是在道路中的彎道上變換車道的車輛的圖示，其中車道變換在經(jīng)過了車輛中 傳感器可以檢測到的位置后將會繼續(xù)。
具體實施例方式本發(fā)明實施例的以下論述針對一種自主或半自主車輛中的為平穩(wěn)車道居中或車 道變換提供路徑生成的系統(tǒng)和方法，該論述在本質(zhì)上僅僅是示例性的，而絕不是意圖限制 本發(fā)明或者其應用或用途。圖1是包括LXACC核心算法12的車輛系統(tǒng)10的圖示，LXACC核心算法12包括路 徑生成，這將在以下詳細論述。已知的LXACC系統(tǒng)提供了用于自動橫向運動控制(例如自 動車道變換和車道居中功能)的統(tǒng)一框架。因為車輛的橫向動力學與其縱向運動有關，所 以一般認為縱向運動控制是在相同的框架中。系統(tǒng)10包括檢測車道標識線和物體的各種攝像頭14和各種雷達裝置16。這個 信息被提供給車道和物體檢測處理器18，該處理器將檢測到的物體信息與車道信息加以合 并。該車道和物體檢測信息被提供給LXACC核心算法12。另外，方框22中的車輛狀態(tài)估計 信息(例如車輛偏航率、車輛航向角、車輛速度等)也被提供給LXACC核心算法12。方框 24中的人機界面(HMI)/駕駛員控制輸入被提供給LXACC核心算法12，用于提供駕駛員命 令。來自于自適應巡航控制(ACC)子系統(tǒng)26的信號被提供給LXACC核心算法12，并且來自 LXACC核心算法12的信號被提供給ACC子系統(tǒng)26。ACC子系統(tǒng)26將自適應巡航控制信號 提供給車輛縱向控制器28，該控制器轉(zhuǎn)而控制方框30中的車輛制動器和節(jié)氣門。LXACC核心算法12包括生成期望車輛路徑的期望路徑生成處理器36，并且LXACC 核心算法12是本發(fā)明的主題，將在以下詳細論述。LXACC核心算法12還包括估計車輛路徑 的車輛路徑估計和預測處理器38。來自處理器36和38的信號被提供給方框40中的車道 居中控制和方框42中的車道變換控制。來自LXACC核心算法12的車輛控制信號被提供給 車輛橫向運動控制器44，該控制器控制方框46中的主動前輪轉(zhuǎn)向(AFS)或電動助力轉(zhuǎn)向 (EPS)。此外，車道居中控制和車道變換控制信號被提供給HMI控制器和后勤管理器48，從 而利用方框50中的顯示單元、觸覺座椅或報警蜂鳴器(chime)而將LXACC的狀態(tài)告知駕駛 員O路徑規(guī)劃產(chǎn)生用于平穩(wěn)車道變換操作的可實現(xiàn)的期望路徑。運動控制器使用預測的橫向偏移和車輛航向角，并且在多個預測點(look-ahead point)將它們與期望的運行軌 跡進行比較?？刂破髟诿總€時間步長(time step)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向角指令。前視攝像頭被用于車 道標識線的檢測。相對于當前車道的橫向偏移和車輛航向角通過處理所識別的車道標識線 而獲得，并且進一步在預定的車道變換操作時間內(nèi)被預測?？梢詫?shù)個慣性傳感器(例如 速率陀螺儀和加速度計)和視覺攝像頭相結(jié)合來估計車輛運動狀態(tài)(例如偏航率和橫向速 度)以及改善對橫向偏移和航向角的估計。橫向運動的平順性是衡量LXACC核心算法12的性能的一個重要尺度。路徑規(guī)劃 功能生成期望的路徑。該路徑應當符合車輛動態(tài)能力并且應當是平順的。本文提出的設計 思想是從車輛二階動態(tài)運動的意義上講在沒有突然變化的情況下生成期望路徑。路徑規(guī)劃 中的另一復雜之處是車輛將從任何初始狀態(tài)到達目標狀態(tài)。在文獻中有許多方法可解決這 個問題，這些方法是基于有關硬件和環(huán)境的不同假設。圖2是LXACC系統(tǒng)60的示意性方框圖，該系統(tǒng)當車輛在平直道路或彎曲道路上變 換車道時為車輛提供車輛要采用的期望路徑，并且在自主或半自主車輛系統(tǒng)(例如圖1中 所示的系統(tǒng)10)中提供車道居中。系統(tǒng)60包括期望路徑生成處理器62，該處理器接收來自 例如圖1中方框24的輸入的駕駛員車道變換請求。如以下詳細論述的，期望路徑生成處理 器62在車輛轉(zhuǎn)向時為車輛生成沒有突然變化的平穩(wěn)路徑，否則會給乘客帶來不適感。系統(tǒng) 60產(chǎn)生轉(zhuǎn)向角指令來引導車輛沿著生成的路徑行駛。期望路徑被表示為在將要發(fā)生車道變換的時段內(nèi)的一系列橫向偏移、航向角和縱 向距離。這個路徑信息被提供給比較器64，該比較器接收來自路徑預測處理器66的信號 并且提供在期望路徑和預測路徑之間的誤差信號。該誤差信號被施加給車道變換控制器 68，該控制器提供用于車道變換的轉(zhuǎn)向角指令信號S。md。車道變換控制器68生成一系列的 未來轉(zhuǎn)向角指令，該指令使車輛期望路徑和車輛預測路徑之間的定向誤差和偏移誤差最小 化。然后轉(zhuǎn)向角指令信號δ。md被傳送給轉(zhuǎn)向控制器70，該控制器將轉(zhuǎn)向控制信號提 供給車輛52上的車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)54。當車輛轉(zhuǎn)向時，車輛上的各種傳感器56 (例如轉(zhuǎn)向角傳 感器、車速計和偏航率傳感器)提供測得的車輛運動信號。這些測得的車輛運動信號Smeas 被傳送回期望路徑生成處理器62。車輛54還包括視覺裝置58 (例如攝像頭)。車輛運動 信息被提供給車輛狀態(tài)估計處理器72，該處理器提供估計的車輛狀態(tài)信號(S卩，車輛縱向 速度、車輛橫向速度和車輛偏航率)。車輛狀態(tài)估計處理器72使用車輛模型來過濾估計的 車輛狀態(tài)信號。狀態(tài)信號被傳送給路徑預測處理器66，該處理器將能夠基于該信息及時地 為接下來的幾種情況預測車輛路徑。路徑預測處理器66基于當前的車輛速度、偏航率和轉(zhuǎn) 向角來估計未來的車輛路徑。來自視覺裝置58的攝像頭信號和來自處理器72的經(jīng)過濾的傳感器信號被提供給 車道標識線檢測處理器74，該處理器基于車輛的運動糾正來自裝置58的車道標識線的參 數(shù)。車道標識線檢測處理器74識別車道標識線并且用車道曲率、正切角和橫向偏移的參 數(shù)來表示它們，其中車道標識線檢測處理器74的輸出是航向角以及道路的曲率。然后，車 道標識線相對于車輛的位置被傳送給期望路徑生成處理器62，從而提供期望路徑生成的更 新。路徑生成處理器62根據(jù)車輛動力學和檢測出的車道標識線生成用于車道變換的平順 的期望路徑。
圖3是正在道路82上行駛的車輛80的圖示，圖中示出了由車輛攝像頭和其他傳 感器識別出的檢測到的車道中央84、以及由路徑預測處理器66生成的預測的車道中央86。 檢測器和轉(zhuǎn)向致動器的延遲會引起測量的車輛狀態(tài)與實際的車輛狀態(tài)之間的差異。以下論 述提供有關于路徑預測處理器66是如何預測車輛的路徑、以及然后如何使用該預測的路 徑而生成預測路徑86和檢測到的車道中央84之間的誤差信號(如上所述)的描述。存在某些情況，即，如果在車輛80的路徑中檢測到障礙物(例如另一車輛)則需 要預測多條路徑。本發(fā)明以多個區(qū)段來處理該情況，其中第一區(qū)段是從車輛80到障礙物， 第二區(qū)段則是從障礙物起向遠處。本發(fā)明提供這兩個區(qū)段之間的連續(xù)性，以避免車輛運動 的突然變化。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，路徑生成處理器62利用五階多項式方程，并且基于預 測的車道中央來生成期望路徑，這將在以下詳細論述。在計算期望路徑的過程的開始時，該 五階多項式方程具有6個未知數(shù)。該歸一化路徑問題與車輛狀態(tài)無關，其中車輛狀態(tài)將用 在從歸一化坐標向車輛坐標的坐標轉(zhuǎn)換的階段。當需要將多個區(qū)段連接起來時，可以容易 地將區(qū)段的連續(xù)性要求加到算法中。車輛80配備有前視攝像頭，該攝像頭檢測道路82的車道標識線并且以多項式方 程表示該車道標識線。該視覺系統(tǒng)的作用是重獲相對于車輛中央的車道位置和取向的估計 值。圖4示出了正在道路92的彎道90上行駛的車輛80。道路92被模型化為二階多項式 方程的兩個區(qū)段，如ysegl (χ) = Α^'+Β^+^,Ο < χ < X1 (1)yseg2(x) = A2x2+B2x+C2，0 < χ < X2 (2)其中，X1和X2表示第一區(qū)段和第二區(qū)段的沿χ軸的終點，ysegl和yseg2表示道路相 對于車輛坐標系Rv(t)的橫向偏移。由視覺系統(tǒng)提供的測量值包括車輛80相對于道路的 第一區(qū)段的偏航角φ『,1、車輛的重心偏離車道的橫向偏移ynl、以及第一區(qū)段和第二區(qū)段的 道路曲率P1* P2。
為
接而沒有突然的變化。在此處僅假設了零價和一階的連續(xù)性，因此以下的方程(7)和(8) 在過渡點X1處成立。ysegl (X1) = yseg2 (X1) (7)
根據(jù)道路與車道表示之間的幾何關系，方程(1)和(2)的系數(shù)的關系可以表示
權(quán)利要求
1.一種確定用于車輛轉(zhuǎn)向的期望路徑的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括多個車輛傳感器和檢測器，用于檢測所述車輛行駛所在道路的行駛車道并且提供車道 識別信號；期望路徑生成處理器，其對所述車道信號、車道變換請求、和所述車輛的轉(zhuǎn)向角的轉(zhuǎn)向 角信號產(chǎn)生響應，所述期望路徑生成處理器生成所述車輛的期望路徑并且提供輸出信號， 所述輸出信號包括車道變換將占用的縱向距離、車道變換將占用的橫向距離、和用于車道 變換的角度；路徑預測處理器，其對車輛狀態(tài)信號產(chǎn)生響應，所述車輛狀態(tài)信號包括車輛橫向速度、 車輛縱向速度、車輛偏航率和轉(zhuǎn)向角，所述路徑預測處理器基于所述橫向車輛速度、所述縱 向車輛速度、所述車輛偏航率和所述轉(zhuǎn)向角來預測所述車輛的路徑，所述路徑預測處理器 提供確定所述車輛的預測路徑的輸出信號；以及比較器，其對來自所述期望路徑生成處理器的輸出信號與來自所述路徑預測處理器的 輸出信號進行比較，并且提供所述車輛的期望路徑與預測路徑之間的差異的誤差信號。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括車道變換控制器，其對所述誤差信號產(chǎn)生響應， 所述車道變換控制器提供用于使所述車輛轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向角信號，以使所述誤差信號最小化。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，還包括車輛轉(zhuǎn)向控制子系統(tǒng)，其對來自所述車道變換控 制器的轉(zhuǎn)向角信號產(chǎn)生響應，所述車輛轉(zhuǎn)向控制子系統(tǒng)利用所述轉(zhuǎn)向角信號來使所述車輛 轉(zhuǎn)向。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述車輛傳感器中的一些傳感器測量車輛運動，并 且提供車輛速度、車輛偏航率和轉(zhuǎn)向角的測量信號。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，還包括車輛狀態(tài)估計處理器，其對所述車輛的測量信號 產(chǎn)生響應，并且將所述車輛橫向速度、所述車輛縱向速度和所述車輛偏航率的過濾信號提 供給所述路徑預測處理器。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括車道標識線檢測處理器，其對來自檢測所述車輛 行駛所在車道的前視攝像頭的信號產(chǎn)生響應，所述車道標識線檢測處理器識別所述車道中 的車道標識線，并且將所述車道信號提供給所述期望路徑生成處理器。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述期望路徑生成處理器利用五階多項式方程來 確定所述期望路徑。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，如果在所述期望路徑中檢測到障礙物，那么所述期 望路徑生成處理器將所述期望路徑確定為多個區(qū)段，所述區(qū)段包括在所述車輛位置和所述 障礙物之間的第一區(qū)段、以及在所述障礙物和所述期望車輛路徑的余下部分之間的第二區(qū) 段。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述期望路徑生成處理器接收相對于所述道路的 橫向偏移和正切航向角以及道路曲率的信息，以生成用于在彎道附近行駛車輛的期望路徑。
10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述期望路徑生成處理器將超過所述車輛中檢測 所述道路的傳感器的傳感器范圍的期望路徑生成為虛擬路徑。
11.一種確定用于自主或半自主車輛的車輛轉(zhuǎn)向的期望路徑的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括多個車輛傳感器和檢測器，用于檢測所述車輛行駛所在道路的行駛車道并且提供車道識別信號，所述傳感器還提供車輛速度和車輛偏航率的測量及運動信號；期望路徑生成處理器，其對所述車道信號、駕駛員的車道變換請求、和所述車輛的轉(zhuǎn)向 角產(chǎn)生響應，所述期望路徑生成處理器產(chǎn)生所述車輛的期望路徑并且提供輸出信號，所述 輸出信號包括車道變換將占用的縱向距離、車道變換將占用的橫向距離、和用于車道變換 的角度，所述期望路徑生成處理器利用五階多項式方程來確定所述期望路徑；路徑預測處理器，其對車輛狀態(tài)信號產(chǎn)生響應，所述車輛狀態(tài)信號包括車輛橫向速度、 車輛縱向速度、車輛偏航率和車輛轉(zhuǎn)向角，所述路徑預測處理器基于所述橫向車輛速度、所 述縱向車輛速度、所述車輛偏航率和所述轉(zhuǎn)向角來預測所述車輛的路徑，所述路徑預測處 理器提供確定所述車輛的預測路徑的輸出信號；比較器，其對來自所述期望路徑生成處理器的輸出信號與來自所述路徑預測處理器的 輸出信號進行比較，并且提供所述車輛的期望路徑和預測路徑之間的差異的誤差信號；車道變換控制器，其對所述誤差信號產(chǎn)生響應，所述車道變換控制器提供用于使所述 車輛轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向角信號，以使所述誤差信號最小化；以及車輛轉(zhuǎn)向控制子系統(tǒng)，其對來自所述車道變換控制器的轉(zhuǎn)向角信號產(chǎn)生響應，所述車 輛轉(zhuǎn)向控制子系統(tǒng)利用所述轉(zhuǎn)向角信號來使所述車輛轉(zhuǎn)向。
12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，還包括車輛狀態(tài)估計處理器，其對所述車輛的測量和 運動信號產(chǎn)生響應，并且將所述車輛橫向速度、所述車輛縱向速度、所述車輛偏航率、和所 述車輛轉(zhuǎn)向角的過濾信號提供給所述路徑預測處理器。
13.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，還包括車道標識線檢測處理器，其對來自檢測所述車 輛行駛所在車道的所述車輛傳感器和檢測器的信號產(chǎn)生響應，所述車道標識線檢測處理器 識別所述車道中的車道標識線并且將所述車道信號提供給所述期望路徑生成處理器。
14.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，如果在所述期望路徑中檢測到障礙物，那么所述 期望路徑生成處理器將所述期望路徑確定為多個區(qū)段，所述區(qū)段包括在所述車輛位置和所 述障礙物之間的第一區(qū)段、以及在所述障礙物與所述期望車輛路徑的余下部分之間的第二 區(qū)段。
15.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述期望路徑生成處理器接收道路曲率信息，以 生成用于在彎道附近行駛車輛的期望路徑。
16.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述期望路徑生成處理器將超過所述車輛中檢 測所述道路的傳感器的傳感器范圍的期望路徑生成為虛擬路徑。
17.一種確定用于使車輛轉(zhuǎn)向的期望路徑的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括多個車輛傳感器和檢測器，用于檢測所述車輛行駛所在道路的行駛車道并且提供車道 識別信號；以及期望路徑生成處理器，其對所述車道信號、車道變換請求、和所述車輛的轉(zhuǎn)向角的轉(zhuǎn)向 角信號產(chǎn)生響應，所述期望路徑生成處理器生成所述車輛的期望路徑并且提供輸出信號， 所述輸出信號包括車道變換將占用的縱向距離、車道變換將占用的橫向距離、和用于車道 變換的角度，所述期望路徑生成處理器利用五階多項式方程來確定所述期望路徑。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，還包括車道變換控制器，其對所述縱向距離、所述橫 向距離、和傳感器角誤差信號產(chǎn)生響應，并且提供用于使所述車輛轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向角信號。
19.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，還包括車道標識線檢測處理器，其對來自檢測所述車輛行駛所在車道的所述車輛傳感器和檢測器的信號產(chǎn)生響應，所述車道標識線檢測處理器 識別所述車道中的車道標識線，并且將所述車道信號提供給所述期望路徑生成處理器。
20.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述期望路徑生成處理器接收相對于所述道路 的橫向偏移和目標航向角、道路曲率的信息，以生成用于在彎道附近行駛車輛的期望路徑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提供用于自動車道居中和/或車道變換目的的路徑生成的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括期望路徑生成處理器，其接收檢測車輛行駛所在道路的信號、車道變換請求、車輛狀態(tài)信息和車輛的轉(zhuǎn)向角。該系統(tǒng)還包括路徑預測處理器，其基于車輛狀態(tài)信息(包括車輛縱向速度、車輛橫向速度、車輛偏航率和車輛轉(zhuǎn)向角)來預測車輛路徑。對期望路徑信息與預測路徑信息進行比較而產(chǎn)生誤差信號，該誤差信號被傳送至車道變換控制器，該控制器提供使車輛轉(zhuǎn)向并減小誤差信號的轉(zhuǎn)向角信號。所述期望路徑生成處理器可以利用五階多項式方程并基于輸入信號來確定車輛的期望路徑。
文檔編號B60W40/06GK102076541SQ200980123295
公開日2011年5月25日 申請日期2009年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月20日
發(fā)明者J·李 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司