具有地图预览时间和驾驶模式选择的弯道速度控制系统

摘要

本发明涉及具有地图预览时间和驾驶模式选择的弯道速度控制系统。一种当车辆接近弯道时探测道路弯道的系统和方法，其自动提供道路曲率信息和控制车辆速度。该系统使用定位装置以及地图数据库来了解车辆的位置。该系统根据车辆速度，为车辆前方弯道上或周围的不同曲率数据点产生曲率轮廓。该系统随后为曲率点产生希望的速度轮廓。希望的速度轮廓和实际的车辆速度相比较以确定对于每一个轮廓点的目标速度车辆是否行驶过快。加速度计算可以通过提供驾驶员转弯模式输入得到增强，车辆操作者可以通过基于驾驶员希望系统以多快的速度给车减速来选择该模式。

说明书

技术领域

本发明通常涉及一种系统和方法，用于探测车辆接近道路弯道时是否过快，如果是，则自动提供制动控制，并且更特别地，涉及一种系统和方法，其用于确定车辆接近道路弯道时是否过快，如果是，则自动提供制动控制，其中该系统和方法基于车辆速度自适应地确定何时提供弯道的曲率信息并选择性地提供驾驶员攻击性(aggressiveness)控制。

背景技术

在道路弯道上行驶过快不但会导致车辆乘客的不舒适，而且在一些情况下会导致车辆失控。如果驾驶员以过高的速度接近弯道，在正常的弯道转向之前的车辆控制从车辆速度的降低开始。弯道所需的减速等级与许多因素有关，例如道路的曲率、车辆速度、弯道倾斜角(bank angle)，道路梯度、道路表面摩擦系数、车辆特性以及驾驶员能力等等。通常，驾驶员依靠他或她关于即将到来的弯道的视觉信息确定合适的速度和制动等级。尽管对于急弯通常有警告标志，例如标明的速度限制，驾驶员有时并不会注意这些警告标志或遵循标明的速度限制。相对于车辆在弯道上的位置而进行制动应用的时间选择也是非常重要的，因为通常需要在车辆到达弯道之前将速度降到足够低。没有实施合适的操纵不仅可能导致制动和转向的重复调整，并且可能由于穿越车道的边界或离开道路而导致严重事故。

在本领域中，已经发展了可以在转弯过程中辅助驾驶员维持车辆控制的一些主动安全技术。主动安全方法的传统实施方式是防抱死制动(anti-lock braking)和牵引控制系统，其通过感测路面状况并介入驾驶员的制动和节气门(throttle)控制选择来帮助驾驶员安全转弯。但是，在进入弯道之前通过用介入车辆控制的策略来补充这些控制系统，可以进一步地帮助驾驶员。

研究和仿真表明更小的曲线半径需要更大的转向输入，并且转向错误随着所需的方向盘转角(steering wheel angle)线性增加。驾驶员通过选择更低的速度对此进行补偿，使得穿越内边界的时间(time to line crossing to the innerboundary)在所有弯道半径下都是恒定的。因此，维持了到内侧车道边界的安全边际。

2005年12月9日申请的题为Speed Control Method for Vehicle Approachingand Traveling on a Curve的一种已知的用于探测车辆是否接近弯道过快，并且如果是则自动提供车辆制动的系统在美国专利申请序列号11/297,906中有所描述，该申请已经转让给本申请的受让人并在此引入以供参考。该系统使用GPS信号、地图数据库、车辆速度、车辆横摆角速度(yaw rate)和转向角来提供车辆在离车辆不同距离处的弯道周围行驶的适当速度的轮廓(profile)。

该系统具有局限性，因为该系统被校准为在弯道的预定距离处(例如250米)提供道路曲率信息。结果，由于在数据点之间具有固定的步长，弯道数据的分辨率受到限制，并且由于计算和通信时间的原因，地图点数受到限制。因此，如果车辆行驶缓慢，在固定步长下提供的曲率信息相对于弯道增加预定距离可能不是必须的，因此系统的分辨率可能受到限制。此外，如果车辆高速行驶，用来提供曲率信息的距离弯道的固定距离可能距离弯道太近而不能确保在到达弯道前平滑减速。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种当车辆接近道路弯道时探测该弯道的系统和方法，其自动提供道路曲率信息并控制车辆速度。该系统使用例如GPS接收器的定位装置以及地图数据库来了解车辆相对于路面弯道的位置。该系统根据车辆速度，产生用于车辆前方弯道上或弯道周围的不同曲率数据点的曲率轮廓。基于曲率轮廓信息，该系统为曲率点产生希望的速度轮廓。该希望的速度轮廓和实际车辆速度相比较以确定对于每一个轮廓点处的目标速度车辆是否行驶过快。如果是，当车辆在弯道周围行驶时该系统提供命令以将车辆减速。加速度计算可以通过提供驾驶员转弯模式输入得到增强，车辆操作者可以基于驾驶员希望该系统以多快的速度给车辆减速来选择该模式。

结合附图，根据下述的描述和随附的权利要求书本发明的附加特征将变得显而易见。

附图说明

图1是根据本发明实施例的包括弯道速度控制系统的车辆的俯视图；

图2是图1所示的弯道速度控制系统的结构示意图；和

图3是道路上弯道部分周围的一系列曲率数据点的俯视图，该曲率数据点识别提供道路弯道轮廓的位置。

具体实施方式

本发明实施例的下列描述针对一种为车辆识别道路中弯道并且如果车辆相对该弯道行驶过快时自动提供制动的系统和方法。该描述本质上仅是示范性的，并且不打算以任何方式对本发明或其应用或使用进行限制。

本发明提出了一种用于车辆的弯道速度控制系统，如果该系统被启动并且车辆靠近弯道过快时该系统自动向车辆制动器提供制动指令。弯道速度控制系统根据车辆速度自适应性地在距离车辆一定间隔处提供道路弯道信息，如在下文中详细描述的。此外，本发明包括一种驾驶员转弯模式，其允许车辆操作者选择性地控制弯道速度控制系统允许车辆驶过弯道的积极性(aggressiveness)。

图1是根据本发明实施例的包括弯道速度控制系统12的车辆10的结构俯视图。车辆10包括前轮14和16以及后轮18和20。如果弯道速度控制系统12被使能并且车辆10过快地朝向或围绕弯道行驶，则弯道速度控制系统12可通过制动控制模块22对车轮14-20提供自动制动。此外如果弯道速度控制系统12是诸如本领域公知的自适应巡航控制系统(ACC)之类的车辆速度控制系统的一部分时，弯道速度控制系统12可通过加速控制模块24提供车辆加速度。

弯道速度控制系统12接收各种车辆参数输入，例如来自车辆速度传感器26的车辆速度信号、来自横摆角速度传感器28的横摆角速度信号、来自转向角传感器30的车辆转向角信号、来自地图数据库32的地图信息和来自GPS接收器34的GPS位置信号。GPS接收器34可由任何适合的提供车辆10的地理位置的定位器系统取代或加强。地图数据库32将包括系统12需要的必要信息，并可以包括关于道路曲率、弯道倾斜角、道路表面摩擦系数以及道路表面材料等等的信息。地图数据库32可以是提供道路弯道信息的任何适当装置，并可以由卫星或蜂窝传输装置更新，或是车辆10上的储存装置。此外也可提供其它数据，例如环境温度、天气等等。

图2是弯道速度控制系统12的结构图，其向制动控制模块22和加速控制模块24提供加速和减速命令。地图处理器40与地图数据库32联合使用，并且可以是用于此处所描述目的的任意适合的处理器。

地图处理器40在线路42上从上文描述的各种车辆传感器接收传感器信号，并且在线路44上从提供车辆10的位置的GPS接收器34接收GPS信号。地图处理器40基于车辆速度识别许多曲率数据点，其中每个数据点由间距d_gap＝d(V_x)定义。图3显示沿着道路62行驶并接近道路62上的弯道64的车辆60的俯视图。一系列曲率数据点66识别沿着道路62的系统12对其提供曲率信息的那些位置。车辆60与数据点66之间的距离以及数据点66之间的距离由系统12基于车辆速度V_x利用间距计算自适应地确定。此外，如下文所详细描述的，数据点66的数量可以基于驾驶员希望的积极性进行设定。弯道64的曲率可被计算为对该弯道上相邻三个数据点拟合的圆的半径的倒数。对于仿真的道路几何形状，道路几何形状数据利用对整个路径拟合的三次B样条脱机计算，并与曲率数据一起以表格格式存储，使得可以利用车辆位置对其进行引用。

曲率轮廓处理器46为来自地图处理器40的曲率数据点66在每一预定时间周期(例如100ms)接收和存储曲率路径几何形状和曲率数据信息。曲率轮廓处理器46基于数据点66产生道路上上即将到来的弯道的与车辆速度信号V_x相适应的曲率轮廓。路面曲率估计或轮廓可通过沿着弯道的曲率数据点66定义为：

c_t arg et＝[c(0)，c(1)，...c(N)]        (1)

在一个非限制性实施例中，控制回路被设置在10ms(the control loop is set at10ms)，使得车辆速度、横摆角速度和方向盘转角被用来对车辆位置进行插值。当没有可用的当前地图数据时，处理器46将基于当前车辆位置和即将到来的道路曲率的估计对储存的路径几何形状数据进行插值。

道路曲率轮廓随后被发送到产生所希望的或目标车辆速度轮廓的希望速度轮廓处理器48，其通过参考为给定的曲率或道路半径离线计算的目标速度查找表为每一曲率数据点66提供目标速度。基于车辆特性、驾驶员喜好或其它道路信息例如倾斜角、路面梯度和其它状况对目标速度轮廓进行修正。

车辆以倾斜角θ和路面摩擦系数μ滑出弯道的垂直和径向力平衡方程可定义为：

mg-Ncosθ+μNsinθ＝0    (2)

$>\frac{{\mathrm{mV}}_x^2}{R}-N\sin \theta +\mu N\cos \theta =0---\left(3\right)$>

其中m是车辆质量，R是弯道的曲率半径，g是加速常数。

由方程(2)和(3)得到的会导致车辆滑出弯道的临界速度V_{x_critical}为：

$>V_{x\_\mathrm{critical}}=\sqrt{\frac{A_y(\sin \theta +\mu \cos \theta )}{\cos \theta -\mu \sin \theta }}---\left(4\right)$>

其中A_y＝Rg。

尽管车辆的侧向动力性是决定希望的弯道速度的主要因素，但还有许多其它限制因素，例如影响希望的车辆速度的驾驶员舒适等级、标明的弯道速度限制、道路状况、倾斜角、车辆特性和驾驶员风格。如果由于驾驶员舒适性将最大侧向加速度限制到Ay，则对于希望的舒适速度方程(4)可以写成：

$>{\tilde{V}}_{x\left(i\right)}=K_v{K}_d{K}_r\sqrt{\frac{A_y(\sin \theta +\mu \cos \theta )}{\cos \theta -\mu \sin \theta }}---\left(5\right)$>

其中K_v是与车辆特性相关的因子，K_d是与驾驶风格相关的因子，K_r是与道路类型相关的因子。因子K_v是与车辆重心高度、轮距、车辆滚动特性等等相关的恒定增益因子。因子K_d是可由驾驶员动态选择的增益因子，例如将驾驶模式选择为正常、保守(conservative)或积极(aggressive)。因子K_r基于更新的道路状况例如高速公路、地方街道或碎石路等等，其可包括在地图数据中。

为每一曲率数据点i求解方程(5)，车辆目标速度轮廓可写成

$>{\tilde{V}}_{x\_t\arg \mathrm{et}}=[{\tilde{V}}_x\left(0\right),{\tilde{V}}_x\left(1\right),...,{\tilde{V}}_x\left(N\right)]---\left(6\right)$>

线路52上的希望目标速度轮廓和实际车辆速度V_x被发送到加速度轮廓处理器50以基于当前车辆速度V_x和对于车辆10前方的弯道所希望的速度轮廓产生加速度命令A_{x_cmd}。在一个非限制性实施例中，加速度命令A_{x_cmd}可利用最优控制原理通过最小化未来车辆速度和目标速度之间的速度差值之和计算得出。如果施加恒定加速度命令A_x，可根据下面的方程(7)为每一数据点66计算未来车辆速度：

V_x(i)＝V_x(0)+A_x×Δt×i    (7)

此外，加权函数W可基于每一曲率数据点66与车辆10的距离而施加到每一曲率数据点66上：

W＝[w(0)，w(1)，...，w(N)] (8)

典型地，离车辆10更近的点将具有更大的权值。加权函数W使得通过弯道的速度过渡变得平滑。

加速度轮廓处理器50还从驾驶员模式处理器54接收驾驶员转弯模式信号，其识别了驾驶员希望车辆10以多强烈的方式响应于穿过弯道的驾驶。例如，积极(aggressive)的驾驶员可能希望将通过弯道的速度设置得比大多数驾驶员的正常舒适等级的速度更高，或者希望车辆不要迅速地对即将出现的弯道作出反应。为了适应驾驶员模式，控制系统12所使用的算法基于选择模式将最小给定值(index value)K₁和最大给定值K₂设为：

K₁＝K_min(Mode_{csc_sw})  (9)

K₂＝K_max(Mode_{csc_sw})  (10)

值K₁和K2定义了将用来计算弯道上速度轮廓位置的数据点66的数量。下面的表I给出了将对应于积极型驾驶员的模式开关设置为0以及将保守型驾驶员的模式开关设置为3的模式开关的一个非限制性实施例，其中值K₁对驾驶员模式设置为3，而值K₂对于每一驾驶员模式设置得不同，其中K₁和K₂的差值是使用的数据点数量。数据点66的数量越少，对于车辆10而言速度的改变越快。换句话说，沿着弯道所看到的点66的数量越少，从一个点到下一个点的减速会更强烈。

                           表I

  模式开关设置  预览时间下界K₁(秒)  预览时间上界K₂(秒)  0  3.0  6.0  1  3.0  7.0  2  3.0  8.0  3  3.0  9.0

处理器50将性能指标函数定义为平方的车辆速度的差值的平方和：

$>J=\underset{{i=K}_1}{\overset{K_2}{\Sigma }}{\{{\hat{V}}_x{\left(i\right)}^2-V_x{\left(i\right)}^2\}}^{2}w\left(i\right)---\left(11\right)$>

$>={\Sigma }_{i=K_1}^{K_2}{\{{\hat{V}}_x{\left(i\right)}^2-V_x{\left(0\right)}^2-2A_x\times d\left(V_x\right)\times i\}}^{2}w\left(i\right)$>

为了计算最优加速度命令，对于加速度命令A_x将方程(11)取偏分，其中$>\frac{\partial J}{{\partial A}_x}=0$>

加速度命令处理器56产生加速度命令A_x如下：

$>A_x=\frac{\underset{i=K_1}{\overset{K_2}{\Sigma }}\{{\hat{V}}_x{\left(i\right)}^2-V_x{\left(0\right)}^2\}\times w\left(i\right)\times i}{2d\left(V_x\right)\times \underset{i=K_1}{\overset{K_2}{\Sigma }}w\left(i\right)\times i^2}$>

加速度命令A_{x_cmd}被应用到制动模块22和/或加速模块24以当车辆围绕弯道行驶时自动控制车辆10的速度。

前面的描述只是公开和描述了本发明的示范性实施例。本领域技术人员可以从这样的讨论和附图以及权利要求书中意识到在不脱离的如随附的权利要求书所定义的本发明的精神和范围的前提下可进行各种变化、修改和变型。