一种多轴转向车辆跟踪中央车道线转向控制方法及系统

摘要

本发明公开了一种多轴转向车辆跟踪中央车道线转向控制方法及系统，方法包括：S1.获取车辆的视觉航向偏差和航向预估量；S2.根据所述视觉航向偏差和航向预估量通过增量PID算法计算车辆的期望前轮转向角，控制车辆前轮转向。系统包括：车道线视觉识别模块、数据采集单元、决策控制单元和执行单元。本发明具有保证车辆在自动驾驶过程中有效跟踪中央车道线，实现车辆对中央车道线的自动跟随与自动保持，提高行车安全，降低驾驶员的工作强度的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及多轴转向车辆控制领域，尤其涉及一种多轴转向车辆跟踪中央车道线转向控制方法及系统。

背景技术

多轴转向胶轮列车是一种新型城市公共客运车辆，其特点表现为胶轮无轨、与传统汽车共享路权、不再沿固定轨道行驶。它既拥有公交车行驶灵活、建设和维护成本低的优点，又具备运输力大的优势，并且克服了地铁、轻轨、有轨电车等基础设施建设和车辆购置成本高，需要专门的电力系统和轨道配合设计的缺点。

多轴转向胶轮列车取消了钢轨，取而代之的是通过胶轮承载、汽车转向的方式跟随地面标识线行驶，地面标识线布置线路灵活，使车辆无需再沿着固定轨道行驶，且大大降低了基建成本，与有轨电车相比有较大的运营优势。然而，有轨电车不需要人为控制转向，多轴转向胶轮列车则需要驾驶员不断调整方向盘，以实时跟踪地面标识线(中央车道线，白色双虚线)，长期驾驶，必然引起驾驶员疲劳。因此，如何发明一种自动识别中央车道线的装置，实现多轴转向车辆的车道保持功能，从而减小驾驶员疲劳，是迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种可保证车辆在自动驾驶过程中有效跟踪中央车道线，实现车辆对中央车道线的自动跟随与自动保持，从而提高行车安全，降低驾驶员的工作强度的多轴转向车辆跟踪中央车道线转向控制方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种多轴转向车辆跟踪中央车道线转向控制方法，包括如下步骤：

S1.获取车辆的视觉航向偏差和航向预估量；

S2.根据所述视觉航向偏差和航向预估量通过增量PID算法计算车辆的期望前轮转向角，控制车辆前轮转向。

作为本发明的进一步改进，所述视觉航向偏差通过车辆的车道线识别视觉系统获取。

作为本发明的进一步改进，所述航向预估量通过计算车辆的预设时间周期内的纵向位移与车辆的转弯半径的比值而确定。

作为本发明的进一步改进，所述车辆的转弯半径通过获取车辆前后轴之间距离和前轮转向角，并根据所述车辆的转弯半径、车辆前后轴之间距离和前轮转向角之间的三角关系计算确定。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2中的增量PID算法如式(1)所示，

Δu＝u(k)-u(k-1)＝K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)+K_d[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)](1)

式(1)中，Δu为车辆的前轮转向角的增量，u(k)为第k(k＝0,1,2…)个采样时刻的前轮转向角，e(k)为第k个采样时刻的等效航向偏差，Δψ为所述视觉航向偏差，为所述航向预估量。

一种多轴转向车辆跟踪中央车道线转向控制系统，包括车道线视觉识别模块、数据采集单元、决策控制单元和执行单元；所述车道线视觉识别模块用于识别车道线，并向所述决策控制单元提供视觉航向偏差信息；所述数据采集单元用于采集并向所述决策单元提供车辆的速度信息和车辆的前轮转向角信息；所述决策控制单元用于根据所述数据采集单元提供的速度信息和前轮转向角信息计算航向预估量，并根据所述航向预估量和所述视觉航向偏差计算车辆的期望前轮转向角，并将所述期望前轮转向角提供给执行单元；所述执行单元根据所述期望前轮转向角控制车辆转向。

作为本发明的进一步改进，所述车道线视觉识别模块包括摄像头和图像处理系统；所述摄像头用于获取车道线图像，所述图像处理系统对所述车道线图像进行分析处理，获得所述视觉航向偏差。

作为本发明的进一步改进，所述数据采集单元包括前轮转向角传感器和车速传感器；所述前轮转向角传感器用于获取车辆的前轮转向角信息，所述车速传感器用于获取车辆的速度信息。

作为本发明的进一步改进，所述决策控制单元还包括手动驾驶模式，当所述手动驾驶模式开启时，决策控制单元不向所述执行单元提供所述期望前轮转向角。

作为本发明的进一步改进，所述数据采集单元还包括扭矩传感器，用于获取施加到车辆方向盘上的外力，并将所述外力发送至所述决策控制单元；所述决策控制单元根据所述外力开启手动驾驶模式。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明可保证车辆在自动驾驶过程中有效跟踪中央车道线，实现车辆对中央车道线的自动跟随与自动保持，从而提高行车安全，降低驾驶员的工作强度。

附图说明

图1为要发明具体实施例流程示意图。

图2为本发明跟踪中央车道线系统布置示意图。

图3为本发明航向预估与预瞄示意图。

图4为本发明中央车道线示意图。

图5为本发明2自由度车辆航向预估模型示意图。

图6为本发明期望前轮转向角计算流程示意图。

图7为本发明跟踪中央车道线转向控制系统结构示意图一。

图8为本发明跟踪中央车道线转向控制系统结构示意图二。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例的多轴转向车辆跟踪中央车道线转向控制方法，步骤为：S1.获取车辆的视觉航向偏差和航向预估量；S2.根据视觉航向偏差和航向预估量通过增量PID算法计算车辆的期望前轮转向角，控制车辆前轮转向。

在本实施例中，

根据车道线识别视觉模块给出的车路信息，计算预瞄点与车道线中心的横向距离偏差yL、航向角Δψ、道路曲率等信息，决策出前轮期望转角，并发送给转向执行单元，使车辆跟随期望路径行驶。

在本实施例中，视觉航向偏差通过车辆的车道线识别视觉系统获取。如图2所示，车道线识别视觉系统通过安装在车头上的摄像头模块，采用单目摄像头获取中央车道线图像信息，并通过图像处理系统对图像信息进行分析、处理，得到车辆中心与车道线的横向距离偏差、航向偏差以及道路曲率等信息，然后换算出预瞄点与车辆中心线的航向角偏差。在本实施例中，通过设置预瞄点为车辆前方的某个位置，从而实现车道线自动跟踪控制与驾驶员手动转向之间的内在一致性，使得本发明根据车道线识别视觉系统的视觉航向偏差对车辆的转向控制具有驾驶员驾驶行为特性。车道线识别视觉系统中的航向预估与预瞄如图3所示，其中XOY为地面坐标系，xoy为车辆坐标系，p为预瞄点，d为预瞄距离，y1为预估偏差，f(d)为预瞄处距离偏差。中央车道线为画在车道中央地面的标识，为具有一定长度和宽度的双虚线，如图4所示，l₁＝50cm，l₂＝50cm，l₃＝10cm，l₄＝25cm，通过对摄像头获取的车道图像进行处理，可以准确确认车道。

在传统的航向控制过程中，控制器根据期望航向与车辆的实际航向得到航向偏差，计算控制量，而当执行机构执行这一控制量时，要经过一个采样周期，这是车辆的实际航向已经改变，即控制量执行时已有一个采样周期的滞后，本发明采用航向预估法，通过提前预测车辆航向的变化趋势，计入控制偏差，通过航向变化趋势就可以影响控制器的输出，以更好的实现中央车道线的跟踪。

在本实施例中，航向预估量通过计算车辆的预设时间周期内的纵向位移与车辆的转弯半径的比值而确定。车辆的2自由度模型(二分之一模型)如图5所示，在本实施例中，以控制器的采样周期T为预设的时间周期，则车辆航向在一个控制周期的变化量可以表示为式(2)所示，

式(2)中，为航向预估量，v为车辆纵向速度，T为控制器的采样周期，R为车辆的转弯半径。

在本实施例中，车辆的转弯半径通过获取车辆前后轴之间距离和前轮转向角，并根据车辆的转弯半径、车辆前后轴之间距离和前轮转向角之间的三角关系计算确定。如图5所示，G为车辆重心，R为车辆的转弯半径，a为车辆重心至前轴之间的距离，b为车辆重心至后轴之间的距离，δ_f为车辆前轮转向角，a+b即为车辆前后轴之间的距离。由于车辆转向圆心O与车辆的连线垂直与车轮的方向，因此，在图6中的直角三角形中，根据三角关系可确定式(3)成立，

R＝(a+b)/sin(δ_f)(3)

将式(3)代入式(2)，即可得到如式(4)所示航向预估量，

式(4)中，对各参数的定义与式(2)和式(3)相同。

如图6所示，在本实施例中，步骤S2中的增量PID算法如式(1)所示，

Δu＝u(k)-u(k-1)＝K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)+K_d[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]>

式(1)中，Δu为车辆的前轮转向角的增量，u(k)为第k(k＝0,1,2…)个采样时刻的前轮转向角，e(k)为第k个采样时刻的等效航向偏差，Δψ为视觉航向偏差，为航向预估量。

如图7和图8所示，本实施例的多轴转向车辆跟踪中央车道线转向控制系统，包括车道线视觉识别模块、数据采集单元、决策控制单元和执行单元；车道线视觉识别模块用于识别车道线，并向决策控制单元提供视觉航向偏差信息；数据采集单元用于采集并向决策单元提供车辆的速度信息和车辆的前轮转向角信息；决策控制单元用于根据数据采集单元提供的速度信息和前轮转向角信息计算航向预估量，并根据航向预估量和视觉航向偏差计算车辆的期望前轮转向角，并将期望前轮转向角提供给执行单元；执行单元根据期望前轮转向角控制车辆转向。

在本实施例中，车道线视觉识别模块包括摄像头和图像处理系统；摄像头用于获取车道线图像，图像处理系统对车道线图像进行分析处理，获得视觉航向偏差。数据采集单元包括前轮转向角传感器和车速传感器；前轮转向角传感器用于获取车辆的前轮转向角信息，车速传感器用于获取车辆的速度信息。

在本实施例中，决策控制单元还包括手动驾驶模式，当手动驾驶模式开启时，决策控制单元不向执行单元提供期望前轮转向角。数据采集单元还包括扭矩传感器，用于获取施加到车辆方向盘上的外力，并将外力发送至决策控制单元；决策控制单元根据外力开启手动驾驶模式。在本实施例中，决策控制单元还可以通过与之连接的人机交互界面获取手动驾驶模式开启信号。决策控制单元包括计算机通信接口，计算机通过该计算机通信接口与决策控制单元连接，通过CAN通讯刷写控制程序，还可以监测各参数的变化情况。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。