一种车道保持系统及其控制方法
阅读说明：本技术 一种车道保持系统及其控制方法 (Lane keeping system and control method thereof ) 是由 靳立强 崔明萱 张奇祥 田梦杰 许杰 王凯 于 2021-09-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种车道保持系统,包括：控制单元；测量单元,其输出端连接所述控制单元的输入端；图像采集单元,其输出端连接所述控制单元的输入端；转向电机系统,其电连接所述控制单元的输出端；驱动电机系统,其电连接所述控制单元的输出端；其中,所述控制单元还与车辆的车轮电连接。通过控制单元与转向电机系统和驱动电机系统的配合,是现在不同工况下对车辆转矩以及前后轴转矩分配,改善车辆偏移的姿态以及车辆的转向不足。本发明还提供了一种车道保持系统的控制方法,在车辆不同行驶工况下,对实际横摆角速度与理想横摆角速度的偏差进行反馈控制以及对前轮施加的助力转向扭矩进行控制,保证车辆行驶的轨迹跟踪能力。(The invention discloses a lane keeping system, comprising: a control unit; the output end of the measuring unit is connected with the input end of the control unit; the output end of the image acquisition unit is connected with the input end of the control unit; the steering motor system is electrically connected with the output end of the control unit; the driving motor system is electrically connected with the output end of the control unit; wherein the control unit is further electrically connected with a wheel of the vehicle. Through the matching of the control unit with the steering motor system and the driving motor system, the vehicle torque and the front and rear axle torque are distributed under different working conditions at present, and the vehicle offset posture and the vehicle steering insufficiency are improved. The invention also provides a control method of the lane keeping system, which is used for carrying out feedback control on the deviation of the actual yaw velocity and the ideal yaw velocity and controlling the power-assisted steering torque applied to the front wheels under different running conditions of the vehicle so as to ensure the track following capability of the running of the vehicle.)
技术领域
本发明涉及一种车道保持系统及其控制方法，属于车辆安全领域。
背景技术
基于车辆在车道中的当前位置(CCP)进行策略计算的车道保持系统的决策模型复杂程度低，成本低，易实现，因而应用较广泛。车道保持系统的执行机构一般来说分为三大类：执行机构为转向系统，通过控制方向盘转角纠正车辆的行驶方向；执行机构为制动系统，通过对车轮施加不同的制动力、即差动制动使整车产生横摆力矩，纠正车辆行驶方向；执行机构为驱动系统，通过调整对车轮施加的驱动扭矩使整车产生横摆力矩，纠正车辆行驶方向。
虽然基于CCP的决策模型具有道路检测功能，但弯道检测功效较低，由于一般的LKA系统是基于EPS的转向电机执行的，容易导致弯道行驶的模式切换过程中，EPS因致力于车辆保持功能的实现而使正常的转向助力受到影响，增加安全隐患。为了尽可能发挥EPS的转向助力作用，可以将转弯行驶时的车道保持系统的执行机构调整为轴间扭矩分配装置，通过调整前后轴的驱动扭矩，使转弯时容易出现的转向不足或过度等车辆偏移的情况进行改善，保持车辆于道路中心行驶的同时，还能使EPS正常发挥作用，必要时辅助车轮转向，为汽车的安全性、稳定性增加保障。
因此，为了使车道保持系统易实现、易应用、复杂度低的同时，仍具有较好的可靠度、功效性以及安全性、稳定性，可以在转向系统作为执行机构工作的基础上，加入可调节车辆前后轴驱动扭矩的分配装置，两种执行机构共同操作来保持车辆正确的行驶轨迹，根据不同的行驶工况，参与控制的执行机构不同，这就大大加强了效率、可靠性。
发明内容
本发明设计开发了一种车道保持系统，通过控制单元与转向电机系统和驱动电机系统的配合，实现在不同工况下对车辆转矩以及前后轴转矩分配，改善车辆偏移的姿态以及车辆的转向不足。
本发明还设计开发了一种车道保持系统的控制方法，通过PID控制算法，在车辆不同行驶工况下，对实际横摆角速度与理想横摆角速度的偏差进行反馈控制以及对前轮施加的助力转向扭矩进行控制，保证车辆行驶的轨迹跟踪能力。
本发明提供的技术方案为：
一种车道保持系统，包括：
控制单元；
测量单元，其输出端连接所述控制单元的输入端；
图像采集单元，其输出端连接所述控制单元的输入端；
转向电机系统，其电连接所述控制单元的输出端；
驱动电机系统，其电连接所述控制单元的输出端；
其中，所述控制单元还与车辆的车轮电连接。
优选的是：方向盘转角传感器、车辆偏角传感器、横摆角速度传感器、加速度传感器。
一种车道保持系统的控制方法，使用所述的车道保持系统，包括：
通过测量单元采集通过图像采集单元检测转向灯信号和车道线的曲率信号；
转弯工况时，当车辆偏离车道且转向灯信号以及车道线曲率均为1时，进入转向纠偏模式，控制单元控制驱动电机系统，调节向前轴传递的扭矩，时车辆在道路中以正常轨迹行驶；
直行工况时，当转向信号为0，车轮距离车道中心线距离L大于车道中心线距离阈值Lth、驾驶员实际扭矩T小于驾驶员实际扭矩阈值Tth、车辆侧偏角θ小于车辆侧偏角阈值θth时，进入直行纠偏模式；控制单元通过转向电机系统调节转向角，使车辆在道路中心保持直线行驶；
否则进入安全模式；
其中，Lth＝0.4m、Tth＝1.5Nm、θth＝0.01rad。
优选的是，当进入转向纠偏模式时，
设定车辆的行驶模式为圆周运动，建立单点预瞄驾驶员模型，得到车辆理想横摆角速度为：
式中，Δs为预瞄偏差，vx为车辆的纵向方向的速度，β为车辆的质心侧偏角，Δt为车辆理想的质心位置到达目标轨迹上的预瞄点的时间；
通过PID控制算法对实际横摆角速度与理想横摆角速度的偏差进行反馈控制，包括：
eωr＝sign(ωr)·(ωs-ωr)；
式中，ωr为实际横摆角速度，ωs为理想横摆角速度，eωr为横摆角速度的偏差；
得到为实现车道保持，轴间需要传递的扭矩值为：
Mdyaw(t+Δt)＝Mdyaw(t)+ΔMdyaw；
式中，Mdyaw(t)为上一周期传递的扭矩值，Mdyaw(t+Δt)为当下一周期的扭矩值，ΔMdyaw为相邻周期之间的轴间扭矩变化值；
其中，PID反馈控制得到的目标扭矩值为：
ΔMdyaw＝Kp·(eωr(t+Δt)-eωr(t))+Ki·eωr(t+Δt)；
式中，eωr(t)为上一周期的横摆角速度偏差值，eωr(t+Δt)为下一周期的横摆角速度偏差值，ΔMdyaw为相邻周期的传递扭矩的变化值，Kp为比例因子，Ki为积分因子。
优选的是，当进入直行纠偏模式时：
对车辆的侧偏角及横向位移的偏差实行LWR横向控制，得到期望的前轮转角；
建立车辆的二自由度模型，令得到关于横向位移偏差、横向速度、侧偏角偏差、侧偏角速度这四个变量的相应偏差的状态方程：
其中A、B、C为系数矩阵，包括：
式中，δ为车轮转角，m为汽车质量，vx为纵向速度，lf为车辆质心到前轴的距离，lr为车辆质心到后轴的距离，Cf为前轴的侧偏刚度，Cr为后轴的侧偏刚度，Iz为车辆绕z轴的转动惯量；
系统的期望转角的控制律为：
式中，δs为理想的车轮转角，ΔL为横向位移偏差，为横向速度，θ为侧偏角偏差，为侧偏角速度；
计算期望的矩阵K，得到其特征值K1、K2、K3、K4，最终获得期望的车轮转角δs；
前轮转角实际值与期望值的偏差为：
Δδ＝δ-δs；
通过PID进行控制，得到为实现车道保持，需要对前轮施加的助力转向扭矩为：
式中，Kp、Ki、Kd分别为比例因子、积分因子、微分因子。
本发明所述的有益效果：
车道保持系统复杂程度低、结构部件等的成本较低、易于实现；可靠度较高、针对性较强：执行机构有两种，控制单元可根据车辆行驶工况的不同，灵活控制相应的执行机构作出动作，达到车辆于车道中心行驶的目的；效率较高、响应较快：两种执行机构的直接驱动方式均为电机式，当驱动电机接到控制单元发出的指令后，可及时控制执行机构。
附图说明
图1为本发明所述的车道上的车辆示意图。
图2为本发明所述的改善转向不足状态示意图。
图3为本发明所述的改善转向过度状态示意图。
图4为本发明所述的车道保持系统的结构示意图。
图5为本发明所述的车道保持系统的控制过程图。
图6为本发明所述的不同模式的识别与操作示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1-6所示，本发明提供一种车道保持系统，通过控制单元与转向电机系统和驱动电机系统的配合，实现在不同工况下对车辆转矩以及前后轴转矩分配，改善车辆偏移的姿态以及车辆的转向不足，包括：
控制单元、测量单元、图像采集单元、转向电机系统以及驱动电机系统，测量单元和图像采集单元设置在车辆的头部，测量单元包括：方向盘转角传感器、车辆偏角传感器、横摆角速度传感器、加速度传感器，测量单元的输出端连接控制单元的输入端，图像采集单元的输出端连接控制单元的输入端，图像采集单元用于采集图像，测量单元能够获得车道边界线信息、车速、横摆角速度、踏板、方向盘转角和力矩、转向灯信号等车辆状态信息。控制单元为ECU，能够根据车辆状态、道路环境、驾驶员状态分析当前车辆在道路中的位置及状态，判断车辆是否具有偏离车道的危险，则车辆进入助力纠偏模式，转向电机系统和驱动电机系统为执行机构，ECU向执行机构发送指令，转向电机系统中的转向电机，可对方向盘施加力矩使其转动，主动控制车辆回归道路中心；前后轴动力分配的驱动电机，通过一组螺旋齿轮传动等结构对湿式离合器施加一定的轴向力，使主从动盘接合或者分离，调整分配给前后轴的扭矩比例，改善车辆转弯时出现转向不足或转向过度的状况，控制车辆于道路中心行驶。
本发明还提供一种车道保持系统的控制方法，通过PID控制算法，在车辆不同行驶工况下，对实际横摆角速度与理想横摆角速度的偏差进行反馈控制以及对前轮施加的助力转向扭矩进行控制，保证车辆行驶的轨迹跟踪能力，包括：
通过测量单元采集车辆行驶过程中车轮距离车道线中心线的距离、驾驶员实际扭矩、车辆侧偏角、通过图像采集单元检测转向灯信号和车道线的曲率信号；
转弯工况时，当车辆偏离车道且转向灯信号以及车道线曲率均为1时，进入转向纠偏模式，控制单元控制驱动电机系统，调节向前轴传递的扭矩，时车辆在道路中以正常轨迹行驶；
直行工况时，当转向信号为0，车轮距离车道中心线距离L大于车道中心线距离阈值Lth、驾驶员实际扭矩T小于驾驶员实际扭矩阈值Tth、车辆侧偏角θ小于车辆侧偏角阈值θth时，进入直行纠偏模式；控制单元通过转向电机系统调节转向角，使车辆在道路中心保持直线行驶；
否则进入安全模式；
其中，Lth＝0.4m、Tth＝1.5Nm、θth＝0.01rad。
当进入转向纠偏模式时，
设定车辆的行驶模式为圆周运动，建立单点预瞄驾驶员模型，得到车辆理想横摆角速度为：
式中，Δs为预瞄偏差，vx为车辆的纵向方向的速度，β为车辆的质心侧偏角，Δt为车辆理想的质心位置到达目标轨迹上的预瞄点的时间；
通过PID控制算法对实际横摆角速度与理想横摆角速度的偏差进行反馈控制，包括：
eωr＝sign(ωr)·(ωs-ωr)；
式中，ωr为实际横摆角速度，ωs为理想横摆角速度，eωr为横摆角速度的偏差
得到为实现车道保持，周建需要传递的扭矩值为：
Mdyaw(t+Δt)＝Mdyaw(t)+ΔMdyaw；
式中，Mdyaw(t)为上一周期传递的扭矩值，Mdyaw(t+Δt)为当下一周期的扭矩值，ΔMdyaw为相邻周期之间的轴间扭矩变化值；
其中，PID反馈控制得到的目标扭矩值为
ΔMdyaw＝Kp·(eωr(t+Δt)-eωr(t))+Ki·eωr(t+Δt)；
式中，eωr(t)为上一周期的横摆角速度偏差值，eωr(t+Δt)为下一周期的横摆角速度偏差值，ΔMdyaw为相邻周期的传递扭矩的变化值，Kp为比例因子，Ki为积分因子；
当进入直行纠偏模式时：
对车辆的侧偏角及横向位移的偏差实行LWR横向控制，得到期望的前轮转角；
建立车辆的二自由度模型，令得到关于横向位移偏差、横向速度、侧偏角偏差、侧偏角速度这四个变量的相应偏差的状态方程：
其中A、B、C为系数矩阵，包括：
δ为车轮转角，m为汽车质量，vx为纵向速度，lf为车辆质心到前轴的距离，lr为车辆质心到后轴的距离，Cf为前轴的侧偏刚度，Cr为后轴的侧偏刚度，Iz为车辆绕z轴的转动惯量；
系统的期望转角的控制律为：
式中，δs为理想的车轮转角，ΔL为横向位移偏差，为横向速度，θ为侧偏角偏差，为侧偏角速度；
计算期望的矩阵K，得到其特征值K1、K2、K3、K4，最终获得期望的车轮转角δs；
前轮转角实际值与期望值的偏差为：
Δδ＝δ-δs；
通过PID进行控制，得到为实现车道保持，需要对前轮施加的助力转向扭矩为：
式中，Kp、Ki、Kd分别为比例因子、积分因子、微分因子。
直行工况下，通过图像采集单元、测量单元检测车辆与车道中心线的横向偏差值、车辆侧偏角，并结合车速、方向盘转角、转向灯状态信号，ECU根据输入的信号，基于车辆横向位置偏差L以及侧偏角θ进行LQR优化控制，并将指令传给转向电机系统，控制方向盘转动，使车辆回正，保持于车道中心行驶。
转弯工况下，测量单元将采集的信号传递给ECU，基于车辆横摆角速度的理想值与实际值，通过PID+前馈的计算，控制偏差达到最优，然后将指令传给驱动电机，控制轴间扭矩分配装置的主从动离合器片的接合程度，使前后轴扭矩分配比例相应改变，改善车辆转向不足或者转向过度的状况，使车辆沿正常轨迹于道路中心行驶；
若测量单元检测到车辆本身处于安全模式，则由驾驶员自主控制油门及方向盘转角行驶。
通过在图像采集单元内处理前向摄像头内的图像数据，以及针对道路车道标志进行测量，来确定车道监测。转弯工况下，车辆偏离车道其此时转向灯信号、车道线的曲率信号均为1时，为弯道行驶工况，判定为转向时的纠偏模式，ECU控制轴间扭矩传递装置，增加或者减少向前轴传递的扭矩，使车辆在道路中以正常轨迹行驶。当监测到转向灯不良，车轮距离车道中心线距离大于0.4m，驾驶员实际扭矩小于1.5Nm，车辆侧偏角小于0.01rad，可判定为直行时的纠偏模式，方向盘根据ECU指令转动，使车辆在道路中心保持直线行驶。
在本发明中，作为一种优选，距离阈值为0.4m；
在本发明中，作为一种优选，驾驶员实际扭矩阈值为1.5Nm，
在本发明中，作为一种优选，车辆侧偏角的阈值为0.01rad。
其余情况下，虽车辆偏离道路中心，但可认为此时由驾驶员自主操作导致的，可是为安全模式，不予纠偏。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。