CN109164814A - 面向高速公路场景的自动驾驶控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向高速公路场景的自动驾驶控制系统，包括：视觉模块、雷达模块、定位模块、信息融合单元、规划决策单元、车辆运动协调控制器、转矩传感器和电动助力转向控制器。电动助力转向控制器用于在自动驾驶模式下，基于横向运动指令控制车辆的横向运动；还用于在非自动驾驶模式下，基于驾驶员操纵转矩信号和横向运动指令控制车辆的横向运动。利用本发明，在小曲率高速公路行驶的时候，通过车辆协调控制器控制电动助力转向器控制横向运动，实现了小曲率道路高速行驶时的舒适、稳定以及大曲率道路低速行驶时的精确避障需求。而在大曲率高速公路行驶时，能够切换到驾驶员操纵的模式，实现了精确的人机交互，避免了碰撞的发生。

Description

面向高速公路场景的自动驾驶控制系统

技术领域

本发明涉及自动驾驶技术，尤其涉及一种面向高速公路场景的自动驾驶控制系统。

背景技术

自动驾驶技术作为传统燃油车辆以及新能源车辆的未来发展方向而受到行业的大力推广，全球各大汽车厂商、零部件公司以及科技公司均投入大量精力进行自动驾驶相关技术的研发、测试与验证。

在未来相当长一段时间内，自动驾驶功能典型的应用场景聚焦在高速公路场景的特定功能上，所述的高速公路场景，涵盖有半径≥250m的高速小曲率车道以及半径＜250m的低速大曲率车道；所述的特定功能涵盖车辆保持在同一车道内(含匝道)行驶以及在不同车道间变换行驶的功能，其涉及的车辆运动控制难点主要是车辆横向运动控制；所述高速公路场景的典型道路特征对自动驾驶车辆横向运动控制提出两个维度的需求：小曲率道路要求行驶舒适、平稳，并且要能支持良好的人机转向交互，而大曲率道路则要求车辆对于目标车道具有较高的横向跟踪精度，以避免碰撞。

现有自动驾驶系统多数以保持车辆在同一车道内巡航为功能需求而开发实现，其应用工况限定在半径≥250m的道路场景下，而对于半径＜250m的道路场景则难以实现对车辆横向运动的控制。

现有技术的自动驾驶系统中，控制器通过视觉模块来采集车道线信息获取当前车辆与行驶车道线的横向偏差，基于此横向偏差以及车辆总线上的车速、横摆角等信息，综合计算获取保持车辆在当前车道内行驶的目标转向力矩，电动助力转向控制器接收并基于此目标转向力矩计算输出助力电机的工作指令，控制转向执行部件输出转向横拉杆拉力，实现对车辆横向运动的控制，即控制车辆适当转向以维持在当前车道内行驶。

然而，受限于此系统方案，例如单纯依靠视觉模块获取车道线信息，并不能适用于小曲率车道；并且基于目标转向力矩对助力电机进行助力转向控制，不仅车辆横向运动精度难以保证，同时对车辆出现横向偏差的消除时间即纠正车辆保持同一车道行驶的用时也相对较长，因此，此系统方案只适用于控制车辆在道路半径≥250m的单一车道内巡航行驶，难以适用于更小半径的车道以及多车道变换涉及的车辆横向运动控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种面向高速公路场景的自动驾驶控制系统，以解决现有技术中的问题，提高横向跟踪精度，以避免碰撞。

本发明提供了一种面向高速公路场景的自动驾驶控制系统，其中，包括：

视觉模块，用于获取车道信息；所述车道信息包括车辆行驶道路的曲率；

雷达模块，用于获取障碍车辆信息；

定位模块，用于获取车辆定位信息；所述车辆定位信息包括当前车速、航向角度、横摆角速度和横向偏差；

信息融合单元，用于将所述车道信息、障碍车辆信息和车辆定位信息融合后发给规划决策单元；

规划决策单元，用于根据所述车道信息、障碍车辆信息和车辆定位信息，得到行驶轨迹指令和驾驶行为指令输出给车辆运动协调控制器；

车辆运动协调控制器，用于计算获得横向运动指令，并发送给电动助力转向控制器；

转矩传感器，用于在非自动驾驶模式下，输出驾驶员操纵转矩信号；

所述电动助力转向控制器，用于在自动驾驶模式下，基于所述横向运动指令，计算输出电机指令控制转向执行系统产生横拉杆拉力，控制车辆的横向运动；

所述电动助力转向控制器，还用于在非自动驾驶模式下，基于驾驶员操纵转矩信号和所述横向运动指令，计算输出电机指令控制转向执行系统产生横拉杆拉力，控制车辆的横向运动。

优选地，所述系统还包括：

判断模块，用于判断自动驾驶功能模块出现故障时，向所述电动助力转向控制器发送故障信号；

所述电动转向控制器根据所述故障信息控制人工转向。

优选地，车辆运动协调控制器包括前馈目标转角获取模块、反馈目标转角获取模块和转角合成模块；

所述前馈目标转角获取模块，用于根据当前车辆行驶道路的曲率，输出前馈目标转角；

所述反馈目标转角获取模块，用于根据当前车速、航向角度、横摆角速度和横向偏差，输出反馈目标转角；

所述转角合成模块，用于将所述前馈目标转角和反馈目标转角合成后得到目标转角，根据所述目标转角发出横向运动指令。

优选地，所述车辆运动协调控制器还包括：

时间计算模块，用于计算所述目标转角的执行时间；

所述电动助力转向控制器还用于控制转向执行系统在执行时间内完成对所述目标转角的执行。

优选地，所述车辆运动协调控制器包括前馈转矩获取模块、反馈转矩获取模块和转矩分配模块；

所述前馈转矩获取模块用于根据所述目标转角输出前馈目标转矩；

所述反馈转矩获取模块用于根据所述目标转角和当前转向盘转角的差，输出反馈目标转矩；

转矩合成模块，用于根据所述前馈目标转矩和所述反馈目标转矩输出主动转矩；

转矩分配模块，用于根据所述主动转矩和驾驶员操纵转矩，基于转矩分配策略，输出基础主动转矩。

本发明提供的面向高速公路场景的自动驾驶控制系统在小曲率高速公路行驶的时候，通过车辆协调控制器控制电动助力转向器控制横向运动，实现了小曲率道路高速行驶时的舒适、稳定以及大曲率道路低速行驶时的精确避障需求。而在大曲率高速公路行驶时，能够切换到驾驶员操纵的模式，实现了精确的人机交互，避免了碰撞的发生。

附图说明

图1为本发明实施例提供的面向高速公路场景的自动驾驶控制系统的结构框图；

图2为转矩分配策略示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，本发明实施例提供了一种面向高速公路场景的自动驾驶控制系统，包括视觉模块、雷达模块、定位模块、信息融合单元、规划决策单元、车辆运动协调控制器、转矩传感器和电动助力转向控制器。

其中，视觉模块用于获取车道信息；所述车道信息包括车辆行驶道路的曲率。雷达模块用于获取障碍车辆信息。定位模块用于获取车辆定位信息；所述车辆定位信息包括当前车速、航向角度、横摆角速度和横向偏差。信息融合单元用于将所述车道信息、障碍车辆信息和车辆定位信息融合后发给规划决策单元。规划决策单元用于根据所述车道信息、障碍车辆信息和车辆定位信息，得到行驶轨迹指令和驾驶行为指令输出给车辆运动协调控制器。车辆运动协调控制器用于计算获得横向运动指令，并发送给电动助力转向控制器。转矩传感器用于在非自动驾驶模式下，输出驾驶员操纵转矩信号。所述电动助力转向控制器用于在自动驾驶模式下，基于所述横向运动指令，计算输出电机指令控制转向执行系统产生横拉杆拉力，控制车辆的横向运动；电动助力转向控制器还用于在非自动驾驶模式下，基于驾驶员操纵转矩信号和所述横向运动指令，计算输出电机指令控制转向执行系统产生横拉杆拉力，控制车辆的横向运动。

车辆为完成特定自动驾驶功能而需要产生横向运动时，电动助力转向控制器接收车辆运动协调控制器输出的横向运动指令，并计算输出电机指令控制转向执行系统产生横拉杆拉力，实现车辆的横向运动。驾驶员未激活自动驾驶功能时，横向运动指令基于转矩传感器输出的驾驶员操纵转矩信号获取，而当驾驶员激活自动驾驶功能时，横向运动指令基于规划决策单元输出的行驶轨迹以及驾驶行为指令综合计算获取。

本发明实施例提供的面向高速公路场景的自动驾驶控制系统在小曲率高速公路行驶的时候，通过车辆协调控制器控制电动助力转向器控制横向运动，实现了小曲率道路高速行驶时的舒适、稳定以及大曲率道路低速行驶时的精确避障需求。而在大曲率高速公路行驶时，能够切换到驾驶员操纵的模式，实现了精确的人机交互，避免了碰撞的发生。

优选地，该系统还包括判断模块，用于判断自动驾驶功能模块出现故障时，向所述电动助力转向控制器发送故障信号。所述电动转向控制器根据所述故障信息控制人工转向。

进一步地，车辆运动协调控制器包括前馈目标转角获取模块、反馈目标转角获取模块和转角合成模块。所述前馈目标转角获取模块用于根据当前车辆行驶道路的曲率，输出前馈目标转角；所述反馈目标转角获取模块用于根据当前车速、航向角度、横摆角速度和横向偏差，输出反馈目标转角；所述转角合成模块用于将所述前馈目标转角和反馈目标转角合成后得到目标转角，根据所述目标转角发出横向运动指令。

优选地，所述车辆运动协调控制器还包括：时间计算模块，用于计算所述目标转角的执行时间；所述电动助力转向控制器还用于控制转向执行系统在执行时间内完成对所述目标转角的执行。

本实施例中，为控制大曲率道路工况下车辆的横向运动，并满足较高的横向跟踪精度，设计了目标转角主动转向策略，其中，车辆运动协调控制器综合车辆、道路信息获取并输出目标转角以及目标转角执行时间两个信号给电动助力转向控制器，由电动助力转向控制器控制转向盘在目标时间点转动到目标转角，实现主动转向；目标转角主动转向策略具体是由前馈计算模块以及反馈计算模块两个核心模块组成，车辆运动协调控制器基于当前车辆行驶道路曲率，输出前馈目标转角，基于车辆行驶车速、航向角度、横摆角速度以及横向偏差计算输出反馈目标转角，车辆运动协调控制器计算获取最终合成目标转角，同时车辆运动协调控制器基于车辆驾驶行为指令，计算获取针对于目标转角的执行时间，电动助力转向控制器接收和计算输出电机指令控制转向执行部件在执行时间内完成对目标转角的执行跟踪。

具体而言，车辆运动协调控制器基于当前车辆行驶道路曲率C，输出前馈目标转角θ_FFW；基于车辆行驶车速V、质心侧偏角β、橫摆角速度ω以及横向偏差e计算输出反馈目标转角θ_FB。

θ_FFW＝i_sw*δ；

δ＝C*L(1+K*V²)；

其中i_sw为转向盘转角到前轮转角的角传动比，L为车辆轴距，a质心到前轴的距离，b质心到后轴的距离，k₁是车辆前轮等效侧偏刚度，k₂是车辆后轮等效侧偏刚度，m是车辆质量，V是车速，e是横向偏差，β是车辆的质心侧偏角，t_p是延迟时间；其中，对于某一确定的车辆i_sw，L，a，b，k₁，k₂，m，V，e，β，t_p是可获取的确定数值。

车辆运动协调控制器计算获取最终合成目标转角为θ_Output＝θ_FFW+θ_FB，同时车辆运动协调控制器基于车辆驾驶行为指令，计算获取针对于目标转角θ_Output的执行时间Time_Lim，电动助力转向控制器接收θ_Output和Time_Lim，计算输出电机指令控制转向执行部件在执行时间Time_Lim内完成对目标转角θ_Output的执行跟踪。

在上述实施例的基础上，为控制小曲率道路工况下车辆的横向运动，所述车辆运动协调控制器包括前馈转矩获取模块、反馈转矩获取模块和转矩分配模块；所述前馈转矩获取模块用于根据所述目标转角输出前馈目标转矩；所述反馈转矩获取模块用于根据所述目标转角和当前转向盘转角的差，输出反馈目标转矩；转矩合成模块，用于根据所述前馈目标转矩和所述反馈目标转矩输出主动转矩；转矩分配模块，用于根据所述主动转矩和驾驶员操纵转矩，基于转矩分配策略，输出基础主动转矩。

为控制小曲率道路工况下车辆的横向运动，并满足较高行驶稳定性以及良好的人机转向交互，设计了转矩分配主动转向策略。转矩分配主动转向策略中，车辆运动协调控制器综合车辆、道路信息获取目标转矩信号，此目标转矩信号联合驾驶员对转向盘的操纵力矩信号进行转矩分配之后获取并输出基础转矩信号给电动助力转向控制器，电动助力转向控制器基于此基础转矩信号控制助力电机进行对转向盘的助力，实现主动转向；转矩分配主动转向策略由转矩获取模块以及转矩分配模块组成；转矩获取模块以前述目标转角主动转向策略中获取的最终合成目标转角为基础获取前馈转矩，以最终合成目标转角与车辆当前转向盘转角之差为基础获取反馈转矩，转矩获取模块最终输出主动转矩；转矩分配模块基于转矩获取模块输出的主动转矩以及驾驶员操纵转矩，经过转矩分配策略，最终获取并输出主动转向基础转矩，电动助力转向控制器基于主动转向基础转矩并依照助力特性曲线，控制转向执行部件输出转向拉力，最终控制车辆的横向运动。

具体而言，车辆运动协调控制器综合车辆、道路信息获取目标转矩信号，此目标转矩信号联合驾驶员对转向盘的操纵力矩信号进行转矩分配之后获取并输出基础转矩信号给电动助力转向控制器，电动助力转向控制器基于此基础转矩信号控制助力电机进行对转向盘的助力，实现主动转向；转矩分配主动转向策略由转矩获取模块以及转矩分配模块组成；转矩获取模块以前述目标转角主动转向策略中获取的最终合成目标转角θ_Output为基础获取前馈转矩T_FFW：

T_FFW＝K_ffw*θ_output；

其中，K_ffw为前馈系数，设计K_ffw为伴随车速变化的系数。

以最终合成目标转角θ_Output与车辆当前转向盘转角θ之差Δθ＝θ_Output-θ为基础获取反馈转矩T_FB:

T_FB＝K_fb*Δθ；

其中，K_fb为反馈系数，设计K_fb为伴随车速变化的系数。

转矩获取模块最终输出主动转矩T_Auto＝T_FFW+T_FB；转矩分配模块基于转矩获取模块输出的主动转矩T_Auto以及驾驶员操纵转矩T_Driver，经过转矩分配策略，最终获取并输出主动转向基础转矩T_Base，电动助力转向控制器基于主动转向基础转矩T_Base并依照助力特性曲线，控制转向执行部件输出转向拉力F_Output，最终控制车辆的横向运动。

转矩分配策略以主动转矩T_Auto、车速V以及驾驶员操纵转矩T_Driver为输入，输出主动转向基础转矩T_Base；所述转矩分配策略如图2所示，设置T_D1为驾驶员操纵转矩T_Driver第一阈值，设置T_D2为驾驶员操纵转矩T_Driver第二阈值，在车速V₁工况下，当T_Driver＜T_D1时，保持T_Base＝T_Auto不变，当T_Driver≥T_D1并且T_Driver≤T_D2时，T_Base随着T_Driver的增大而减小，而当T_Driver＞T_D1时，T_Base＝0，并且电动助力转向控制器依照T_Driver执行工作；T_Base的变化关系可以总结为公式表达：

其中，K(V)是随车速变化的系数

所述转矩分配策略能够实现系统在控制车辆横向运动时，驾驶员较为平顺的人工转向介入以及人机共驾，所述的人机共驾具体为对于某一弯道，系统支持驾驶员和系统同时协同控制完成车辆对于弯道的跟踪。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种面向高速公路场景的自动驾驶控制系统，其特征在于，包括：

视觉模块，用于获取车道信息；所述车道信息包括车辆行驶道路的曲率；

雷达模块，用于获取障碍车辆信息；

定位模块，用于获取车辆定位信息；所述车辆定位信息包括当前车速、航向角度、横摆角速度和横向偏差；

信息融合单元，用于将所述车道信息、障碍车辆信息和车辆定位信息融合后发给规划决策单元；

规划决策单元，用于根据所述车道信息、障碍车辆信息和车辆定位信息，得到行驶轨迹指令和驾驶行为指令输出给车辆运动协调控制器；

车辆运动协调控制器，用于计算获得横向运动指令，并发送给电动助力转向控制器；

转矩传感器，用于在非自动驾驶模式下，输出驾驶员操纵转矩信号；

所述电动助力转向控制器，用于在自动驾驶模式下，基于所述横向运动指令，计算输出电机指令控制转向执行系统产生横拉杆拉力，控制车辆的横向运动；

所述电动助力转向控制器，还用于在非自动驾驶模式下，基于驾驶员操纵转矩信号和所述横向运动指令，计算输出电机指令控制转向执行系统产生横拉杆拉力，控制车辆的横向运动。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

判断模块，用于判断自动驾驶功能模块出现故障时，向所述电动助力转向控制器发送故障信号；

所述电动转向控制器根据所述故障信息控制人工转向。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，车辆运动协调控制器包括前馈目标转角获取模块、反馈目标转角获取模块和转角合成模块；

所述前馈目标转角获取模块，用于根据当前车辆行驶道路的曲率，输出前馈目标转角；

所述反馈目标转角获取模块，用于根据当前车速、航向角度、横摆角速度和横向偏差，输出反馈目标转角；

所述转角合成模块，用于将所述前馈目标转角和反馈目标转角合成后得到目标转角，根据所述目标转角发出横向运动指令。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述车辆运动协调控制器还包括：

时间计算模块，用于计算所述目标转角的执行时间；

所述电动助力转向控制器还用于控制转向执行系统在执行时间内完成对所述目标转角的执行。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述车辆运动协调控制器包括前馈转矩获取模块、反馈转矩获取模块和转矩分配模块；

所述前馈转矩获取模块用于根据所述目标转角输出前馈目标转矩；

所述反馈转矩获取模块用于根据所述目标转角和当前转向盘转角的差，输出反馈目标转矩；

转矩合成模块，用于根据所述前馈目标转矩和所述反馈目标转矩输出主动转矩；

转矩分配模块，用于根据所述主动转矩和驾驶员操纵转矩，基于转矩分配策略，输出基础主动转矩。