CN113311698B - 车道保持控制方法、控制装置和车辆 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种车道保持控制方法、控制装置和车辆，其中，车道保持控制方法包括：设置线性二次型控制器的控制参数；根据车辆的速度确定车辆的预瞄距离；根据预瞄距离和车辆所处车道的车道线信息，确定车辆的状态误差反馈量和道路曲率补偿量；根据控制参数和状态误差反馈量，确定车辆的状态误差控制量；根据状态误差控制量和道路曲率补偿量，控制车辆转向。从而能够根据不同的车速在车辆行驶过程中不断确定合适的预瞄点，而且能够结合预瞄距离和车道线相关的参数计算控制补偿，提高了车道保持控制算法的鲁棒性，实现精准的车辆转向自动控制，使得车辆在不同车速、不同状态下均能够快速、准确地回正，保证车辆沿车道中心行驶。

Description

车道保持控制方法、控制装置和车辆

技术领域

本发明涉及车辆技术领域，具体而言，涉及一种车道保持控制方法、一种控制装置和一种车辆。

背景技术

车道保持控制是一种能够主动检测车辆行驶时的横向偏移，根据摄像头识别的车道线信息，实时计算期望的转向指令，控制车辆沿车道中心行驶。该系统能够减轻驾驶员的负担，提升驾驶舒适性，并减少交通事故的发生。

相关技术中，当前车道保持控制广泛采用基于运动学模型进行设计，如图1所示，通过设置远近不同的多点预瞄，采用PID控制方法综合不同预瞄点的权重系数得到控制量，但该方法主要存在以下问题：

1)基于运动学模型难以保证车辆高速行驶的稳定性；

2)PID控制器难以满足采用车辆动力学模型的设计要求；

3)多点预瞄方法控制器参数较多，难以调参达到最优效果。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明的第一方面提供了一种车道保持控制方法。

本发明的第二方面还提供了一种控制装置。

本发明的第三方面还提供了一种车辆。

本发明的第四方面还提供了一种可读存储介质。

有鉴于此，本发明的第一方面提出了一种车道保持控制方法，包括：设置线性二次型控制器的控制参数；根据车辆的速度确定车辆的预瞄距离；根据预瞄距离和车辆所处车道的车道线信息，确定车辆的状态误差反馈量和道路曲率补偿量；根据控制参数和状态误差反馈量，确定车辆的状态误差控制量；根据状态误差控制量和道路曲率补偿量，控制车辆转向。

本发明提供的车道保持控制方法，设置线性二次型(LQR)控制器的控制参数，同时，通过车辆当前的速度自适应计算预瞄距离，进而确定预瞄点，并结合预瞄距离以及车辆相对于车道两侧的车道线的车道线信息，计算车辆的状态误差反馈量(state errorfeedback，SEF)和道路曲率补偿量。再利用控制参数和状态误差反馈量，确定出车辆行驶时的状态误差控制量。最后利用道路曲率补偿量对状态误差控制量进行补偿，得到最终的方向盘转角，以控制车辆转向。通过本发明提供的车道保持控制方法，在预瞄处状态误差反馈控制的基础上，能够根据不同的车速在车辆行驶过程中不断确定合适的预瞄点，便于车辆在行驶方向上的某一单个预瞄点进行跟踪，而且能够结合预瞄距离和车道线相关的参数计算控制补偿，提高了车道保持控制算法的鲁棒性。进而实现精准的车辆转向自动控制，使得车辆在不同车速、不同状态下均能够快速、准确地回正，避免车辆自适应控制过程中出现压线、偏离车道等问题，保证车辆沿车道中心行驶，减轻驾驶员的负担，提升驾驶舒适性，并减少交通事故的发生。

根据本发明提供的上述的车道保持控制方法，还可以具有以下附加技术特征：

在上述技术方案中，进一步地，根据车辆的速度确定车辆的预瞄距离，包括：根据速度确定预瞄时间；根据预瞄时间和速度的乘积，确定预瞄距离。

在该技术方案中，利用车辆的速度选取合适的预瞄时间，以便于预测未来一段时间内车辆的运行情况，计算车辆的速度与预瞄时间的乘积，得到预瞄距离，以在车辆行驶过程中不断设计合适的横向预瞄点(车辆行驶方向上的某一点)。一方面，利用车辆的速度自适应选择单个预瞄点进行跟踪，保证预瞄点更符合车辆当前的行驶情况提升了预瞄点的适用性和横向控制的实时控制精度的基础上，有效减少所需的参数。另一方面，利用车速作为修正项来控制车辆转向，对于较高速度的场景计算准确度和精度较高，满足车辆低速和高速运动场景下的需求。

在上述技术方案中，进一步地，根据速度确定预瞄时间，包括：基于速度小于第一速度阈值，将第一预瞄时间作为预瞄时间；基于速度大于或等于第一速度阈值，且小于或等于第二速度阈值，根据第一预瞄时间和第二预瞄时间计算预瞄时间；基于速度大于第二速度阈值，将第二预瞄时间作为预瞄时间。

在该技术方案中，比较车辆的速度与第一速度阈值、第二速度阈值之间的大小关系，根据该大小关系设定合适的预瞄时间。具体地，若速度小于第一速度阈值，说明车辆当前车速较小，则选取较大的第一预瞄时间作为预瞄时间；若速度大于第二速度阈值，说明车辆当前车速较大，则选取较小的第二预瞄时间作为预瞄时间；若速度介于第一速度阈值和第二速度阈值之间，也即速度大于或等于第一速度阈值，且小于或等于第二速度阈值，则根据第一预瞄时间和第二预瞄时间计算预瞄时。也即车辆的速度越大，预瞄时间越小。从而能够动态调整预瞄时间，以利用不同的车速自适应计算不同的预瞄点，进而提高车辆横向偏移控制的准确度。

进一步地，根据第一预瞄时间和第二预瞄时间计算预瞄时间，采用如下公式：

其中，t_pre为预瞄时间，V₁为第一速度阈值，V₂为第二速度阈值，第一速度阈值小于第二速度阈值，t_premax为第一预瞄时间，t_premin为第二预瞄时间，第一预瞄时间大于第二预瞄时间。

可以理解的是，第一预瞄时间和第二预瞄时间可根据车辆的型号，控制精度需求等合理设置，例如，第一预瞄时间为系统允许的最大预瞄时间，第二预瞄时间为系统允许的最小预瞄时间。

在上述技术方案中，进一步地，根据预瞄距离和车辆所处车道的车道线信息，确定车辆的状态误差反馈量和道路曲率补偿量，包括：根据车道线信息确定车道的中心线系数；根据中心线系数和预瞄距离，确定车辆的道路曲率和状态误差反馈量；根据道路曲率和车辆的目标参数，确定道路曲率补偿量；其中，车辆的目标参数包括：车辆的速度，车辆的质量，车辆绕z轴的转动惯量，车辆的前轴至质心的距离，车辆的后轴至质心的距离，车辆的前轮的侧偏刚度，车辆的后轮的侧偏刚度。

在该技术方案中，车道线信息包括左车道线拟合系数和右车道线拟合系数。根据车道线信息确定车道的中心线系数，以分析车辆处于车道的位置。其中，中心线系数用于表示车道的中心位置，车道的中心线也即车道对称线，车道的中心线到车道两侧车道线(左车道线和右车道线)距离相同。再根据中心线系数和预瞄距离，确定期望轨迹的道路曲率，也即车辆至预瞄点的轨迹的道路曲率，以及状态误差反馈量。最后根据道路曲率和车辆的目标参数，计算道路曲率补偿量，一方面，综合考虑道路曲率和车辆目标参数的不确定影响，以达到高可靠、高精度地跟踪期望行驶轨迹。另一方面，使状态误差反馈量和道路曲率只通过车道线相关的参数进行计算，简化计算算法，而且车辆的目标参数和车道线信息容易获取，适用范围广泛。

具体地，根据车道线信息确定车道的中心线系数，采用如下公式：

其中，c_0l、c_1l、c_2l、c_3l为左车道线拟合系数，c_0r、c_1r、c_2r、c_3r为右车道线拟合系数，c₀、c₁、c₂、c₃为车道的中心线系数。

在上述任一技术方案中，进一步地，根据中心线系数和预瞄距离，确定状态误差反馈量，采用如下公式：

e_y＝c₀+c₁x_pre+c₂x_pre ²+c₃x_pre ³；

e_ψ＝arctan(c₁+2c₂x_pre+3c₃x_pre ²)；

根据中心线系数和预瞄距离，确定车辆的道路曲率，采用如下公式：

其中，c₀、c₁、c₂、c₃为车道的中心线系数，e_y为车辆的横向位置偏差，

为车辆的横向位置偏差变化率，e_ψ为车辆的航向角偏差，

为车辆的航向角偏差变化率，X为状态误差反馈量，x_pre为预瞄距离，T为车辆的控制周期，ρ为道路曲率，n为当前控制周期，n-1为前一个控制周期。

在该技术方案中，通过更新状态误差，反馈至控制增益，使得横向控制效果更加精确。

在上述任一技术方案中，进一步地，根据道路曲率和车辆的目标参数，确定道路曲率补偿量，采用如下公式：

其中，δ_{sw_c}为道路曲率补偿量，R_d为曲率半径，m为车辆的质量，V_x为车辆的速度，I_z为车辆绕z轴的转动惯量，l_f为车辆的前轴至质心的距离，l_r为车辆的后轴至质心的距离，C_f为车辆的前轮的侧偏刚度，C_r为车辆的后轮的侧偏刚度，L＝l_f+l_r。

在该技术方案中，采用期望轨迹的道路曲率，对道路曲率进行前馈补偿。

在上述任一技术方案中，进一步地，线性二次型控制器的控制参数包括第一加权矩阵Q和第二加权矩阵R；Q＝diag[q₁，0，q₃，0]；R＝[r]；其中，r为固定量，q₁、q₃为变量。

在该实施例中，q₁、q₃和r分别为三个控制参数，r设定为固定值，q₁、q₃为变化量，且q₁、q₃与车辆的速度相关。从而只针对q₁、q₃、r三个控制参数设计线性二次型控制器，优化控制模型，线性二次型控制器的控制参数的权重矩阵可以采用线性的调整方法。

根据车辆动力学模型确定车辆的控制增益，采用如下公式：

K＝[k₁、k₂、k₃、k₄]；

K＝lqr(A，B，Q，R)；

其中，A、B为车辆动力学模型的矩阵，K为通过MATLAB计算得到的最优控制增益收敛矩阵(控制增益)，k₁、k₂、k₃、k₄分别为控制增益收敛矩阵中四个元素，Q为第一加权矩阵，R为第二加权矩阵。

在上述任一技术方案中，进一步地，根据控制参数和状态误差反馈量，确定车辆的状态误差控制量，包括：根据控制参数和车辆的目标参数，确定车辆动力学模型；根据车辆动力学模型确定车辆的控制增益；根据控制增益与状态误差反馈量的乘积，确定状态误差控制量。

在该技术方案中，根据控制参数和车辆的目标参数确定车辆动力学模型，利用该车辆动力学模型确定最优的控制增益，避免通过车辆和车路的位置关系计算控制增益时的误差。再根据控制增益与状态误差反馈量的乘积，确定状态误差控制量。

可以理解的是，还可以设置多个预瞄点通过加权系数进行综合得出状态误差控制量。

在上述任一技术方案中，进一步地，根据状态误差控制量和道路曲率补偿量，控制车辆转向，包括：获取车辆的转向传动比；计算状态误差控制量和道路曲率补偿量的和，与转向传动比的乘积，得到车辆的方向盘转角；按照方向盘转角控制车辆转向。

在该技术方案中，根据状态误差控制量、道路曲率补偿量进行求和，再乘以转向传动比，得到期望的方向盘转角，将方向盘转角输出给线控转向系统，以控制车辆转向，实现车道保持，且能够保证车辆在存在不确定参数的时候仍能完全消除稳态误差。

根据本发明的第二方面，还提出了一种控制装置，包括：存储器，存储器储存有程序或指令；处理器，与存储器连接，处理器执行程序或指令时实现第一方面提出的车道保持控制方法。因此，该控制装置具备第一方面提出的车道保持控制方法的全部有益效果，为避免重复，不再过多赘述。

根据本发明的第三方面，提出了一种车辆，包括第二方面提出的控制装置。因此，该车辆具备第二方面提出的控制装置的全部有益效果，为避免重复，不再过多赘述。

根据本发明的第四方面，提出了一种可读存储介质，其上存储有程序或指令，程序或指令被处理器执行时执行第一方面提出的车道保持控制方法。因此，该可读存储介质具备第一方面提出的车道保持控制方法的全部有益效果，为避免重复，不再过多赘述。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1示出了相关技术中自动驾驶车辆横向运动控制逻辑示意图；

图2示出了本发明一个实施例的车道保持控制方法的流程示意图之一；

图3示出了本发明一个实施例的车道保持控制方法的流程示意图之二；

图4示出了本发明一个实施例的车道保持控制方法的流程示意图之三；

图5示出了本发明一个实施例的车道保持控制方法的流程示意图之四；

图6示出了本发明一个实施例的车道保持控制方法的流程示意图之五；

图7示出了本发明一个实施例的车道保持控制方法的流程示意图之六；

图8示出了本发明一个具体实施例的车道保持控制逻辑示意图；

图9示出了本发明一个实施例的控制装置的示意框图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照图2至图9描述根据本发明一些实施例所述的车道保持控制方法、控制装置和车辆。

实施例1：

如图2所示，根据本发明的一个实施例，提出了一种车道保持控制方法，该方法包括：

步骤102，设置线性二次型控制器的控制参数；

步骤104，根据车辆的速度确定车辆的预瞄距离；

步骤106，根据预瞄距离和车辆所处车道的车道线信息，确定车辆的状态误差反馈量和道路曲率补偿量；

步骤108，根据控制参数和状态误差反馈量，确定车辆的状态误差控制量；

步骤110，根据状态误差控制量和道路曲率补偿量，控制车辆转向。

在该实施例中，设置线性二次型(LQR)控制器的控制参数，同时，通过车辆当前的速度自适应计算预瞄距离，进而确定预瞄点，并结合预瞄距离以及车辆相对于车道两侧的车道线的车道线信息，计算车辆的状态误差反馈量(state error feedback，SEF)和道路曲率补偿量。再利用控制参数和状态误差反馈量，确定出车辆行驶时的状态误差控制量。最后利用道路曲率补偿量对状态误差控制量进行补偿，得到最终的方向盘转角，以控制车辆转向。通过本发明提供的车道保持控制方法，在预瞄处状态误差反馈控制的基础上，能够根据不同的车速在车辆行驶过程中不断确定合适的预瞄点，便于车辆在行驶方向上的某一单个预瞄点进行跟踪，而且能够结合预瞄距离和车道线相关的参数计算控制补偿，提高了车道保持控制算法的鲁棒性。进而实现精准的车辆转向自动控制，使得车辆在不同车速、不同状态下均能够快速、准确地回正，避免车辆自适应控制过程中出现压线、偏离车道等问题，保证车辆沿车道中心行驶，减轻驾驶员的负担，提升驾驶舒适性，并减少交通事故的发生。

具体地，该车辆的速度可通过车辆中的速度传感器采集得到。车道线信息可根据摄像头识别得到。

进一步地，线性二次型控制器的控制参数包括第一加权矩阵Q和第二加权矩阵R；Q＝diag[q₁，0，q₃，0]；R＝[r]；其中，q₁、q₃和r分别为三个控制参数，r为固定量，q₁、q₃为变量，q₁、q₃与车辆的速度相关。从而只针对q₁、q₃、r三个控制参数设计线性二次型控制器，优化控制模型，而且线性二次型控制器的控制参数的权重矩阵采用线性的调整方法。

可以理解的是，第一加权矩阵Q也可以采用对q₁、q₂、q₃、q₄进行设计，即Q＝diag[q₁，q₂，q₃，q₄]。

实施例2：

如图3所示，根据本发明的一个实施例，提出了一种车道保持控制方法，该方法包括：

步骤202，设置线性二次型控制器的控制参数；

步骤204，根据速度确定预瞄时间；

步骤206，根据预瞄时间和速度的乘积，确定预瞄距离；

步骤208，根据预瞄距离和车辆所处车道的车道线信息，确定车辆的状态误差反馈量和道路曲率补偿量；

步骤210，根据控制参数和状态误差反馈量，确定车辆的状态误差控制量；

步骤212，根据状态误差控制量和道路曲率补偿量，控制车辆转向。

在该实施例中，利用车辆的速度选取合适的预瞄时间，以便于预测未来一段时间内车辆的运行情况，计算车辆的速度与预瞄时间的乘积，得到预瞄距离，以在车辆行驶过程中不断设计合适的预瞄点(车辆行驶方向上的某一点)。一方面，利用车辆的速度自适应选择单个预瞄点进行跟踪，保证预瞄点更符合车辆当前的行驶情况，提升了预瞄点的适用性和横向控制的实时控制精度的基础上，有效减少所需的参数。另一方面，利用车速作为修正项来控制车辆转向，对于较高速度的场景计算准确度和精度较高，满足车辆低速和高速运动场景下的需求。

具体地，根据预瞄时间和速度的乘积，确定预瞄距离，采用如下公式：

x_pre＝t_pre×V_x；

其中，t_pre为预瞄时间，V_x为车辆的速度，x_pre为预瞄距离。

可以理解的是，预瞄点的设计方法可以为车辆速度的高阶拟合。

进一步地，比较车辆的速度与第一速度阈值、第二速度阈值之间的大小关系，根据该大小关系设定合适的预瞄时间，具体采用如下公式：

其中，t_pre为预瞄时间，V₁为第一速度阈值，V₂为第二速度阈值，第一速度阈值小于第二速度阈值，t_premax为第一预瞄时间，t_premin为第二预瞄时间，第一预瞄时间大于第二预瞄时间。

在该实施例中，若速度小于第一速度阈值，说明车辆当前车速较小，则选取较大的第一预瞄时间作为预瞄时间；若速度大于第二速度阈值，说明车辆当前车速较大，则选取较小的第二预瞄时间作为预瞄时间；若速度介于第一速度阈值和第二速度阈值之间，也即速度大于或等于第一速度阈值，且小于或等于第二速度阈值，则根据第一预瞄时间和第二预瞄时间计算预瞄时。也即车辆的速度越大，预瞄时间越小。从而能够动态调整预瞄时间，以利用不同的车速自适应计算不同的预瞄点，进而提高车辆横向偏移控制的准确度。

可以理解的是，第一预瞄时间和第二预瞄时间可根据车辆的型号，控制精度需求等合理设置，例如，第一预瞄时间为系统允许的最大预瞄时间，第二预瞄时间为系统允许的最小预瞄时间。

实施例3：

如图4所示，根据本发明的一个实施例，提出了一种车道保持控制方法，该方法包括：

步骤302，设置线性二次型控制器的控制参数；

步骤304，根据车辆的速度确定车辆的预瞄距离；

步骤306，根据车道线信息确定车道的中心线系数；

步骤308，根据中心线系数和预瞄距离，确定车辆的道路曲率和状态误差反馈量；

步骤310，根据道路曲率和车辆的目标参数，确定道路曲率补偿量；

步骤312，根据控制参数和状态误差反馈量，确定车辆的状态误差控制量；

步骤314，根据状态误差控制量和道路曲率补偿量，控制车辆转向。

其中，车辆的目标参数包括：车辆的速度，车辆的质量，车辆绕z轴的转动惯量，车辆的前轴至质心的距离，车辆的后轴至质心的距离，车辆的前轮的侧偏刚度，车辆的后轮的侧偏刚度。

在该实施例中，车道线信息包括左车道线拟合系数和右车道线拟合系数。根据车道线信息确定车道的中心线系数，以分析车辆处于车道的位置。其中，中心线系数用于表示车道的中心位置，车道的中心线也即车道对称线，车道的中心线到车道两侧车道线(左车道线和右车道线)距离相同。再根据中心线系数和预瞄距离，确定期望轨迹的道路曲率，也即车辆至预瞄点的轨迹的道路曲率，以及状态误差反馈量。最后根据道路曲率和车辆的目标参数，计算道路曲率补偿量，一方面，综合考虑道路曲率和车辆目标参数的不确定影响，采用期望轨迹的道路曲率，对道路曲率进行前馈补偿，以达到高可靠、高精度地跟踪期望行驶轨迹。另一方面，使状态误差反馈量和道路曲率只通过车道线相关的参数进行计算，简化计算算法，而且车辆的目标参数和车道线信息容易获取，适用范围广泛。

具体地，根据车道线信息确定车道的中心线系数，采用如下公式：

其中，c_0l、c_1l、c_2l、c_3l为左车道线拟合系数，c_0r、c_1r、c_2r、c_3r为右车道线拟合系数，c₀、c₁、c₂、c₃为车道的中心线系数。

进一步地，根据中心线系数和预瞄距离，确定状态误差反馈量，采用如下公式：

e_y＝c₀+c₁x_pre+c₂x_pre ²+c₃x_pre ³；

e_ψ＝arctan(c₁+2c₂x_pre+3c₃x_pre ²)；

根据中心线系数和预瞄距离，确定车辆的道路曲率，采用如下公式：

其中，c₀、c₁、c₂、c₃为车道的中心线系数，e_y为车辆的横向位置偏差，

为车辆的横向位置偏差变化率，e_ψ为车辆的航向角偏差，

为车辆的航向角偏差变化率，X为状态误差反馈量，x_pre为预瞄距离，T为车辆的控制周期，ρ为道路曲率，n为当前控制周期，n-1为前一个控制周期。

在上述任一技术方案中，进一步地，根据道路曲率和车辆的目标参数，确定道路曲率补偿量，采用如下公式：

其中，δ_{sw_c}为道路曲率补偿量，R_d为曲率半径，m为车辆的质量，V_x为车辆的速度，I_z为车辆绕z轴的转动惯量，l_f为车辆的前轴至质心的距离，l_r为车辆的后轴至质心的距离，C_f为车辆的前轮的侧偏刚度，C_r为车辆的后轮的侧偏刚度，L＝l_f+l_r。

实施例4：

如图5所示，根据本发明的一个实施例，提出了一种车道保持控制方法，该方法包括：

步骤402，设置线性二次型控制器的控制参数；

步骤404，根据车辆的速度确定车辆的预瞄距离；

步骤406，根据预瞄距离和车辆所处车道的车道线信息，确定车辆的状态误差反馈量和道路曲率补偿量；

步骤408，根据控制参数和车辆的目标参数，确定车辆动力学模型；

步骤410，根据车辆动力学模型确定车辆的控制增益；

步骤412，根据控制增益与状态误差反馈量的乘积，确定状态误差控制量；

步骤414，根据状态误差控制量和道路曲率补偿量，控制车辆转向。

在该实施例中，根据控制参数和车辆的目标参数确定车辆动力学模型，利用该车辆动力学模型确定最优的控制增益。再根据控制增益与状态误差反馈量的乘积，确定状态误差控制量。具体地，车辆动力学模型包括：矩阵A和矩阵B；

其中，m为车辆的质量，V_x为车辆的速度，I_z为车辆绕z轴的转动惯量，l_f为车辆的前轴至质心的距离，l_r为车辆的后轴至质心的距离，C_f为车辆的前轮的侧偏刚度，C_r为车辆的后轮的侧偏刚度。

根据车辆动力学模型确定车辆的控制增益，采用如下公式：

K＝[k₁、k₂、k₃、k₄]；

K＝lqr(A，B，Q，R)；

其中，K为通过MATLAB计算得到的最优控制增益收敛矩阵(控制增益)，k₁、k₂、k₃、k₄分别为控制增益收敛矩阵中四个元素。

根据控制增益与状态误差反馈量的乘积，确定状态误差控制量，采用如下公式：

δ_{sw_b}＝-KX；

其中，δ_{sw_b}为状态误差控制量，X为状态误差反馈量。

可以理解的是，还可以设置多个预瞄点通过加权系数进行综合得出状态误差控制量。

实施例5：

如图6所示，根据本发明的一个实施例，提出了一种车道保持控制方法，该方法包括：

步骤502，设置线性二次型控制器的控制参数；

步骤504，根据车辆的速度确定车辆的预瞄距离；

步骤506，根据预瞄距离和车辆所处车道的车道线信息，确定车辆的状态误差反馈量和道路曲率补偿量；

步骤508，根据控制参数和状态误差反馈量，确定车辆的状态误差控制量；

步骤510，获取车辆的转向传动比；

步骤512，计算状态误差控制量和道路曲率补偿量的和，与转向传动比的乘积，得到车辆的方向盘转角；

步骤514，按照方向盘转角控制车辆转向。

在该实施例中，根据状态误差控制量、道路曲率补偿量进行求和，再乘以转向传动比，得到期望的方向盘转角，将方向盘转角输出给线控转向系统，以控制车辆转向，实现车道保持，且能够保证车辆在存在不确定参数的时候仍能完全消除稳态误差。

车辆的方向盘转角通过下式获取：

δ_sw＝(δ_{sw_b}+δ_{sw_c})×i；

其中，δ_sw为方向盘转角，δ_{sw_b}为状态误差控制量，δ_{sw_c}为道路曲率补偿量，i为转向传动比。

实施例6：

如图7所示，根据本发明的一个具体实施例，提出了一种车道保持控制方法，该方法包括：

步骤602，初始化；

步骤604，计算预瞄点；

步骤606，LQR矩阵设定；

步骤608，计算车辆动力学矩阵；

步骤610，计算控制增益；

步骤612，更新状态误差反馈量；

步骤614，更新车道线信息；

步骤616，根据预瞄点、状态误差反馈量、车道线信息，计算状态误差控制量和道路曲率补偿量；

步骤618，计算方向反转角；

步骤620，是否结束流程，若是，结束流程，若否，进入步骤614。

在该实施例中，如图8所示，首先通过车辆动力学模型计算最优控制增益，同时，通过摄像头提取的车道线信息，并根据不同的车速自适应计算不同的预瞄点，以计算状态误差反馈量，采用线性二次型最优控制(LQR)设计控制器，并通过车道线信息得到道路曲率给出前馈补偿量，由最优控制增益和状态误差反馈量相乘即可得到误差控制量，然后再通过车道线信息计算得到的道路曲率对道路曲率计算前馈补偿量，误差控制量和前馈补偿量之和得到最终的控制量，乘以方向盘比率得到方向盘期望的角度，将该角度由can总线下发给线控转向系统，以实现可靠的车道保持控制，进而减轻驾驶员的负担，提升驾驶舒适性，并减少交通事故的发生。

其中，LQR矩阵设定：LQR控制器涉及的控制参数包括加权矩阵Q和加权矩阵R，具体有Q＝diag[q1，0，q3，0]，R＝[r]，即q1、q3和r共3个参数。

计算车辆动力学矩阵：根据整车总体参数(目标参数)计算被控对象车辆动力学模型相关矩阵A、B，车辆动力学模型采用动力学，只针对q1、q3、r进行设计。

计算控制增益：根据车辆动力学模型计算最优控制增益大小K＝k₁、k₂、k₃、k₄。

计算预瞄点：根据车辆轮速(车辆的速度)计反馈的实际速度V_x实时计算横向预瞄点(预瞄距离)x_pre＝t_pre×V_x，其中，t_pre由以下公式计算。具体地，预瞄点根据车辆反馈的速度与预瞄时间相乘计算，低速时采用长预瞄时间，高速时采用短预瞄时间。

更新车道线系数计算：根据摄像头感知的左右车道线计算车道中心线系数。

更新状态误差反馈量：根据车道中心线信息计算横向位置偏差e_y，横向位置偏差变化率

航向角偏差e_ψ，航向角偏差变化率

得到状态误差反馈量X。

e_y＝c₀+c₁x_pre+c₂x_pre ²+c₃x_pre ³；

e_ψ＝arctan(c₁+2c₂x_pre+3c₃x_pre ²)；

计算状态误差控制量：根据最优控制增益和状态误差反馈量进行相乘，计算得到状态误差控制量δ_{sw_b}。

δ_{sw_b}＝-KX；

计算道路曲率补偿量：根据车道中心线系数计算得到道路曲率补偿量δ_{sw_c}，状态误差控制量和道路转弯半径只通过车道线相关的参数进行计算。

计算方向盘转角：根据误差反馈控制量、道路曲率补偿量的计算结果进行求和，再乘以方向盘比率(转向传动比，与方向盘的驱动装置相关)，得到最终的方向盘转角δ_sw，通过can总线将方向盘转角下发给线控转向系统，实现车道保持。

δ_sw＝(δ_{sw_b}+δ_{sw_c})×i。

实施例7：

如图9所示，根据本发明第二方面的实施例提出了一种控制装置900，包括：存储器902和处理器904。处理器，存储器902储存有程序或指令；处理器904与存储器902连接，处理器904执行程序或指令时实现第一方面实施例提出的车道保持控制方法。因此，该控制装置900具备第一方面实施例提出的车道保持控制方法的全部有益效果，为避免重复，不再过多赘述。

实施例8：

根据本发明第三方面的实施例提出了一种车辆，包括第二方面实施例提出的控制装置。因此，该车辆具备第二方面实施例提出的控制装置的全部有益效果，为避免重复，不再过多赘述。

实施例9：

根据本发明第四方面的实施例提出了一种可读存储介质，其上存储有程序或指令，程序或指令被处理器执行时执行第一方面实施例提出的车道保持控制方法。因此，该可读存储介质具备第一方面实施例提出的车道保持控制方法的全部有益效果，为避免重复，不再过多赘述。

在本发明中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种车道保持控制方法，其特征在于，包括：

设置线性二次型控制器的控制参数；

根据车辆的速度确定所述车辆的预瞄距离；

根据所述预瞄距离和所述车辆所处车道的车道线信息，确定所述车辆的状态误差反馈量和道路曲率补偿量；

根据所述控制参数和所述状态误差反馈量，确定所述车辆的状态误差控制量；

根据所述状态误差控制量和所述道路曲率补偿量，控制所述车辆转向；

所述根据所述状态误差控制量和所述道路曲率补偿量，控制所述车辆转向，包括：

获取所述车辆的转向传动比；

计算所述状态误差控制量和所述道路曲率补偿量的和，与所述转向传动比的乘积，得到所述车辆的方向盘转角；

按照所述方向盘转角控制所述车辆转向。

2.根据权利要求1所述的车道保持控制方法，其特征在于，所述根据车辆的速度确定所述车辆的预瞄距离，包括：

根据所述速度确定预瞄时间；

根据所述预瞄时间和所述速度的乘积，确定所述预瞄距离。

3.根据权利要求2所述的车道保持控制方法，其特征在于，所述根据所述速度确定预瞄时间，包括：

基于所述速度小于第一速度阈值，将第一预瞄时间作为所述预瞄时间；

基于所述速度大于第二速度阈值，将第二预瞄时间作为所述预瞄时间；

基于所述速度大于或等于所述第一速度阈值，且小于或等于所述第二速度阈值，根据所述第一预瞄时间和所述第二预瞄时间计算所述预瞄时间；

其中，所述第一速度阈值小于所述第二速度阈值，所述第一预瞄时间大于所述第二预瞄时间。

4.根据权利要求1所述的车道保持控制方法，其特征在于，所述根据所述预瞄距离和所述车辆所处车道的车道线信息，确定所述车辆的状态误差反馈量和道路曲率补偿量，包括：

根据所述车道线信息确定所述车道的中心线系数；

根据所述中心线系数和所述预瞄距离，确定所述车辆的道路曲率和所述状态误差反馈量；

根据所述道路曲率和所述车辆的目标参数，确定所述道路曲率补偿量；

其中，所述车辆的目标参数包括：所述速度，所述车辆的质量，所述车辆绕z轴的转动惯量，所述车辆的前轴至质心的距离，所述车辆的后轴至质心的距离，所述车辆的前轮的侧偏刚度，所述车辆的后轮的侧偏刚度。

5.根据权利要求1所述的车道保持控制方法，其特征在于，

所述控制参数包括第一加权矩阵Q和第二加权矩阵R；

Q＝diag[q₁，0，q₃，0]；

R＝[r]；

其中，r为固定量，q₁、q₃为变量。

6.根据权利要求1所述的车道保持控制方法，其特征在于，所述根据所述控制参数和所述状态误差反馈量，确定所述车辆的状态误差控制量，包括：

根据所述控制参数和所述车辆的目标参数，确定车辆动力学模型；

根据所述车辆动力学模型确定所述车辆的控制增益；

根据所述控制增益与所述状态误差反馈量的乘积，确定所述状态误差控制量；

其中，所述根据所述车辆动力学模型确定所述车辆的控制增益，采用如下公式：

K＝[k₁、k₂、k₃、k₄]；

K＝lqr(A，B，Q，R)；

其中，A、B为所述车辆动力学模型的矩阵，K为控制增益，k₁、k₂、k₃、k₄分别为控制增益中的四个元素，Q为第一加权矩阵，R为第二加权矩阵。

7.根据权利要求4所述的车道保持控制方法，其特征在于，

所述根据所述中心线系数和所述预瞄距离，确定所述状态误差反馈量，采用如下公式：

e_y＝c₀+c₁x_pre+c₂x_pre ²+c₃x_pre ³；

e_ψ＝arctan(c₁+2c₂x_pre+3c₃x_pre ²)；

所述根据所述中心线系数和所述预瞄距离，确定所述车辆的道路曲率，采用如下公式：

所述根据所述道路曲率和所述车辆的目标参数，确定所述道路曲率补偿量，采用如下公式：

其中，c₀、c₁、c₂、c₃为所述中心线系数，e_y为所述车辆的横向位置偏差，

为所述车辆的横向位置偏差变化率，e_ψ为所述车辆的航向角偏差，

为所述车辆的航向角偏差变化率，X为所述状态误差反馈量，x_pre为所述预瞄距离，T为所述车辆的控制周期，ρ为所述道路曲率，δ_{sw_c}为所述道路曲率补偿量，n为当前控制周期，n-1为前一个控制周期，R_d为曲率半径，m为车辆的质量，V_x为车辆的速度，l_f为车辆的前轴至质心的距离，l_r为车辆的后轴至质心的距离，C_f为车辆的前轮的侧偏刚度，C_r为车辆的后轮的侧偏刚度，L＝l_f+l_r，K₃为控制增益收敛矩阵中一个元素。

8.一种控制装置，其特征在于，包括：

存储器，所述存储器储存有程序或指令；

处理器，与所述存储器连接，所述处理器执行所述程序或所述指令时实现如权利要求1至7中任一项所述的车道保持控制方法。

9.一种车辆，其特征在于，包括如权利要求8所述的控制装置。

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