本发明涉及车辆智能控制领域，尤其涉及一种车道保持系统及方法，主要适用于车辆在高速公路上自动行驶或者驾驶员授权车辆自行完成车道保持行驶。
背景技术：
随着车辆智能化和自动驾驶技术的发展，车道保持技术得到了越来越多的关注。对于由人驾驶的车辆，车道保持系统的目的是在不干扰驾驶员正常驾驶的情况下，通过干预车辆的行驶方向，使车辆避免在驾驶员无意识情况下偏离车道。对于自动驾驶车辆，通过完全接管驾驶任务来减轻驾驶员的负担，其车道保持系统需要控制车辆在车道内行驶。在现有的技术中，基于车辆位置和/或基于车辆信息和行驶环境信息，预测车辆未来的行驶轨迹，将它与期望的车辆位置进行比较来确定车辆转向控制力矩需求，再考虑对驾驶员的影响，最终确定实际转向控制力矩。在实际行驶环境中，影响转向力矩的因素较多，这可能导致自动驾驶车辆的车道保持措施不及时，车辆行驶不稳定甚至不能充分保障车道保持功能需求。
中国专利，申请公布号为cn103287429a，申请公布日为2013年9月11日的发明公开了一种车道保持系统及车道保持控制方法，车道保持系统接收车道保持开关开启信号后，车道识别装置收集路况信息，车体信息收集装置收集车体信息，车道保持控制装置根据该路况信息及车体信息控制主动转向系统对车辆的行进进行调整，在上述对车辆的行进方向进行调整的过程中，若车道保持控制装置接收到操作切换信号，则关闭车道保持系统，转由驾驶员控制车辆行驶；若接收到驾驶员对方向盘施加转矩的转矩信号，则控制主动转向系统将该转矩抵消。虽然该发明在对车辆的行进方向进行调整的过程中能够根据驾驶员对车辆的不同操作动作做出相应处理，但是其仍然存在以下缺陷：该发明在接收到驾驶员对方向盘施加转矩的转矩信号后，车道保持控制装置结合路况信息、车体信息及该转矩信号计算出反向力矩大小并传输至电动助力转向系统控制器，由电动助力转向系统控制器控制转向电机将该转矩抵消，这样的设计会导致车辆的车道保持措施不及时，且操作过程中车辆行驶的稳定性较差。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有技术中存在的可靠性低、稳定性差的缺陷与问题，提供一种可靠性高、稳定性好的车道保持系统及方法。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种车道保持系统，该车道保持系统包括车路关系感知单元、车辆参数获取单元、车道保持决策单元、转向控制单元，所述车道保持决策单元分别通过can总线与车路关系感知单元、车辆参数获取单元、转向控制单元相连接；
所述车路关系感知单元，用于获取车辆与两侧车道边界的位置关系、车辆方向与车道方向的姿态关系、前方车道位置和方向变化信息；
所述车辆参数获取单元，用于获取车辆方向盘转角、车辆行驶速度及车辆横摆角速度信息；
所述车道保持决策单元，用于通过can总线接收车路关系感知单元和车辆参数获取单元提供的信息，通过行驶姿态偏差、前期车道保持误差、预测车道偏离量确定转向控制需求；
所述转向控制单元，用于通过can总线接收车道保持决策单元发出的转向控制请求，完成车道保持控制。
所述行驶姿态偏差，通过比较车道方向和车辆行驶方向确定；
所述前期车道保持误差，通过比较车辆当前位置和车辆前期目标位置确定；
所述预测车道偏离量，通过比较车辆目标位置和车辆预测位置确定。
所述车路关系感知单元包括摄像头与图像处理器。
所述车辆参数获取单元包括方向盘转角传感器、车速传感器及横摆角速度传感器。
一种车道保持方法，所述车道保持方法利用车道保持系统实现，车道保持方法包括以下步骤：
s1、车路关系感知单元获取车辆与两侧车道边界的位置关系、车辆方向与车道方向的姿态关系、前方车道位置和方向变化信息；车辆参数获取单元获取车辆方向盘转角、车辆行驶速度及车辆横摆角速度信息；
s2、车道保持决策单元先接收车路关系信息和车辆状态信息，再通过上述信息确定车辆在车道中的当前位置及车辆行驶方向与车道方向的偏差，然后预测一定时间后车辆在车道中的预测位置、设定一定时间后车辆达到的目标位置，再通过比较车道方向和车辆行驶方向得到行驶姿态偏差、通过比较当前位置与前期目标位置得到前期车道保持误差、通过比较目标位置和预测位置得到预测车道偏离量，然后通过行驶姿态偏差、前期车道保持误差、预测车道偏离量确定转向控制需求；
s3、转向控制单元通过接收的转向控制请求完成车道保持控制。
步骤s2中，所述转向控制需求通过以下函数实现：
m（t）=pd(t）×f1+pe（t）×f2+dd（t）×f3；
其中：m为转向控制需求；pd(t）为预测车道偏离量；pe(t）为前期车道保持误差；dd(t）为行驶姿态偏差；f1为与预测车道偏离量pd(t）对应的前馈控制因子；f2为与前期车道保持误差pe(t）对应的反馈控制因子；f3为与行驶姿态偏差dd(t）对应的预先控制因子。
所述前馈控制因子f1、反馈控制因子f2、预先控制因子f3都通过实车标定获得。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种车道保持系统及方法中车道保持系统包括车路关系感知单元、车辆参数获取单元、车道保持决策单元、转向控制单元，车道保持决策单元用于通过can总线接收车路关系感知单元和车辆参数获取单元提供的信息，通过行驶姿态偏差、前期车道保持误差、预测车道偏离量确定转向控制需求，这样的设计不仅使得自动驾驶中车辆能够正确有效地保持在车道内行驶，而且提高了车辆行驶的稳定性能。因此，本发明可靠性高、稳定性好。
2、本发明一种车道保持系统及方法中车道保持决策单元通过接收的信息确定车辆在车道中的当前位置及车辆行驶方向与车道方向的偏差，然后预测一定时间后车辆在车道中的预测位置、设定一定时间后车辆达到的目标位置，再通过比较车道方向和车辆行驶方向得到行驶姿态偏差、通过比较当前位置与前期目标位置得到前期车道保持误差、通过比较目标位置和预测位置得到预测车道偏离量，然后通过行驶姿态偏差、前期车道保持误差、预测车道偏离量确定转向控制需求；上述设计中，基于行驶姿态偏差的预先控制，能够预防车辆偏离车道的发生；基于前期车道保持误差的反馈转向控制，具有控制准确、稳定性好的特点；基于预测车道偏离量的前馈转向控制，具有计算量少、反应快的特点。因此，本发明不仅能预防车辆偏离车道的发生，而且控制准确、稳定性好、计算量少、反应快。
附图说明
图1是本发明中车道保持系统的结构示意图。
图2是本发明中车道保持方法的流程图。
图3是本发明中车道保持决策模型图。
图中：车路关系感知单元1、车辆参数获取单元2、车道保持决策单元3、转向控制单元4。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1至图3，一种车道保持系统，该车道保持系统包括车路关系感知单元1、车辆参数获取单元2、车道保持决策单元3、转向控制单元4，所述车道保持决策单元3分别通过can总线与车路关系感知单元1、车辆参数获取单元2、转向控制单元4相连接；
所述车路关系感知单元1，用于获取车辆与两侧车道边界的位置关系、车辆方向与车道方向的姿态关系、前方车道位置和方向变化信息；
所述车辆参数获取单元2，用于获取车辆方向盘转角、车辆行驶速度及车辆横摆角速度信息；
所述车道保持决策单元3，用于通过can总线接收车路关系感知单元1和车辆参数获取单元2提供的信息，通过行驶姿态偏差、前期车道保持误差、预测车道偏离量确定转向控制需求；
所述转向控制单元4，用于通过can总线接收车道保持决策单元3发出的转向控制请求，完成车道保持控制。
所述行驶姿态偏差，通过比较车道方向和车辆行驶方向确定；
所述前期车道保持误差，通过比较车辆当前位置和车辆前期目标位置确定；
所述预测车道偏离量，通过比较车辆目标位置和车辆预测位置确定。
所述车路关系感知单元1包括摄像头与图像处理器。
所述车辆参数获取单元2包括方向盘转角传感器、车速传感器及横摆角速度传感器。
一种车道保持方法，所述车道保持方法利用车道保持系统实现，车道保持方法包括以下步骤：
s1、车路关系感知单元1获取车辆与两侧车道边界的位置关系、车辆方向与车道方向的姿态关系、前方车道位置和方向变化信息；车辆参数获取单元2获取车辆方向盘转角、车辆行驶速度及车辆横摆角速度信息；
s2、车道保持决策单元3先接收车路关系信息和车辆状态信息，再通过上述信息确定车辆在车道中的当前位置及车辆行驶方向与车道方向的偏差，然后预测一定时间后车辆在车道中的预测位置、设定一定时间后车辆达到的目标位置，再通过比较车道方向和车辆行驶方向得到行驶姿态偏差、通过比较当前位置与前期目标位置得到前期车道保持误差、通过比较目标位置和预测位置得到预测车道偏离量，然后通过行驶姿态偏差、前期车道保持误差、预测车道偏离量确定转向控制需求；
s3、转向控制单元4通过接收的转向控制请求完成车道保持控制。
步骤s2中，所述转向控制需求通过以下函数实现：
m（t）=pd(t）×f1+pe（t）×f2+dd（t）×f3；
其中：m为转向控制需求；pd(t）为预测车道偏离量；pe(t）为前期车道保持误差；dd(t）为行驶姿态偏差；f1为与预测车道偏离量pd(t）对应的前馈控制因子；f2为与前期车道保持误差pe(t）对应的反馈控制因子；f3为与行驶姿态偏差dd(t）对应的预先控制因子。
所述前馈控制因子f1、反馈控制因子f2、预先控制因子f3都通过实车标定获得。
本发明的原理说明如下：
本设计提供一种车道保持系统及方法，用于车辆在高速公路等高等级公路上自动行驶或驾驶员授权车辆自行完成车道保持行驶，以使车辆能够正确有效地保持在车道内行驶。车路关系感知单元通过对前方车道图像处理或其它方式得到左侧和右侧车道线相对于本车的位置、车辆方向与车道方向的姿态关系（车辆近前方车道消失点位置）、前方车道位置和方向变化。车辆参数获取单元通过传感器或其它方式获取方向盘转角，进而通过车辆转向系统参数或实车标定获取相应前轮转角；通过传感器或其它方式获取车速；通过传感器或其它方式获取车辆横摆角速度。车道保持控制单元接收车路关系感知单元和车辆参数获取单元提供的信息，实现基于车道偏离预测的前馈转向控制、基于车道保持控制误差的反馈转向控制、基于行驶方向偏差的预先控制，完成车辆转向控制决策，向车辆转向控制单元发出控制指令。
车道保持决策单元中运行图3所示的车道保持决策控制模型，在接收到车路关系感知单元和车辆参数获取单元提供的信息后，首先确定图3所示311当前位姿，即车辆与所在车道的位置和姿态关系，包括车辆与两侧车道标识位置关系、车辆与车道的方向姿态、车辆前轮方向与车辆方向角度关系。继而确定图3所示321目标位置，即一定时间周期后车辆应该到达的位置；确定图3所示322预测位置，即车辆保持目前的运动状态时一定时间周期后车辆可能到达的位置；确定图3所示332车道偏离预测，即预测可能发生的车道偏离量，作为车道偏离前馈控制依据；确定图3所示331行驶姿态偏差，即根据目前车辆与车道方向的差异，考虑前方道路方位置方向变化，确定目前车辆行驶姿态的偏差，作为行驶姿态偏差的预先控制的依据；确定图3所示333车道保持误差，即根据车辆与车道当前位置关系和前期车道保持控制的目标位置判断前期车道保持控制的误差，作为车道保持控制误差的反馈控制依据。最后确定图3所示341转向控制量的需求，通过can总线向转向控制单元发出转向控制请求。
实施例：
参见图1，一种车道保持系统，该车道保持系统包括车路关系感知单元1、车辆参数获取单元2、车道保持决策单元3、转向控制单元4，所述车道保持决策单元3分别通过can总线与车路关系感知单元1、车辆参数获取单元2、转向控制单元4相连接；所述车路关系感知单元1包括摄像头与图像处理器；所述车辆参数获取单元2包括方向盘转角传感器、车速传感器及横摆角速度传感器。
参见图2、图3，一种车道保持方法，所述车道保持方法利用车道保持系统实现，车道保持方法包括以下步骤：
s1、车路关系感知单元1获取车辆与两侧车道边界的位置关系、车辆方向与车道方向的姿态关系、前方车道位置和方向变化信息；车辆参数获取单元2获取车辆方向盘转角、车辆行驶速度及车辆横摆角速度信息；
s2、车道保持决策单元3先通过can总线接收车路关系信息和车辆状态信息，再通过上述信息确定车辆在车道中的当前位置及车辆行驶方向与车道方向的偏差，然后预测一定时间后车辆在车道中的预测位置、设定一定时间后车辆达到的目标位置，再通过比较车道方向和车辆行驶方向得到行驶姿态偏差、通过比较当前位置与前期目标位置得到前期车道保持误差、通过比较目标位置和预测位置得到预测车道偏离量，然后通过行驶姿态偏差、前期车道保持误差、预测车道偏离量确定转向控制需求；
所述转向控制需求通过以下函数实现：
m（t）=pd(t）×f1+pe（t）×f2+dd（t）×f3；
其中：m为转向控制需求；pd(t）为预测车道偏离量；pe(t）为前期车道保持误差；dd(t）为行驶姿态偏差；f1为与预测车道偏离量pd(t）对应的前馈控制因子；f2为与前期车道保持误差pe(t）对应的反馈控制因子；f3为与行驶姿态偏差dd(t）对应的预先控制因子。所述前馈控制因子f1、反馈控制因子f2、预先控制因子f3都通过实车标定获得；
s3、转向控制单元4通过接收的转向控制请求（通过can总线接收）完成车道保持控制。