本发明涉及汽车技术领域，尤其涉及一种车道偏离辅助控制系统及方法。
背景技术：
车道偏离辅助系统作为横向的驾驶员辅助系统之一，能有效地阻止车辆在高速驾驶时偏出车道，从而有效预防由于车道偏离所导致的交通事故的发生。
现有的车道偏离辅助控制器主要采用经典的pid控制器实现，具有控制策略简单的优点，但由于经典pid控制器需要对控制对象建立精确的数学模型，且抗干扰能力不足，因此对无法建立精确模型的控制系统适用性不强。
技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的上述技术缺陷，本发明提供一种基于自抗扰控制器(adrc)的车道偏离辅助控制系统及方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种车道偏离辅助控制系统，包括依次通信连接的感知模块、辅助决策模块、自抗扰控制器模块以及执行模块，其中：
感知模块：用于采集车道信息和车辆信息；其中，所述车道信息包括道路信息以及车辆位置信息；所述车辆信息包括车速信息、横摆角速度信息、转向灯信息以及方向盘转矩信息。
辅助决策模块：包括车道偏离识别子模块、驾驶员状态识别子模块以及决策生成子模块；其中，所述车道偏离识别子模块用于根据所述车道信息和车辆信息实时识别车辆是否偏离车道，获得相应的偏离信息；所述驾驶员状态识别子模块用于根据所述车辆信息实时识别驾驶员当前状态；所述决策生成子模块用于根据所述偏离信息和驾驶员当前状态分析计算获得辅助决策信息；其中，所述偏离信息包括三种：车道未偏离；车道偏离，启动预警；车道偏离，可以启动辅助控制；所述驾驶员当前状态包括三种：主动操纵状态、紧急操纵车辆状态、未操纵车辆状态。
自抗扰控制器模块：用于根据所述辅助决策信息生成控制纠正车辆行驶姿态的辅助控制指令。
执行模块：用于根据所述辅助控制指令对车辆执行转向及行驶速度调控。
一种车道偏离辅助控制方法，包括以下步骤：
步骤s1，实时采集车道信息和车辆信息。
其中，所述车道信息包括道路信息以及车辆位置信息；所述车辆信息包括车速信息、横摆角速度信息、转向灯信息以及方向盘转矩信息。
步骤s2，根据所述车道信息和车辆信息实时识别车辆是否偏离车道，获得相应的偏离信息；根据所述车辆信息实时识别驾驶员当前状态；根据所述偏离信息和驾驶员当前状态分析计算获得辅助决策信息。
其中，所述偏离信息包括三种：车道未偏离；车道偏离，启动预警；车道偏离，可以启动辅助控制；所述驾驶员当前状态包括三种：主动操纵状态、紧急操纵车辆状态、未操纵车辆状态。
步骤s3，利用自抗扰控制器(adrc)根据所述辅助决策信息生成控制纠正车辆行驶姿态的辅助控制指令。
步骤s4，根据所述辅助控制指令对车辆执行转向及行驶速度调控。
本发明相对于现有技术的有益效果在于：
1、将自抗扰控制器(adrc)引入车道偏离辅助控制系统及控制方法中，能够实时估计并补偿系统运行时受到的各种“外扰”和“内扰”的总和作用,并结合特殊的非线性反馈结构实现良好的控制品质,具有超调小、响应快、精度高、抗干扰能力强等优点。
2、结合车道偏离信息和驾驶员的驾驶状态进行判断，优化辅助决策控制方案，能够有效提高车道偏离辅助控制的准确性和有效性。
附图说明
图1为实施例1车道偏离辅助控制系统的整体结构框图。
图2为自抗扰控制器模块实现路径规划的总流程图。
图3为实施例2车道偏离辅助控制方法的总流程图。
图4为实现车道偏离辅助控制的总流程图。
图5为车道偏离辅助控制的结果示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，包括：
感知模块1、图像传感器11、车身传感器12、转向盘扭矩传感器13、辅助决策模块2、车道偏离识别子模块21、驾驶员状态识别子模块22、决策生成子模块23、自抗扰控制器模块3、自抗扰控制器31、执行模块4、电动助力转向控制器41、阻力电机42。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
如图1所示，一种车道偏离辅助控制系统，包括依次通信连接的感知模块1、辅助决策模块2、自抗扰控制器模块3以及执行模块4。
其中：
感知模块1：用于采集车道信息和车辆信息；其中，车道信息包括道路信息以及车辆位置信息。道路信息包括：道路宽度、道路中心与车辆纵向轴线的距离，车辆位置信息包括：左前轮到相应道路边界的位置、右前轮到相应道路边界的位置。车辆信息包括车速信息、横摆角速度信息、转向灯信息以及方向盘转矩信息。
在具体应用中，感知模块1具体进一步包括以下设备：
图像传感器11：用于获取车辆前方道路信息。在实际应用中可选用型号为ycs-21的ccd笔筒式摄像头。
车身传感器12：用于获取车速信息、横摆角速度信息。在实际应用中可选用霍尔型车速传感器。
转向盘扭矩传感器13：用于获取方向盘转矩信息。在实际应用中可选用kr-803动态转矩传感器。
转向灯开关14：用于获取转向灯信息。在实际应用中可选用型号为153的东风紫罗兰组合开关。
辅助决策模块2：包括车道偏离识别子模块21、驾驶员状态识别子模块22以及决策生成子模块23。
其中，车道偏离识别子模块21用于根据车道信息和车辆信息实时识别车辆是否偏离车道，获得相应的偏离信息；驾驶员状态识别子模块22用于根据车辆信息实时识别驾驶员当前状态；决策生成子模块23用于根据偏离信息和驾驶员当前状态分析计算获得辅助决策信息；其中，偏离信息包括三种：车道未偏离；车道偏离，启动预警；车道偏离，可以启动辅助控制；驾驶员当前状态包括三种：主动操纵状态、紧急操纵车辆状态、未操纵车辆状态。
自抗扰控制器模块3：用于根据辅助决策信息生成控制纠正车辆行驶姿态的辅助控制指令。
在本实施例中，如图2所示，自抗扰控制器模块3采用由两个自抗扰控制器(adrc)构成的闭环控制器，两个自抗扰控制器分别为adrcyψ，adrcψδ。每个自抗扰控制器(adrc)均包括跟踪微分器(td)，扩张状态观测器(eso方程)，控制量形成(nf)三部分；具体设置方式如下：
根据公式(4)设置自抗扰控制器的跟踪微分器：
其中r0为控制目标，r1为r0的跟踪信号，r2是r0的微分信号,v速度因子。
跟踪微分控制器(td)能有效解决经典pid控制器快速性和超调之间的矛盾，同时提高调节器的鲁棒性。
根据公式(5)设置自抗扰控制器的扩张状态观测器：
其中z1是系统输出y的估计信号,z2是y微分的估计信号,z3则是对系统状态和模型不确定性以及外部扰动的总体估计。
扩张状态观测器(eso方程)是自抗扰控制器的核心部分,它采用非线性状态观测器对系统的状态进行观测，通过对扩张的状态量进行补偿,可将原来的控制系统转化为线性的积分串联型控制系统，大大增强了该控制器对系统的适应性。
根据公式(6)设置自抗扰控制器的控制量形成：
其中e1,e2是误差及其微分，u为控制量，b为控制放大系数的估计。
如图2所示，期望路径输入和实际路径输出的差值e，进过第一个adrc控制器得到横摆角ψ，将其传输给第二个控制器得到车辆前轮转角δ。
执行模块4：用于根据辅助控制指令对车辆执行转向及行驶速度调控。
在实际应用中，执行模块4进一步包括：电动助力转向控制器41和阻力电机42。由电动助力转向控制器41根据所述辅助控制指令获得助力电机42的期望转角θsw，通过转向盘扭矩传感器13测量助力电机42的真实转角θ。再利用期望转角θsw和真实转角θ的差值经过pid控制器得到期望电流jsw，通过电流传感器测量真实电流j，同样利用期望电流jsw和实际电流j的差值输入到电流调节器计算得到pwm信号，控制助力电机带动车辆前轮转向，从而使车辆回归原有车道。
本实施例的具体技术原理和工作流程将在实施例2中结合车道偏离的辅助控制方法一并进行说明，在此不再赘述。
实施例2：
如图3和图4所示，一种利用实施例1提供的控制系统实现车道偏离的辅助控制方法，包括以下步骤：
步骤s1，实时采集车道信息和车辆信息。
其中，车道信息包括道路信息以及车辆位置信息。道路信息包括：道路宽度、道路中心与车辆纵向轴线的距离，车辆位置信息包括：左前轮到相应道路边界的位置、右前轮到相应道路边界的位置。车辆信息包括车速信息、横摆角速度信息、转向灯信息以及方向盘转矩信息。
具体的，车辆前方道路信息通过图像传感器11获取，车速信息、横摆角速度信息通过车身传感器12获取，方向盘转矩信息通过转向盘扭矩传感器13获取，转向灯信息通过转向灯开关14获取。
步骤s2，根据车道信息和车辆信息实时识别车辆是否偏离车道，获得相应的偏离信息；根据车辆信息实时识别驾驶员当前状态；根据偏离信息和驾驶员当前状态分析计算获得辅助决策信息。
其中，偏离信息包括三种：车道未偏离；车道偏离，启动预警；车道偏离，可以启动辅助控制；驾驶员当前状态包括三种：主动操纵状态、紧急操纵车辆状态、未操纵车辆状态。
进一步的，在本实施例中，利用车道偏离识别子模块21根据车道信息和车辆信息实时识别车辆是否偏离车道，获得相应的偏离信息，具体可采用tlc判断方法或ccp判断方法；tlc是基于车辆在路面上未来跨越车道的时间预警算法，ccp是基于车辆在车道中的当前位置预警算法。其中：
tlc判断方法具体包括如下步骤：
步骤s211，根据公式(1)计算tlc值；
其中，dlc为车辆从当前位置行驶至车道边界线过程中车辆经过的距离，vx是车辆的纵向运动速度。
步骤s212，根据tlc值进行判断：
若tlc≤ttw，则设置偏离信息为：车道偏离，启动预警；其中，ttw为预设的判定车道偏离启动预警的阈值。一般情况下，ttw可设置为2.5s。
若tlc≤ttc＝ttw+ttr，则设置偏离信息为：车道偏离，可以启动辅助控制；其中，ttc为预设的判定车道偏离启动辅助控制的最低阈值；ttr为预设的启动预警至驾驶员采取措施过程中驾驶员的反应时间。一般情况下，ttr可设置为2s，即ttc可设置为4.5s。
若tlc>tof，则设置偏离信息为：车道未偏离；其中，tof为预设的关闭车道偏离辅助控制的阈值。一般情况下，tof可设置为5.5s。
ccp判断方法具体包括如下步骤：
步骤s221，根据公式(2)计算汽车左右前轮相对于道路边界的位置：
其中b为道路宽度，bc为车辆宽度，y0为道路中心与车辆纵向轴线的距离，δyl左前轮到相应道路边界的位置，δyr为右前轮到相应道路边界的位置。
步骤s222，根据左右前轮相对于道路边界的位置进行判断：
若δyl﹥0并且δyr﹥0，则设置偏离信息为：车道未偏离；若δyl﹤0或者δyr﹤0，则设置偏离信息为：车道偏离，可以启动辅助控制。
为了提升决策判断的准确性，针对tlc判断方法和ccp判断方法的特性，在本实施例中，根据车道信息和车辆信息实时判断车辆是否偏离道路的方法可以进一步采用联合判断方法，具体包括如下步骤：
步骤s231，根据公式(3)计算偏离速度，即车辆偏离车道时垂直于车道边界线的速度：v＝vx*sinβ+vy*sinβ(3)
其中，v为偏离速度，vx为纵向速度，vy侧向速度，β为车辆的相对偏航角。
步骤s232，根据偏离速度进行判断：
若偏离速度v大于0.6m/s，则判定车辆正以较大速度靠近车道边界，启动tlc判断方法，进入步骤s211。
若偏离速度v小于0.6m/s，则判定车辆靠近车道边界的速度较小，启动ccp判断方法，进入步骤s221。
进一步的，在步骤s2中，利用驾驶员状态识别子模块22根据车辆信息实时识别驾驶员当前状态，具体实现方法包括如下步骤：
步骤s241，识别判断转向灯是否关闭；若转向灯打开，判定驾驶员为主动操纵状态；若转向灯关闭，则进入步骤s242。
步骤s242，读取方向盘转矩信息，若方向盘转矩大于预设的转矩阈值，其值一般取3.5n/m，则判定驾驶员为紧急操纵车辆状态；当方向盘转矩小于阈值，则判定驾驶员为未操纵车辆状态。
进一步的，在步骤s2中，利用决策生成子模块23根据偏离信息和驾驶员当前状态分析计算获得辅助决策信息，其实现方法具体为：
(1)若偏离信息为车道未偏离，则设置辅助决策信息为：关闭辅助控制，由驾驶员控制车辆。具体地说，如果识别到车辆未偏离车道，此时不需要进行辅助控制，因此关闭辅助控制功能，交由驾驶员自行控制车辆即可。
(2)若偏离信息为车道偏离，启动预警，则设置辅助决策信息为：向驾驶员发送预警警报。
(3)若偏离信息为车道偏离，可以启动辅助控制，则根据驾驶员当前状态进一步判断：若驾驶员当前状态为主动操纵状态，则设置辅助决策信息为：关闭辅助控制，由驾驶员控制车辆。具体地说，如果识别到转向灯打开时，认为驾驶员正在主动操纵车辆，此时由驾驶员继续操作即可，不需要进行辅助控制，因此关闭辅助控制功能，交由驾驶员自行控制车辆即可。
若驾驶员当前状态为紧急操纵车辆状态，则设置辅助决策信息为：关闭辅助控制，由驾驶员控制车辆。具体地说，在紧急操纵车辆状态下，方向盘转矩较大，认为驾驶员正在紧急操纵车辆，此时不宜进行辅助控制，因此关闭辅助控制功能，交由驾驶员自行控制车辆。
若驾驶员当前状态为未操纵车辆状态，则设置辅助决策信息为：切断驾驶员控制，启动辅助控制。具体地说，在未操纵车辆状态下，方向盘转矩较小，认为双手即将或已经脱离方向盘，此时应执行进行辅助控制，因此开启辅助控制功能取得车辆控制权，断开驾驶员的车辆控制权。
步骤s3，利用自抗扰控制器(adrc)根据辅助决策信息生成控制纠正车辆行驶姿态的辅助控制指令。
具体的实现方法和工作流程如下：
如图2所示，期望路径输入和实际路径输出的差值e，进过第一个adrc控制器得到横摆角ψ，将其传输给第二个控制器得到车辆前轮转角δ。
自抗扰控制器模块3内部两个自抗扰控制器(adrc)的具体设置方法如下：
步骤s301，根据公式(4)设置自抗扰控制器的跟踪微分器：
其中r0为控制目标，r1为r0的跟踪信号，r2是r0的微分信号,v速度因子；
步骤s302，根据公式(5)设置自抗扰控制器的扩张状态观测器：
其中z1是系统输出y的估计信号,z2是y微分的估计信号,z3则是对系统状态和模型不确定性以及外部扰动的总体估计；
步骤s303，根据公式(6)设置自抗扰控制器的控制量形成：
其中e1,e2是误差及其微分，u为控制量，b为控制放大系数的估计；
步骤s304，启动自抗扰控制器运算，生成相应的辅助控制指令。
步骤s4，根据辅助控制指令对车辆执行转向及行驶速度调控。
在实际应用中，执行模块4进一步包括：电动助力转向控制器41和阻力电机42。由电动助力转向控制器41根据所述辅助控制指令获得助力电机42的期望转角θsw，通过转向盘扭矩传感器13测量助力电机42的真实转角θ。再利用期望转角θsw和真实转角θ的差值经过pid控制器得到期望电流jsw，通过电流传感器测量真实电流j，同样利用期望电流jsw和实际电流j的差值输入到电流调节器计算得到pwm信号，控制助力电机带动车辆前轮转向，从而使车辆回归原有车道。
图5为车道偏离辅助结果示意图。图中为双移线工况下车辆中心运动轨迹的仿真曲线，虚线为车辆的期望路径，实线为车辆的实际路径。有图可知，控制算法可以较好地控制车辆跟踪预期行驶轨迹，横向位移误差较小，在容许的范围之内。
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。