一种车辆侧向控制的方法及装置与流程

本发明涉及汽车驾驶员辅助及自动驾驶技术领域，更具体地说，尤其涉及一种车辆侧向控制的方法及装置。

背景技术：

在当前社会中，汽车已普遍成为人们日常出行的代步工具，随着汽车电子技术的不断发展，辅助驾驶和自动驾驶领域的新功能在不断涌现。应用于汽车车辆侧向控制的主要功能有：车道保持、自动换道等。

现有技术中，实现汽车车辆的自动换道功能主要采用两种技术手段。其一，通过获取汽车车辆与目标位置的侧向偏差信息，再将该侧向偏差信息通过pid(proportionintegrationdifferentiation，比例-积分-微分控制器)控制器获得汽车方向盘转角或扭矩信息，根据该汽车方向盘转角或扭矩信息控制汽车车辆进行侧向动作，实现自动换道功能。但是，该方法在侧向偏差过大或侧向偏差发生跳变时，也就是说，在汽车车辆大幅度动作的换道过程中，无法平滑的对汽车车身进行侧向控制。

其二，在汽车换道开始时，根据自车车身位置及目标位置生成固定的平滑路径，依据该路径引导车辆完成侧向位移。该方法虽然可以平滑的实现对汽车车身的侧向控制，但是，该方法无法根据换道过程中的环境变化产生动态的车身控制量，因此会在换道过程中存在事故风险。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种车辆侧向控制的方法及装置，该方法及装置可以在汽车换道过程中，根据周边环境变化生成平滑路径控制车辆进行侧向运动，避免事故发生。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种车辆侧向控制的方法，所述方法包括：

以设定时间为周期，在每个周期的初始时刻获取待控制车辆当前位置信息及目标位置信息；

依据所述当前位置信息及所述目标位置信息，确定待决策轨迹簇；

依据所述待控制车辆的侧向加速度及侧向控制时间，在所述待决策轨迹簇中确定目标轨迹；

依据所述目标轨迹控制所述待控制车辆进行侧向运动直至下一周期开始。

优选的，在上述方法中，所述以设定时间为周期，在每个周期的初始时刻获取待控制车辆当前位置信息及目标位置信息，包括：

通过摄像头传感器实时获取所述待控制车辆相对于道路线、道路边缘及障碍物的距离信息及夹角信息；

通过车身传感器实时获取所述待控制车辆的速度信息及加速度信息。

优选的，在上述方法中，所述依据所述当前位置信息及所述目标位置信息，确定待决策轨迹簇，包括：

设定所述待控制车辆完成侧向控制的时间阈值范围；

依据所述当前位置信息、所述目标位置信息及所述时间阈值范围获得所述待决策轨迹簇。

优选的，在上述方法中，所述依据所述待控制车辆的侧向加速度及侧向控制时间，在所述待决策轨迹簇中确定目标轨迹，包括：

依据车辆在轨迹上行驶所产生的最大侧向加速度、预设的加速度阈值、完成侧向控制的时间及预设的完成侧向控制的最长时间，获得所述目标轨迹。

优选的，在上述方法中，所述依据所述目标轨迹控制所述待控制车辆在所述周期内进行侧向运动直至下一周期开始，包括：

设定所述待控制车辆的预瞄点；

获取所述预瞄点与所述目标轨迹之间的侧向偏移量，并输入至pid控制器，获得所述待控制车辆的方向盘转角或扭矩；

依据所述待控制车辆的方向盘转角或扭矩，控制所述待控制车辆进行侧向运动直至下一周期开始。

本发明还提供了一种车辆侧向控制的装置，所述装置包括：

车辆位置信息获取模块，用于以设定时间为周期，在每个周期的初始时刻获取待控制车辆当前位置信息及目标位置信息；

待决策轨迹簇获取模块，用于依据所述当前位置信息及所述目标位置信息，确定待决策轨迹簇；

目标轨迹获取模块，用于依据所述待控制车辆的侧向加速度及侧向控制时间，在所述待决策轨迹簇中确定目标轨迹；

车辆控制模块，用于依据所述目标轨迹控制所述待控制车辆进行侧向运动直至下一周期开始。

优选的，在上述装置中，所述车辆位置信息获取模块具体用于：

通过摄像头传感器实时获取所述待控制车辆相对于道路线、道路边缘及障碍物的距离信息及夹角信息；

通过车身传感器实时获取所述待控制车辆的速度信息及加速度信息。

优选的，在上述装置中，所述待决策轨迹簇获取模块具体用于：

设定所述待控制车辆完成侧向控制的时间阈值范围；

依据所述当前位置信息、所述目标位置信息及所述时间阈值范围获得所述待决策轨迹簇。

优选的，在上述装置中，所述目标轨迹获取模块具体用于：

依据车辆在轨迹上行驶所产生的最大侧向加速度、预设的加速度阈值、完成侧向控制的时间及预设的完成侧向控制的最长时间，获得所述目标轨迹。

优选的，在上述装置中，所述车辆控制模块具体用于：

设定所述待控制车辆的预瞄点；

获取所述预瞄点与所述目标轨迹之间的侧向偏移量，并输入至pid控制器，获得所述待控制车辆的方向盘转角或扭矩；

依据所述待控制车辆的方向盘转角或扭矩，控制所述待控制车辆进行侧向运动直至下一周期开始。

通过上述描述可知，本发明提供的一种车辆侧向控制的方法及装置，通过以设定时间为周期，在每个周期的初始时刻获取待控制车辆当前位置信息及目标位置信息，也就是说，在汽车开始侧向运动时，以设定的时间为周期，每个周期初都重新获取待控制车辆运行当前的位置信息及目标位置信息。

相当于将车辆侧向运动划分为多个周期进行，每个周期都可以实时根据周边环境获取待控制车辆运行当前的位置信息及目标位置信息，依据在每个周期初获取的待控制车辆运行当前的位置信息及目标位置信息，确定待决策轨迹簇，并依据待控制车辆侧向加速度及侧向控制时间，在待决策轨迹簇中确定目标轨迹，依据该目标轨迹控制待控制车辆进行侧向运动直至该周期结束。在下一周期开始时，重复上述方法直至待控制车辆完成侧向运动。

由此可知，该方法及装置可以在汽车侧向控制过程中，实时根据周边环境变化生成路径控制车辆进行侧向运动，极大程度的避免了事故发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种车辆侧向控制的方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种车辆侧向运动周期划分的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种车辆侧向运动的原理示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种车辆侧向运动的原理示意图；

图5为本发明实施例提供的一种车辆运动的实际场景模拟示意图；

图6为本发明实施例提供的一种车辆侧向控制的装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种车辆侧向控制的方法的流程示意图。

本发明实施例一提供了一种车辆侧向控制的方法，如图1所示，该方法包括：

s101：以设定时间为周期，在每个周期的初始时刻获取待控制车辆当前位置信息及目标位置信息。

参考图2，图2为本发明实施例提供的一种车辆侧向运动周期划分的示意图。也就是说，以设定时间tλ为周期划分车辆侧向控制的整个过程，形成p1至pn若干个周期，n为大于1的正整数，并且各个周期之间时序连接，前一周期的末尾时刻为后一周期的起始时刻。

获取待控制车辆当前位置信息及目标位置信息主要通过对摄像头传感器采集的信息进行处理，可以得出待控制车辆相对道路线、道路边缘、障碍物等之间的距离、夹角等信息。并且，在通过待控制车辆的车身传感器获取待控制车辆的速度、加速度等信息。

由此可知，在每个周期初都获取待控制车辆当前位置信息及目标位置信息，这样可以实时根据周边环境变化获取待控制车辆当前位置信息及目标位置信息，进而防止在汽车侧向控制过程中突发事件的发生。

s102：依据当前位置信息及目标位置信息，确定待决策轨迹簇。

设定所述待控制车辆完成侧向控制的时间阈值范围；

依据所述当前位置信息、所述目标位置信息及所述时间阈值范围获得所述待决策轨迹簇。

可选的，参考图3，图3为本发明实施例提供的一种车辆侧向运动的原理示意图。以待控制车辆行驶方向为x轴，垂直于待控制车辆行驶方向为y轴，待控制车辆质心为原点建立第一坐标系；以目标车辆行驶方向为x轴，垂直于目标车辆行驶方向为y轴，目标车辆质心为原点建立第二坐标系。

如图3所示，依据第一坐标系及第二坐标系，可得出目标车辆质心在第一坐标系中的坐标，假设目标车辆质心在第一坐标系中的坐标为(xt，yt)。并且还可以得出待控制车辆与目标车辆之间的侧向偏移量yoffset及待控制车辆行驶方向与目标车辆行驶方向之间的夹角θ。

以曲线p平滑连接车辆当前位置与目标位置，设曲线p的一般式为：

y＝a0+a1x+a2x²+a3x³(1)。

其中，a0、a1、a2及a3为待确定常数。

求解该多项式方程(1)，可选的，设置边界条件如下：

边界条件1：由于在初始时刻，即(t＝0)，待控制车辆处于第一坐标系中的原点位置，因此y(0)＝0。

边界条件2：由于在初始时刻，即(t＝0)，待控制车辆行驶方向与第一坐标系中的x轴夹角为0，因此

边界条件3：由于在目标位置时，目标车辆行驶方向与待控制车辆行驶方向之间为θ，因此

边界条件4：根据第一坐标系及第二坐标系之间的变换，在第二坐标系下的yoffset可以用在第一坐标系下的目标车辆质心的坐标表示：

yoffset＝ytcosθ+xtsinθ(2)

通过边界条件1及边界条件2，可得公式(1)中的a0＝a1＝0。因此，曲线p的一般式可表示为：

yt＝a2xt²+a3xt³(3)

通过边界条件3，求解公式(3)，可得：

2a2xt+3a3xt²＝tanθ(4)

通过边界条件4，求解公式(2)，可得：

根据公式(3)、公式(4)及公式(5)求解，可得：

也就是说a2可以通过yoffset、θ及xt的函数进行表示。

a3＝fa3(yoffset,θ,xt)，也就是说a3可以通过yoffset、θ及xt的函数进行表示。

假设待控制车辆到达目标位置，即完成全部过程的侧向控制的时间阈值为ty，当前待控制车辆行驶速度为v。由于在待控制车辆车道保持及自动换道等工况中，车辆航向角较小，因此经合理近似得：

xt＝ty·v(6)

以公式(6)替换a2、a3表达式中的xt，可得：

也就是说a2可以通过yoffset、θ、v及ty的函数进行表示。

a3＝fa3(yoffset,θ,v,ty)，也就是说a3可以通过yoffset、θ、v及ty的函数进行表示。

并且，经替换后的a2、a3表达式中的yoffset、θ及v可以通过摄像头传感器及待控制车辆传感器直接或间接得出，因此曲线p的表达式可由ty唯一确定。在实际车辆侧向运动时，根据实际应用工况，可设定ty的阈值范围为：ty∈(tymin,tymax)；也就是说，根据实际应用工况，技术人员可以灵活设定ty的阈值范围，可以整个侧向控制过程设定一个ty的阈值范围，也可以每个周期都设定一个ty的阈值范围，在此并不作限定。在该阈值范围内，使用不同的ty就可以得出不同的曲线p，不同的曲线p组成待决策轨迹簇。

在该步骤中，采用多项式方法求解形成平滑的曲线p可以解决在侧向偏差过大或突变时无法平顺的控制车辆的问题。

s103：依据待控制车辆侧向加速度及侧向控制时间，在待决策轨迹簇中确定目标轨迹。

其中，依据车辆在轨迹上行驶所产生的最大侧向加速度、预设的加速度阈值、完成侧向控制的时间及预设的完成侧向控制的最长时间，获得所述目标轨迹。

该步骤中，综合考虑了待控制车辆在侧向运动时的舒适度及效率，通过侧向加速度及侧向控制时间达到目标要求，进而确定出唯一一条轨迹作为目标轨迹。

具体原理如下：假设待决策轨迹簇中的轨道数量为n，n为大于1的正整数，在算法程序中令j＝1：n。根据最优指标表达式可知，最优指标表达式如下：

其中，aymax_j为车辆在第j条轨迹上行驶所产生的最大侧向加速度、aylim为预设的加速度阈值、ty_j为车辆在第j条轨迹上行驶完成侧向控制的时间、tymax为预设的完成侧向控制的最长时间、w1为设定的舒适度的权重及w2为设定的效率的权重。

根据上述公式(7)对待决策轨迹簇中的n条轨迹进行计算，最终求解得出imin＝min(ij＝1:n)。imin相对应的轨迹即目标轨迹。

s104：依据目标轨迹控制待控制车辆在该周期内进行侧向运动直至下一周期开始。

具体原理为：参考图4，以预瞄距离λ设定待控制车辆预瞄点，该预瞄点的设置根据实际情况中性能需求进行设定。该预瞄点与目标轨迹之间的侧向偏移量为δy。将该侧向偏移量δy输入至pid控制器，可得出待控制车辆的方向盘转角或扭矩。待控制车辆控制器依据方向盘转角或扭矩控制车辆进行侧向运动直至下一周期开始。

在下一个周期开始时，重新获取汽车运动当前的位置信息及目标位置信息，并重复上述步骤确定新的目标轨迹，车辆重新按照新的目标轨迹进行侧向运动直至完成侧向运动的整个过程。

需要说明的是，为了实施方便，可将周期时间与车辆控制器的运算周期设置为等同，即10ms至100ms。在实际应用中，不同的应用系统，根据系统运算能力确定周期时间并需对输入信号做相应的滤波处理。

并且，参考图5，在该方法中通过选取不同的目标位置，根据上述方法可以实现车道保持、自动换道等功能。

通过本发明实施例一提供的一种车辆侧向控制的方法，综合考虑了侧向控制的舒适度及效率，采用多项式的方法产生平滑的侧向运动路径，从本质上解决了侧向偏差较大或突变时无法平顺的控制车辆的问题，并且该方法将整个侧向运动划分为多个周期进行，实时性强，在每个周期都对周边环境进行预判再执行操作，可降低事故风险。

实施例二

参考图6，图6为本发明实施例提供的一种车辆侧向控制的装置的结构示意图。

本发明实施例二提供了一种车辆侧向控制的装置，用于执行实施例一中的方法，如图6所示，该装置包括：

车辆位置信息获取模块61，用于以设定时间为周期，在每个周期的初始时刻获取待控制车辆当前位置信息及目标位置信息。

以设定时间tλ为周期划分车辆侧向控制的整个过程，形成p1至pn若干个周期，n为大于1的正整数，并且各个周期之间时序连接，前一周期的末尾时刻为后一周期的起始时刻。

待决策轨迹簇获取模块62，用于依据当前位置信息及目标位置信息，确定待决策轨迹簇。

目标轨迹获取模块63，用于依据待控制车辆侧向加速度及侧向控制时间，在待决策轨迹簇中确定目标轨迹。

其中，所述目标轨迹获取模块63具体用于：

依据车辆在轨迹上行驶所产生的最大侧向加速度、预设的加速度阈值、完成侧向控制的时间及预设的完成侧向控制的最长时间，获得所述目标轨迹。

具体原理如下：假设待决策轨迹簇中的轨道数量为n，n为大于1的正整数，在算法程序中令j＝1：n。根据最优指标表达式可知，最优指标表达式如下：

其中，aymax_j为车辆在第j条轨迹上行驶所产生的最大侧向加速度、aylim为预设的最大加速度阈值、ty_j为车辆在第j条轨迹上行驶完成侧向运动的时间、tymax为预设的完成侧向控制的最长时间、w1为设定的舒适度的权重及w2为设定的效率的权重。

根据上述公式(7)对待决策轨迹簇中的n条轨迹进行计算，最终求解得出imin＝min(ij＝1:n)。imin相对应的轨迹即目标轨迹。

车辆控制模块64，用于依据目标轨迹控制待控制车辆在该周期内进行侧向运动直至下一周期开始。

其中，该车辆位置信息获取模块61具体用于：

通过摄像头传感器实时获取所述待控制车辆相对于道路线、道路边缘及障碍物的距离信息及夹角信息；

通过车身传感器实时获取所述待控制车辆的速度信息及加速度信息。

也就是说，以设定时间为周期通过摄像头传感器及车辆传感器获取待控制车辆当前位置信息及目标位置信息。获取待控制车辆当前位置信息及目标位置信息主要通过对摄像头传感器采集的信息进行处理，可以得出待控制车辆相对道路线、道路边缘、障碍物等之间的距离、夹角等信息。并且，在通过待控制车辆的车身传感器获取待控制车辆的速度、加速度等信息。

由此可知，在每个周期初都获取待控制车辆当前位置信息及目标位置信息，这样可以实时根据周边环境变化获取待控制车辆当前位置信息及目标位置信息，进而防止在汽车侧向控制过程中突发事件的发生。

该待决策轨迹簇获取模块62具体用于：

设定所述待控制车辆完成侧向控制的时间阈值范围；

依据所述当前位置信息、所述目标位置信息及所述时间阈值范围获得所述待决策轨迹簇。

可选的，以待控制车辆行驶方向为x轴，垂直于待控制车辆行驶方向为y轴，待控制车辆质心为原点建立第一坐标系；以目标车辆行驶方向为x轴，垂直于目标车辆行驶方向为y轴，目标车辆质心为原点建立第二坐标系。

依据第一坐标系及第二坐标系，可得出目标车辆质心在第一坐标系中的坐标，假设目标车辆质心在第一坐标系中的坐标为(xt，yt)。并且还可以得出待控制车辆与目标车辆之间的侧向偏移量yoffset及待控制车辆行驶方向与目标车辆行驶方向之间的夹角θ。

以曲线p平滑连接车辆当前位置与目标位置，设曲线p的一般式为：

y＝a0+a1x+a2x²+a3x³(1)。

其中，a0、a1、a2及a3为待确定常数。

求解该多项式方程(1)，可选的，设置边界条件如下：

边界条件1：由于在初始时刻，即(t＝0)，待控制车辆处于第一坐标系中的原点位置，因此y(0)＝0。

边界条件2：由于在初始时刻，即(t＝0)，待控制车辆行驶方向与第一坐标系中的x轴夹角为0，因此

边界条件3：由于在目标位置时，目标车辆行驶方向与待控制车辆行驶方向之间为θ，因此

边界条件4：根据第一坐标系及第二坐标系之间的变换，在第二坐标系下的yoffset可以用在第一坐标系下的目标车辆质心的坐标表示：

yoffset＝ytcosθ+xtsinθ(2)

通过边界条件1及边界条件2，可得公式(1)中的a0＝a1＝0。因此，曲线p的一般式可表示为：

yt＝a2xt²+a3xt³(3)

通过边界条件3，求解公式(3)，可得：

2a2xt+3a3xt²＝tanθ(4)

通过边界条件4，求解公式(2)，可得：

根据公式(3)、公式(4)及公式(5)求解，可得：

也就是说a2可以通过yoffset、θ及xt的函数进行表示。

a3＝fa3(yoffset,θ,xt)，也就是说a3可以通过yoffset、θ及xt的函数进行表示。

假设待控制车辆到达目标位置，即完成全部过程的侧向控制的时间阈值为ty，当前待控制车辆行驶速度为v。由于在待控制车辆车道保持及自动换道等工况中，车辆航向角较小，因此经合理近似得：

xt＝ty·v(6)

以公式(6)替换a2、a3表达式中的xt，可得：

也就是说a2可以通过yoffset、θ、v及ty的函数进行表示。

a3＝fa3(yoffset,θ,v,ty)，也就是说a3可以通过yoffset、θ、v及ty的函数进行表示。

并且，经替换后的a2、a3表达式中的yoffset、θ及v可以通过摄像头传感器及待控制车辆传感器直接或间接得出，因此曲线p的表达式可由ty唯一确定。在实际车辆侧向运动时，根据实际应用工况，可设定ty的阈值范围为：ty∈(tymin,tymax)；也就是说，根据实际应用工况，技术人员可以灵活设定ty的阈值范围，可以整个侧向控制过程设定一个ty的阈值范围，也可以每个周期都设定一个ty的阈值范围，在此并不作限定。在该阈值范围内，使用不同的ty就可以得出不同的曲线p，不同的曲线p组成待决策轨迹簇。

该待决策轨迹簇获取模块62采用多项式方法求解形成平滑的曲线p可以解决在侧向偏差过大或突变时无法平顺的控制车辆的问题。

该车辆控制模块64具体用于：

设定所述待控制车辆的预瞄点；

获取所述预瞄点与所述目标轨迹之间的侧向偏移量，并输入至pid控制器，获得所述待控制车辆的方向盘转角或扭矩；

依据所述待控制车辆的方向盘转角或扭矩，控制所述待控制车辆进行侧向运动直至下一周期开始。

也就是说，以预瞄距离λ设定待控制车辆预瞄点，该预瞄点的设置根据实际情况中性能需求进行设定。该预瞄点与目标轨迹之间的侧向偏移量为δy。将该侧向偏移量δy输入至pid控制器，可得出待控制车辆的方向盘转角或扭矩。待控制车辆控制器依据方向盘转角或扭矩控制车辆进行侧向运动直至下一周期开始。

在下一个周期开始时，重新获取汽车运动当前的位置信息及目标位置信息，并重复上述步骤确定新的目标轨迹，车辆重新按照新的目标轨迹进行侧向运动直至完成侧向运动的整个过程。

通过本发明实施例二提供的一种车辆侧向控制的装置，综合考虑了侧向控制的舒适度及效率，采用多项式的方法产生平滑的侧向运动路径，从本质上解决了侧向偏差较大或突变时无法平顺的控制车辆的问题，并且该装置将整个侧向运动划分为多个周期进行，实时性强，在每个周期都对周边环境进行预判再执行操作，可降低事故风险。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。