在人机共驾车道保持系统中驾驶权分配的方法与流程

本发明属于辅助驾驶的车辆控制领域，涉及一种基于人机共驾的车道偏离辅助控制系统中驾驶权的分配方法。

背景技术：

汽车给人们生活带来便捷的同时，随着使用数量的剧增，也产生了许多新的问题，比如交通事故、能源消耗、交通拥堵和汽车尾气造成的空气污染等，尤其是交通事故造成了生命和财产无法挽回的损失。因此，为提高驾驶安全性、减轻驾驶员的驾驶负担，无人驾驶技术得以广泛的研究，并被逐步应用，但是，由于目前与无人驾驶技术相关的法律法规还不完善，在无人驾驶技术没有达到产业化应用之前，开发先进驾驶辅助系统(adas)是驾驶自动化当前的主要目标。

作为adas的主要分支，车道保持辅助系统是针对驾驶员因疲劳或注意力不集中产生的车道偏离而设计的，通过转向辅助控制帮助驾驶员抑制车道偏离倾向，将车辆保持在原车道内。在基于人机共驾的车道保持系统中最主要的部分就是控制权的分配问题，目前大部分车道保持控制系统都是基于切换型人机共驾，即车辆完全由辅助系统控制或完全由驾驶员控制，但是当遇到辅助系统不能处理的工况时，就直接把车辆控制权还给驾驶员，由于驾驶员在环时间短，驾驶员还没有准备好接管车辆应对该突发情况，这将增加产生严重事故的风险。

专利cn201810117379中通过辅助决策模块来判断车辆是否偏离本车道并利用两个转矩阈值来切换驾驶模式。首先这种方法在车辆有较大的横向位移或偏航角时才能判断出车辆偏离了本车道，这时使车辆回到车道线附近的辅助力矩较大，如果此时将辅助力矩加入到转向系统中，容易引起车辆横摆角速度增加，进而降低乘坐舒适型，其次利用两个转矩阈值作为切换驾驶模式的参数，容易引起驾驶权的突变，即由自动驾驶模式突然转变为人工驾驶模式，这种情况容易引起驾驶员的恐慌，进而降低了车辆的安全性。

针对这种情况，本发明提出一种在人机共驾车道保持系统中驾驶权分配的方法，引入共驾系数作为驾驶权分配的参数，并根据驾驶员状态和车辆运行状态动态分配共驾系数，实现控制权的连续变化，提高驾驶员在环时间，降低控制权突变的可能性，提高驾驶的舒适性与安全性。

技术实现要素：

为了解决驾驶权分配的的问题，本发明提供一种在人机共驾车道保持系统中驾驶权的分配方法，实现共驾系数的连续变化减小控制权突变的可能，保证车道保持系统的安全性与舒适性。

为了达到上述目的，本发明提出如下技术方案：一种在人机共驾车道保持系统中驾驶权分配的方法，包括如下步骤：

s1.由车辆环境感知模块识别出车道线和车辆状态参数；

s2.以车辆状态参数计算左右车轮到车道边界的时间tlc，当tlc小于一定的阈值时向驾驶员发出警告；

s3.将计算出的tlc作为其中一个输入参数，驾驶员实际输入的力矩td作为另一个输入参数，通过模糊控制确定此时的共驾系数；

s4.在模糊控制不能准确的确定出共驾系数时，对共驾系数进一步调整。

进一步的，对于步骤s2：

假设车辆偏离过程中偏航角不变，则车辆运动轨迹类似于圆曲线，

计算tlc主要是计算车辆偏离车道时运动轨迹的长度af长度，定义弧af的长度为dx，由几何基本原理得：

dx＝rx*α

其中：rx表示车辆运动轨迹的曲率半径，α表示车辆从当前位置运动到边界所对应的圆心角，根据圆周运动可得：

式中vx是车辆的纵向速度,ω是车辆的横摆角速度

车辆运动的圆心为点g，左侧车轮的位置为点a，点m为线段ga与车道边界的交点，am为车轮的位置与车道边界的交点的距离，利用三角形关系可得：

式中：ae表示车辆左前轮到车道线的距离，β表示车辆航向角

式中：w表示车道宽度，y表示左前轮到车道中线的距离

连接圆心点g，交点f和车轮的最终位置f三点，组成△gmf

在△gmf中，由余弦定理可得：

gm＝ga-am＝rx-am

由勾股定理及边长之间的关系可得：

将上列各式代入可解得α

最终解得：

计算出的tlc均为正值，为了区分车辆向右和向左偏离的不同，定义车辆向右偏离时tlc为正值，向左为负值，驾驶员输入力矩顺时针为正，逆时针为负；

1)当tlc≤ttw，此时应该启动车道保持辅助系统，并通过方向盘震动或者声音提示驾驶员车辆有偏离本车道的趋势，式中ttw为车道偏离辅助系统启动的阈值；

2)当tlc＞ttw，此时视为车辆在安全行驶，车道偏离辅助系统应该处于关闭状态。

进一步的，对于步骤s3：

车道保持系统应用于高速的情况，并且车辆向右偏离和向左偏离的情况不同，选择车辆左、右车轮到车道边界的时间tlc的基本论域为[-1,1]，驾驶员力矩的基本论域为[-6,6]n.m，共驾系数的基本论域为[0,1]，车辆左右车轮到车道边界的时间tlc和驾驶员转矩td模糊子集为{nl,ns,z,ps,pl}，分别代表tlc和驾驶员力矩的负大、负中、零、正中、正大5个状态，共驾系数的模糊子集为{z,s,m,l,vl}，分别代表共驾系数零、小、中、大、较大5个状态，由于输入变量tlc和驾驶员转矩td的基本论域分别为5个，所以共需定义5*5＝25条规则，模糊规则制定的依据是：当驾驶员输入力矩较大并且tlc较小时，认为驾驶员在主动操作车辆，则共驾系数应较小或者为零，当tlc为负数，而驾驶员输入力矩也为正数即驾驶员没有能及时纠正车辆的偏离，此时认为驾驶员注意力分散，共驾系数为高或者完全由辅助系统控制车辆的横向位移，具体规则见表1：

进一步的，对于步骤s4：

在一些特殊情况下驾驶员应该具有对车辆的完全控制权，根据车辆当前一些信号判断驾驶员是否有意识地操纵车辆有效：

转向开关信号：若某一侧转向灯开启，则认为驾驶员在有意识地进行换道，通常高速公路上行驶的车辆较少，若驾驶员主动换道时不打转向灯，发出偏离报警信号，当打开转向灯信号时，共驾系数为0；

车速信号：车道保持系统一般应用于车辆高速行驶的情况，所以本文设定当车速低于60km/h时关闭车道保持系统，此时共驾系数为0，辅助系统不干预驾驶员的操作；

加速踏板和刹车踏板的变化率：当加速踏板和刹车踏板的变化率超过一定的阈值时，减速度，可认为驾驶员正在有意识地对车辆进行操纵，不应触发报警，共驾系数为0。

有益效果：相比于目前切换型或固定参数的人机共驾车道保持控制系统，这种动态分配共驾系数的方法具有以下优势：

1.可以实现共驾系数的连续变化，从而实现从驾驶员到辅助控制系统(反之亦然)

的逐渐过渡，降低了驾驶权突变，提升了车辆的舒适性与安全性。

2.引用驾驶员输入力矩td和tlc作为确定共驾系数α的参数，考虑驾驶员特性和

车辆运行状态对共驾系数α的影响，减少了人机冲突，增强了驾驶员的驾驶体验。

附图说明

图1直线道路上车辆以曲线轨迹向左偏离示意图。

具体实施方式

实施例1：

本发明提出的一种在人机共驾车道保持系统中驾驶权分配的方法包括以下步骤：

1.计算车辆左右两侧车轮到道路边界的时间即tlc

本文采用纵向tlc的计算方法：

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。

1)当tlc≤ttw，此时应该启动车道保持辅助系统，并通过方向盘震动或者声音提示驾驶员车辆有偏离本车道的趋势，式中ttw为车道偏离辅助系统启动的阈值；

2)当tlc＞ttw，此时视为车辆在安全行驶，车道偏离辅助系统应该处于关闭状态。

2.控制权分配

传统的人机共驾协同控制的权重系数为一固定值或者在遇到辅助控制系统不能处理的情况时，将控制权完全交给驾驶员，这样就容易造成人机冲突影响驾驶感受,降低乘坐舒适性与安全性。所以，本文根据驾驶员输入力矩td和tlc动态调整共驾系数(范围为0～1)，实现从驾驶员到辅助控制系统(反之亦然)的逐渐过渡。当共驾系数为0时表示车辆完全由驾驶员控制，共驾系数为1时车辆完全由辅助控制系统控制。由于驾驶员力矩td和tlc与驾驶权之间的关系不能精确的用数学表达式表示，所以运用模糊控制来确定共驾系数。

共驾系数的确定利用模糊控制，输入参数为驾驶员实际输入力矩td和车轮跨越车道线时间tlc，输出为共驾系数α。其中驶员实际输入力矩td的基本论域为5个，tlc的基本论域也为5个，所以共需25条模糊控制规则。如表1

3.特殊情况下对共驾系数的修正

在某些特殊情况下共驾系数可以取得极限值例如0，即车辆完全由驾驶员进行操作辅助控制系统不影响车辆的横向位置，所以此时应该对由模糊控制得出的共驾系数进行进一步的修正，使其能够适应更加复杂的情况。

在基于人机共驾的车道保持辅助控制系统中得出共驾系数后，利用共驾系数乘以使车辆回到车道线附近的辅助力矩(可以由pid控制算法或其他控制算法得出)作为目标转矩输入到电动助力转向模块(eps)中，使车辆一直保持在车道线中心附近行驶，避免车辆无意识地偏离本车道。

实施例2：一种在人机共驾车道保持系统中驾驶权分配的方法的过程为：首先由车辆环境感知模块识别出车道线和车辆状态参数。利用车辆状态参数计算左右车轮到车道边界的时间即tlc，当tlc小于一定的阈值时向驾驶员发出警告。然后，将计算出的tlc作为其中一个输入参数，驾驶员实际输入的力矩td作为另一个输入参数，通过模糊控制确定此时的共驾系数。然而在某些特殊情况下模糊控制不能准确的确定出共驾系数，所以还需要对共驾系数进行进一步的调整，使其能够适应更加复杂的情况。

1.车辆左右车轮到道路边界的时间即tlc的计算

我国高速公路设计标准要求山区高速公路弯道处的最小曲率半径不小于250m，平原和丘陵地区高速公路弯道的最小曲率半径不小于650m,而在高速公路上大部分都是以直线车道为主，所以对直线道路上车辆偏离情况进行分析具有普遍性。假设车辆偏离过程中偏航角不变，则车辆运动轨迹类似于圆曲线，如图1。

计算tlc主要是计算车辆偏离车道时运动轨迹的长度即af长度，定义弧af的长度为dx，由几何基本原理得：

dx＝rx*α

其中：rx表示车辆运动轨迹的曲率半径，α表示车辆从当前位置运动到边界所对应的圆心角，根据圆周运动可得：

式中vx是车辆的纵向速度,ω是车辆的横摆角速度

车辆运动的圆心为点g，左侧车轮的位置为点a，点m为线段ga与车道边界的交点，am为车轮的位置与车道边界的交点的距离。利用三角形关系可得：

式中：ae表示车辆左前轮到车道线的距离，β表示车辆航向角

式中：w表示车道宽度，y表示左前轮到车道中线的距离

连接圆心点g，交点f和车轮的最终位置f三点，组成△gmf

在△gmf中，由余弦定理可得：

gm＝ga-am＝rx-am

由勾股定理及边长之间的关系可得：

将上列各式代入可解得α

最终解得：

计算出的tlc均为正值，为了区分车辆向右和向左偏离的不同，定义车辆向右偏离时tlc为正值，向左为负，驾驶员输入力矩顺时针为正，逆时针为负。

当计算的tlc≤ttw，此时车道偏离辅助系统应该启动，向驾驶员发出警告，式中ttw为车道偏离辅助系统启动的阈值。否则，关闭车道偏离辅助系统。

2.控制权分配

采用模糊控制来确定共驾系数，因为糊控制理论是在人的常识和长期经验的基础上，以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为理论基础的基础理论。“模糊”的概念更类似于人对事物的认知、推理和决策过程，具有信息量大、符合自然界的特点，并且由于驾驶员力矩td和tlc与共驾系数α之间的关系不能精确的用数学表达式表示。

根据国家标准规定，我国高速公路的标准宽度为3.75m，并且车道保持系统一般应用于高速的情况，并且车辆向右偏离和向左偏离的情况不同，所以选择车辆左右车轮到车道边界的时间tlc的基本论域为[-1,1]。根据国家法规要求，对于安装了电动助力转向的乘用车，驾驶员的转向力矩td的范围为[-6,6]n.m,所以驾驶员力矩td的基本论域为[-6,6]n.m，共驾系数α的基本论域为[0,1]。车辆左右车轮到车道边界的时间tlc和驾驶员转矩td模糊子集为{nl,ns,z,ps,pl}，分别代表tlc和驾驶员力矩td的负大、负中、零、正中、正大5个状态，共驾系数α的模糊子集为{z,s,m,l,vl}，分别代表共驾系数零、小、中、大、较大5个状态。由于输入变量tlc和驾驶员转矩td的基本论域分别为5个，所以共需定义5*5＝25条规则，模糊规则制定的依据是：当驾驶员输入力矩较大td并且tlc较小时，认为驾驶员在主动操作车辆，则共驾系数应较小或者为零，当tlc为负数，而驾驶员输入力矩td也为正数即驾驶员没有能及时纠正车辆的偏离，此时认为驾驶员注意力分散，共驾系数为高或者完全由辅助系统控制车辆的横向位移，具体规则见表1。

表1模糊控制规则

3.特殊情况下对共驾系数的修正

在一些特殊情况下驾驶员应该具有对车辆的完全控制权，判断驾驶员是否有意识地操纵车辆有效且直接的方法是根据车辆当前一些信号，如转向开关、加速踏板和刹车踏板等。

3.1转向开关

转向开关信号是判断驾驶员是否在有意识换道最通用且有效的依据，若某一侧转向灯开启，则认为驾驶员在有意识地进行换道。通常高速公路上行驶的车辆较少，若驾驶员主动换道时不打转向灯，也会发出偏离报警信号，这样可促使驾驶员养成良好的换道打转向灯的习惯。所以当打开转向灯信号时，共驾系数为0。

3.2车速信号

车道保持系统一般应用于车辆高速行驶的情况，所以本文设定当车速低于60km/h时关闭车道保持系统，此时共驾系数为0，辅助系统不干预驾驶员的操作。

3.3加速踏板和刹车踏板的变化率

正常情况下，车辆的进行都是均加速和匀减速的过程，如果车辆有较大的加、减速度，可认为驾驶员正在有意识地对车辆进行操纵，若此时车辆有偏离当前车道的趋势，不应触发报警，共驾系数为0。

可通过加速踏板和刹车踏板的变化率作为判断指标，当加速踏板和刹车踏板的变化率超过一定的阈值时，可认为驾驶员正在有意识地对车辆进行操纵。

以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。