車輛行駛軌跡預估及車道偏離評價方法

2023-05-28 15:21:26

專利名稱：車輛行駛軌跡預估及車道偏離評價方法
技術領域：
本發明涉及車輛行駛軌跡預估及車道偏離評價方法。
背景技術：
交通安全歷來是人們最為關心的問題之一，它直接關係到人民生命和財產的損失。在高速公路上，每年都會發生很多由於駕駛員注意力分散或是操作原因所引起的交通事故，造成嚴重的人員傷亡和財產損失。因此，開發智能輔助駕駛系統，利用傳感器系統感知道路交通環境信息進行決策規劃，給駕駛員提出駕駛建議或部分代替駕駛員進行車輛控制操作，具有十分重要的意義。
作為智能輔助駕駛系統的一個子系統，車道偏離預警系統主要功能是在高速或者類似的公路環境中，輔助過度疲憊或者長時間單調駕駛的駕駛員保持車輛在車道內行駛。當由於駕駛員疏忽、打瞌睡、精神不集中、疲勞、打電話、尋找物品、操作儀錶盤、或與乘客交談等原因可能造成汽車不按駕駛員意願而偏離其行駛車道時，系統向駕駛員發出報警，提醒並鼓勵駕駛員進行校正操作，從而防止汽車偏離行駛車道，提高汽車的主動安全性。
如何根據當前的汽車行駛狀態及道路信息預測汽車未來的行駛軌跡，以及如何建立評價指標判斷汽車是否發生車道偏離，是本發明的關鍵。目前車道偏離預警系統的評價方法主要有三種基於TLC(Time to Lane Crossing)的評價方法，基於預測軌跡偏差的評價方法，以及基於EDF(edge distribution function)的評價方法。TLC是指從車輛當前位置開始到車輛與車道線開始接觸止的運動時間，其基本思想是如果TLC小於設定的時間閾值，則認為車輛將發生車道偏離。基於預測軌跡偏差的評價方法，假設偏離過程中汽車的航向角始終保持不變，從而計算一定時間後汽車的行駛軌跡，並與目標行駛軌跡比較。如果車輛的預期行駛軌跡與目標行駛軌跡之間的偏差大於設定的閾值則系統報警。基於EDF的評價方法，對車道標誌線作出一定假設，根據邊緣分布函數(EDF)的兩個重要形狀特徵——局部極大值和對稱軸判斷汽車是否發生偏離。上面所提及的車道偏離預警系統的評價方法，從圖像處理的角度出發，利用車輛當前時刻的狀態判斷車輛是否發生車道偏離，並沒有充分考慮駕駛員的駕駛行為特性，與真實駕駛員駕駛汽車時對車道偏離行駛行為的理解有一定差異。

發明內容
本發明其目的在於克服現有技術沒有充分反映真實駕駛員行為特性的缺陷，提出一種基於駕駛員行為模擬的車道偏離危險性評價方法。
為實現上述目的，本發明主要包括以下步驟信息感知步驟通過車載傳感器提供車輛當前運動狀態及行車環境信息，其中行車環境信息指根據道路圖像獲得的前方道路的車道標誌線信息，車輛運動狀態信息包括車輛縱向速度 ，橫向速度 ，方向盤轉角δsw，油門開度或者制動踏板行程比α；軌跡預估步驟通過模擬駕駛員的前視作用，利用車輛穩態響應特性對汽車在未來一段時間內的預期行駛軌跡進行預估；車道偏離危險性評價步驟是根據汽車預期行駛軌跡以及前方道路的車道標誌線，建立預期軌跡點處汽車到左側道路和右側道路的橫向安全距離以及汽車到前方道路的縱向安全距離三個車道偏離危險性評價指標，通過這三個指標對預期軌跡點的偏離危險性進行分析。
本發明的有益效果是，從駕駛員駕駛行為特性建模的角度出發，將駕駛員操縱行為特性應用於汽車高速公路車道偏離預警系統，更為精確地預測汽車未來的預期行駛軌跡；建立了可充分反映駕駛員行為特性的車道偏離危險性評價指標，提高了相應評價方法對汽車複雜行駛環境的適應性，為車道偏離預警系統的研究開發提供了一種新的方法，可以有效防止高速行駛汽車偏離其行駛車道，提高了高速汽車的主動安全性。


下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖l為應用於車道偏離預警系統的偏離危險性評價方法結構圖；圖2為基於駕駛員行為模擬的汽車預期行駛軌跡的預估示意圖；圖3為車道偏離危險性評價指標計算的流程圖；圖4為車道偏離危險性評價指標的示意圖；圖5為橫向距離評價指標及其特徵值；圖6為縱向距離評價指標及其特徵值；圖7為Sigmoid函數及其參數確定的示意圖；圖8為本發明的一個優選實施例的流程圖。
具體實施例方式
實施例1首先，在步驟S00中，系統從車載傳感器中獲得汽車在當前時刻t的參數汽車的縱向速度 橫向速度 方向盤轉角δsw，油門開度或者制動踏板行程比α(當汽車處於驅動工況時，α為正值或等於0，表示油門開度，此時0％≤α≤100％；當汽車處於制動工況時，α為負值，表示制動踏板行程比，此時-100％≤α＜0％)，以及車道標誌線信息，並讀取人機界面中駕駛員對系統參數的設定。由於上述的 以及車道標誌線信息是在車體坐標系(以汽車質心為原點，x軸沿著汽車縱軸線向前，y軸向左，z軸垂直向上，參考圖2)下的獲得的，因此在同一坐標系下汽車在t時刻的縱向位置x0，橫向位置y0和橫擺角0均為零。
其次，在步驟S11中，將根據方向盤轉角δsw和油門開度或者制動踏板的行程比α獲得汽車在當前時刻t的縱向加速度穩態值 和橫向加速度穩態值 由於前視時間Tp(通常為1～2s，本實施例取1.5s)遠大於汽車的瞬態反應時間，因此汽車在t時刻到t+Tp時刻的這段時間內按照穩態特性運動。雖然汽車的縱向和橫向加速度是隨著時間不斷變化的，但由於前視時間較短，在t時刻到t+Tp時刻的這段時間內，可以把汽車的速度控制特性和方向控制特性用一階線性參考模型近似，從而對應於當前時刻t的方向盤轉角和油門開度或者制動踏板行程比，汽車都有一個橫向加速度和縱向加速度與之對應。
利用上述簡化方法，根據最小二乘辨識原理，可以建立不同車速、不同油門開度或者制動踏板行程比所對應的縱向加速度穩態增益Gax，以及不同車速、不同方向盤轉角對應的汽車側向加速度穩態增益Gay兩個二維數表。根據這兩個二維數表，通過二維插值的方法，可以確定對應於當前時刻油門開度或者制動踏板行程比α和方向盤轉角δsw的汽車縱向加速度穩態增益Gax以及側向加速度穩態增益Gay，從而縱向加速度和橫向加速度的穩態值計算如下x=Gax]]>y=Gaysw]]>在步驟S12中，根據步驟S11得到的汽車縱向和橫向加速度穩態值 和 ，以及步驟S00值獲得的汽車狀態和位置參數，通過模擬駕駛員的前視作用，對汽車在未來一段時間Tp(前視時間)內的預期行駛軌跡進行預估。
根據實際駕駛經驗，駕駛員在駕駛過程中，通常會向前觀察汽車前方一定範圍內的道路狀況，並根據自己對汽車動力學和運動學特性的認識和掌握，利用汽車的當前狀態以及汽車的穩態響應特性來估計汽車的預期行駛軌跡，從而控制汽車的當前運動，即所謂的駕駛員的前視作用。駕駛員確定汽車未來要到達的位置後，就會給方向盤一定的轉角，並給油門或者制動踏板一定輸入。從汽車動力學的角度講，方向盤轉角引起汽車橫向加速度的變化，而油門或者制動踏板的輸入會引起汽車縱向加速度的變化。從汽車運動學的角度講，汽車在未來t+Tp時刻所能到達的位置可以認為是由汽車當前運動狀態和汽車的縱向、橫向加速度決定的。因此，可以通過模擬駕駛員的前視作用，根據當前時刻t時汽車的狀態( x0，y0，0)預測未來時刻t+Tp汽車狀態( xJ，yJ，J)，具體方法如下將前視時間Tp劃分成均等的離散時間片，在每個時間片內，由於時間很短，使用剛體運動學原理計算車輛狀態，然後逐步累加獲得t+Tp時刻車輛的狀態。由於車輛橫擺運動的影響，相鄰兩個時刻之間車輛的航向角發生了變化，因此車體坐標系在不同時間片是不同的。但是汽車狀態都是在前一時刻的車體坐標系下進行計算的，因此必須進行坐標變換，將其從不同車體坐標系轉換到初始坐標系下才能累加，獲得該時刻的車輛狀態。在計算t+Tp時刻車輛狀態的過程中始終以t時刻車輛坐標係為基準，參考圖2，從坐標系(xj，yj)到坐標系(x0，y0)的轉換矩陣為 從而汽車在預期軌跡點PJ的狀態由下列計算過程獲得xjyj=x0y0]]>xjyj=xj-1yj-1+xjyjtp]]>xjyj=xj-1yj-1+Aj-1,0xj-1yj-1tp+12xjyjtp2]]>
式中j＝1，2，…，J，(J為等分時間片的個數)。其中x0，y0表示初始汽車位置。 表示初始縱向和橫向速度。 表示初始縱向和橫向加速度的穩態值，0是初始車輛航向角，Δtp＝Tp/J，Tp為前視時間。
在步驟S13中，根據步驟S12得到的汽車在t+Tp時刻的質心位置(xj，yj)將汽車簡化成具有四個角點的矩形，並確定汽車四個角點的位置坐標。參考圖2、圖4、圖5、圖6所示。在t時刻汽車四個角點的位置坐標分別為corner(f，w/2)；corner[1](-r，w/2)；corner[2](-r，-w/2)；corner[3](f，-w/2)。
其中，f為汽車車頭到質心的長度，r為車尾到質心的長度，w為汽車寬度。則在t+Tp時刻汽車四個角點坐標為corner[i]Tp＝A*corner[i]T+(xj，yj)T 其中i＝0～3，分別代表四個角點，corner[i]Tp為四個角點在t+Tp時刻的坐標向量。A為旋轉矩陣，j為t+Tp時刻汽車的橫擺角。
在步驟S20中，根據t+Tp時刻汽車的狀態和四個角點位置坐標，以及車道標誌線信息，計算車道偏離危險性評價的三個評價指標。
在駕駛過程中，駕駛員判斷汽車是否會偏離其行駛車道，是從橫向和縱向兩個方面進行的。在橫向方面，駕駛員通常通過汽車至左側以及右側道路的橫向相對距離進行判斷評價，確保正常行駛時汽車與左側和右側車道標誌線保持一定的橫向距離，從而保證汽車不會從側面偏離其行駛車道；在縱向方面，駕駛員會通過汽車與前方道路的縱向相對距離進行判斷評價，確保正常行駛時汽車與前方道路保持一定的縱向距離，從而保證汽車不會從前方偏離其行駛車道。
因此，本發明建立了基於橫向和縱向距離的偏離危險性評價指標，包括車輛至左側車道標誌線距離的偏離危險性評價指標IDS1、車輛至右側車道標誌線距離的偏離危險性評價指標IDS2，以及車輛至前方車道標誌線距離的偏離危險性評價指標IDS3三個基本的評價指標，並採用單極性Sigmoid函數將評價指標表徵為0～1之間的數值，參考圖3所示。
rIDS1=11+e-a1(xsi1-c1)]]>rIDS2=11+e-a2(xsi2-c2)]]>rIDS3=11+e-a3(xsi3-c3)]]>其中rIDS1，rIDS2，rIDS3為三個評價指標值；xsi1，xsi2，xsi3為三個評價指標的特徵值，分別表徵了汽車與左側、右側和前方車道標誌線的距離關係。a1，c1，a2，c2為與橫向安全距離Sa有關的常數；a3，c3為與縱向安全距離Sf有關的常數。
三個評價指標的計算可以通過以下四個步驟完成，參考附圖3在步驟S21中，根據步驟S13獲得汽車角點坐標以及步驟S00中獲得的車道標誌線信息，參考附圖4，計算汽車角點3-0連線與車道標誌線的交點A的坐標、角點2-1連線與車道標誌線的交點B的坐標、角點0-3連線與車道標誌線的交點C的坐標、角點1-2連線與車道標誌線的交點D的坐標、角點1-0連線與車道標誌線的交點E的坐標，以及角點2-3連線與車道標誌線的交點F的坐標。
在步驟S22中，計算汽車角點0與交點A之間的距離l0，角點1與交點B之間的距離l1，角點3與交點C之間的距離l2，角點2與交點D之間的距離l3，角點0與交點E之間的距離l4，以及角點3與交點F之間的距離l5。
在步驟S23中，取距離l0和l1中的最小值作為評價指標IDS1的特徵值xsi1，距離l2和l3中的最小值作為評價指標IDS2的特徵值xsi2，距離l4和l5中的最小值作為評價指標IDS3的特徵值xsi3，即xsi1＝min{l0，l1}，xsi2＝min{l2，l3}，xsi3＝min{l4，l5}。
在步驟S24中，根據車道偏離危險性評價指標計算公式以及步驟S23獲得的三個評價指標的特徵值xsi1，xsi2，xsi3，計算三個評價指標的值rIDS1，rIDS2以及rIDS3。
車道偏離危險性評價指標計算公式中的常數a1，c1，a2，c2，a3，c3進一步確定如下參考圖7所示，由於單極性Sigmoid函數具有非線性增益的功能，即中間部分為高增益區，兩邊部分時低增益區。在確定隸屬度函數的係數時，主要是根據高增益區的自變量以及對應的值域範圍求取係數。參考圖6所示，以評價指標IDS1為例，它是根據估計獲得的預期軌跡點與道路左側車道標誌線的相對位置建立的安全性指標，其特徵值為汽車左側的兩個角點到道路左側邊界的最小距離。通常情況下，特徵值小於0將是極度危險的，這就意味著汽車已經偏離車道線，因此低增益區的邊界取為0。由此可以通過計算獲得各個係數如下a1=a2=Sa2,a3=Sf2]]>c1＝c2＝Sa，c3＝Sf如前所述，常數a1，c1，a2，c2，a3，c3與橫向安全距離Sa和縱向安全距離Sf有關，因此道偏離危險性評價指標中的橫、縱向安全距離進一步確定如下由於安全距離的取值直接影響評價方法的可靠性和穩健性，如果安全距離取為固定值，則很難適應不同的車輛行駛工況的要求。很顯然，汽車行駛速度較低時，安全性較好，其偏離危險性也較低，因此安全距離可以取較小值；而行駛速度較高時，汽車的安全性變差，稍有不慎就可能發生車道偏離事故，從而對生命和財產安全造成威脅，因此安全距離應該取較大值。也就是說，安全距離應該與車速保持一定的關係，隨著的車速的不同而變化。這樣才能保證在各種車速下都能準確判斷汽車是否會偏離其行駛車道，既不會誤報警(在不會發生車道偏離的情況下發出報警)，也不會遺漏報警(在即將發生車道偏離時沒有報警)。根據試驗結果，得到安全距離如下橫向安全距離Sa＝0.011758+0.002932v+0.000019v2；縱向安全距離Sf＝0.0034v+0.0045v2。
其中，Sa為橫向安全距離，Sf為縱向安全距離，v為汽車在t時刻的速度(km/s)。
在步驟S30中，根據步驟S20獲得的車道偏離危險性評價的三個評價指標值，判斷汽車是否即將發生車道偏離事故。
如前所述，將安全閾值設定為三個級別安全，危險，特別危險。當IDS1、IDS2和IDS3中任何一個評價指標都大於安全閾值TH1(0.6)時，認為汽車不會發生車道偏離事故，即處於安全級別，從而不報警；當所有的評價指標都大於安全閾值TH2(0.4)並且至少有一個評價指標處於TH1和TH2之間時，認為汽車處於危險的級別，此時發出較為舒緩的報警聲音，並點亮黃色警示燈；而三個評價指標中只要任何一個小於安全閾值TH2，則認為汽車處於特別危險的級別，此時發出非常急促的報警聲音，並點亮紅色警示燈。
最後，在步驟S40中，根據評價結果通過聲音報警器和車載LCD警示燈箱駕駛員發出相應的聲音和燈光信號，實現車道偏離預警功能。
實施例2如圖8流程圖所示首先，利用圖像傳感器採集道路圖像，對其進行處理，獲得前方道路的車道標誌線信息。同時，通過車載傳感器採集車輛的狀態參數，如速度，換道信號，方向盤轉角，油門踏板或者制動踏板的位置等，獲得必要的輸入信息。
然後，根據換道信號，判斷汽車是否正在換道，如果汽車正在換道，系統停止工作；如果汽車沒有處於換道過程，系統會根據上述狀態參數，利用汽車的穩態響應特性對汽車的預期行駛軌跡進行預估，獲得預期軌跡點的汽車狀態參數，並計算汽車四個角點的位置坐標。
其次，根據汽車預期軌跡點處汽車角點的位置坐標，以及所獲得的車道標誌線信息，計算三個偏離危險性評價指標值。
最後根據所獲得的評價指標值以及設定的安全閾值，判斷汽車的偏離危險性級別，並據此發出相應的聲音報警信號和LCD警示燈信號，提醒駕駛員進行矯正操作，避免汽車偏離其行駛車道。
權利要求
1.一種車輛軌跡預估及車道偏離評價方法，其特徵在於包括以下步驟信息感知步驟通過車載傳感器提供車輛當前運動狀態及行車環境信息，其中行車環境信息指根據道路圖像獲得的前方道路的車道標誌線信息，車輛運動狀態信息包括車輛縱向速度 橫向速度 方向盤轉角δsw，油門開度或者制動踏板行程比α；軌跡預估步驟通過模擬駕駛員的前視作用，利用車輛穩態響應特性對汽車在未來一段時間內的預期行駛軌跡進行預估；車道偏離危險性評價步驟是根據汽車預期行駛軌跡以及前方道路的車道標誌線，建立預期軌跡點處汽車到左側道路和右側道路的橫向安全距離以及汽車到前方道路的縱向安全距離三個車道偏離危險性評價指標，通過這三個指標對預期軌跡點的偏離危險性進行分析。
2.根據權利要求1所述的一種車輛軌跡預估及評價方法，其特徵在於所述的軌跡預估步驟採用如下方法步驟S11，根據方向盤轉角δsw和油門開度或者制動踏板的行程比α獲得汽車在當前時刻t的縱向加速度穩態值 和橫向加速度穩態值 步驟S12，將前視時間Tp劃分成均等的離散時間片，使用剛體運動學原理計算車輛狀態，然後逐步累加獲得t+Tp時刻車輛的狀態；步驟S13，根據步驟S12得到的汽車在t+Tp時刻的質心位置(xJ，yJ)，將汽車簡化成具有四個角點的矩形，並確定汽車四個角點的位置坐標。
3.根據權利要求2所述的一種車輛軌跡預估及評價方法，其特徵在於所述的前時刻t的縱向加速度穩態值 和橫向加速度穩態值 採用下述方法獲得首先建立不同車速、不同油門開度或者制動踏板行程比所對應的縱向加速度穩態增益Gax，以及不同車速、不同方向盤轉角對應的汽車側向加速度穩態增益Gay兩個二維數表；然後通過二維插值的方法，確定對應於當前時刻油門開度或者制動踏板行程比α和方向盤轉角δsw的汽車縱向加速度穩態增益Gax以及側向加速度穩態增益Gay，從而確定縱向加速度和橫向加速度的穩態值，計算如下x=Gax]]>y=Gaysw.]]>
4.根據權利要求2所述的一種車輛軌跡預估及評價方法，其特徵在於所述的 時刻車輛的狀態採用下述方法獲得xjyj=x0y0]]>xjyj=xj-1yj-1+xjyjtp]]>xjyj=xj-1yj-1+Aj-1,0(xj-1yj-1tp+12xjyjtp2)]]> 式中j＝1，2，…，J，(J為等分時間片的個數)，其中x0，y0表示初始汽車位置； 表示初始縱向和橫向速度； 表示初始縱向和橫向加速度的穩態值，0是初始車輛航向角，Δtp＝Tp//J，Tp為前視時間， 是坐標系(xj，yj)到坐標系(x0，y0)的轉換矩陣。
5.根據權利要求2所述的一種車輛軌跡預估及評價方法，其特徵在於所述的汽車四個角點的位置坐標採用下述方法獲得corner[i]Tp＝A*corner[i]T+(xj，yj)T，其中corner[i]Tp為四個角點在t+Tp時刻的坐標向量， 為旋轉矩陣，i＝0～3，分別代表四個角點，j為t+Tp時刻汽車的橫擺角。
6.根據權利要求1所述的一種車輛軌跡預估及車道偏離評價方法，其特徵在於所述的車道偏離危險性評價採用如下方法步驟S20，建立基於橫向和縱向距離的偏離危險性評價指標，包括車輛至左側車道標誌線距離的偏離危險性評價指標IDS1、車輛至右側車道標誌線距離的偏離危險性評價指標IDS2，以及車輛至前方車道標誌線距離的偏離危險性評價指標IDS3三個基本的評價指標，並採用單極性Sigmoid函數將評價指標表徵為0～1之間的數值，rIDS1=11+e-al(xsil-c1);]]>rIDS2=11+e-a2(xsi2-c2);]]>rIDS3=11+e-a3(xsi3-c3);]]>其中xsi1，xsi2，xsi3為三個評價指標的特徵值，採用下述方法確定步驟S21，計算汽車角點連線與車道標誌線的交點的坐標；步驟S22，計算汽車角點與交點之間的距離；步驟S23，分別取距離中的最小值作為評價指標的特徵值；a1，c1，a2，c2；a3，c3為常數，採用下述方法確定a1=a2=Sa2,]]>a3=Sf2]]>c1＝c2＝Sa，c3＝Sf其中Sa為橫向安全距離，Sf為縱向安全距離，進一步確定為Sa＝0.011758+0.002932v+0.000019v2；Sf＝0.0034v+0.0045v2，其中v為汽車在t時刻的速度；步驟S30，根據步驟S20獲得的車道偏離危險性評價的三個評價指標值，判斷汽車是否即將發生車道偏離事故，當IDS1、IDS2和IDS3中任何一個評價指標都大於閾值時，認為汽車不會發生車道偏離事故，即處於安全級別；而三個評價指標中只要任何一個小於閾值，則認為汽車處於危險狀態。
7.如權利要求6所述的一種車輛軌跡預估及評價方法，其特徵在於所述安全閾值可依據不同類型的車道偏離預警模式設定。
8.如權利要求1至7所述的一種車輛軌跡預估及評價方法，其特徵在於如果偏離危險性超過一定的閾值，則通過聲音和車載LCD顯示器向駕駛員發出車道偏離預警信息。
9.如權利要求1至7所述的一種車輛軌跡預估及評價方法，其特徵在於在軌跡預估步驟前根據換道信號判斷汽車是否正在換道，如果汽車正在換道，停止軌跡預估工作。
10.如權利要求8所述的一種車輛軌跡預估及評價方法，其特徵在於在軌跡預估步驟前根據換道信號判斷汽車是否正在換道，如果汽車正在換道，停止軌跡預估工作。
全文摘要
本發明涉及一種車輛軌跡預估及車道偏離評價方法，其目的在於克服現有技術沒有充分反映真實駕駛員行為特性的缺陷，提出了一種基於駕駛員行為模擬的車道偏離危險性評價方法。該方法利用圖像傳感器採集到的前方道路上的車道標誌線信息，並結合車載傳感器提供的汽車車速、加速度、轉向狀態等信息，模擬駕駛員前視作用(開車時根據前方道路信息進行當前汽車駕駛控制)，預測汽車在未來一段時間內的預期行駛軌跡，並針對該預期行駛軌跡與前方道路上車道標誌線的相對位置，進行車道偏離危險性評價，從而判斷車輛是否可能發生車道偏離事故。如果車道偏離危險性超過一定的閾值，可通過聲音和車載LCD顯示器向駕駛員發出車道偏離預警信息。
文檔編號G05D1/03GK1775601SQ20051001729
公開日2006年5月24日 申請日期2005年11月18日 優先權日2005年11月18日
發明者管欣, 高振海, 張立存, 柯斌, 楊得軍 申請人:吉林大學