一种基于曲线拟合的车道偏离辅助方法及系统与流程

1.本发明涉及车辆智能驾驶领域，具体涉及一种基于曲线拟合的车道偏离辅助方法及系统。


背景技术：

2.lka用于辅助驾驶员将车辆保持在车道线内行驶，是一项在车道偏离预警ldw功能上发展而来的横向运动控制adas功能，主要通过环境感知传感器识别本车相对于车道中央的位置，如果驾驶员无意间偏离车道，则向驾驶员发出警告或通过自动转向干预使车辆重新回到车道内。lka主要由信息采集模块、信息处理模块和控制模块组成，在系统工作期间，当车辆要偏离车道时，驾驶员将会接收车道偏离的报警信息，此时，系统选择对转向系统进行控制，实现自动驾驶。车道偏离预警ldw用于在车辆发生无意识偏离车道时，通过声音、视觉和振动等方式向驾驶员发出预警；车道偏离预防ldp为ldw功能的扩展，在车辆发生无意识偏离车道时，在快要驶离之前，通过施加适当的转向干预修正车辆位置。现有技术通过传感器获得偏航速率(即通过车辆的各种传感器信息计算获得偏航速率)来控制车辆，缺少规划单元，容易造成控制参数不平滑，导致舒适性变差，乘客体验不好；另外，现有技术采用卡尔曼滤波算法辅助进行偏航角度计算，技术繁琐，存在参数调节复杂等问题，处理过程中根据各种情况进行权值的设定也较为复杂。例如，中国专利授权公告号：cn108327717b，公开了一种人机共驾的车道偏离辅助系统及其车道偏离辅助方法，所述车道偏离辅助系统包括：辅助决策模块，其用于判断车辆是否偏离车道，并在判断车辆偏离车道时协调驾驶员与车道偏离辅助系统对车辆的控制权；控制器模块，其用于在车辆偏离车道时主动纠正车辆姿态，保证车辆始终在车道中心线附近行驶，保证行车安全；执行模块，其用于执行控制器模块的控制信息，完成车道偏离辅助。通过本发明的人机共驾的车道偏离辅助系统，在车辆偏离车道时主动纠正车辆姿态，保证车辆始终在车道中心线附近行驶，保证行车安全，但是车道偏离辅助系统缺少规划单元，容易造成控制参数不平滑，导致乘客体验舒适性差。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术中车道偏离辅助系统缺少规划单元，容易造成控制参数不平滑，导致乘客舒适性变差；现有技术繁琐，处理过程复杂的问题，提供了一种基于曲线拟合的车道偏离辅助系统，系统内设有规划单元，规划单元采用一种基于曲线拟合的车道偏离辅助方法，通过贝塞尔曲线拟合的方式规划出一种平滑的纠偏轨迹曲线，然后将纠偏轨迹信息发送给控制模块进行平滑稳定的车辆控制，保证控制参数平滑变化，有效提高乘车舒适性，简化处理过程。
4.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
5.一种基于曲线拟合的车道偏离辅助方法，包括以下步骤：步骤s1)目标轨迹离散化；步骤s2)目标轨迹平滑处理；步骤s3)车道偏离检测，若偏离，执行步骤s4；若不偏离，直接将检测信息转化成接口信息输出；步骤s4)计算拟合曲线的起点和终点；步骤s5)采用贝
塞尔曲线拟合的方式进行起点与终点之间曲线的平滑轨迹计算，获得纠偏轨迹曲线；步骤s6)将步骤s5获得的纠偏轨迹曲线信息转化，将转化获得的接口信息输出。现有技术的车道偏离辅助系统，通过传感器获得偏航速率(即通过车辆的各种传感器信息计算获得偏航速率)来控制车辆，缺少规划单元，容易造成控制参数不平滑，导致舒适性变差，乘客体验不好；另外，现有技术采用卡尔曼滤波算法辅助进行偏航角度计算，技术繁琐，存在参数调节复杂等问题，处理过程中根据各种情况进行权值的设定也较为复杂。为此，本发明提供了一种基于曲线拟合的车道偏离辅助方法，采用贝塞尔曲线拟合的方式规划出一条平滑的纠偏轨迹曲线，然后将纠偏轨迹信息传给车道偏离辅助系统的控制模块进行平滑稳定的车辆控制，保证控制参数平滑变化，有效提高乘车舒适性，简化处理过程。具体过程为：首先根据需求进行计算获取目标轨迹，需求多种多样，比如车辆驶离左侧车道线时进行纠偏，将车辆控制在距离左侧车道线的某个具体距离值内，此虚拟的目标轨迹参考线与车道线平行，然后对目标轨迹参考线进行离散化处理；接着采用样条曲线拟合的方式对获得的离散化目标轨迹参考线进行平滑处理；然后检测车道偏离数据，包括车辆距离车道线的距离和车辆驶离车道时间，将检测获得的车辆距离车道线的距离与设定的距离阈值比较，车辆驶离车道时间与设定的时间阈值比较，根据比较结果判断车辆是否偏离车道，若否，直接将检测获得的数据转化成接口信息输出至车道偏离辅助系统的控制模块；若是，采用贝塞尔曲线拟合的方式计算获得平滑变化的纠偏轨迹，先计算贝塞尔曲线的起点和终点，起点为当前时刻车身位姿点，终点为目标轨迹上的某个点，这两个点包含位置、速度、加速度、加加速度信息，然后对贝塞尔曲线进行求导或积分运算，获得平滑变化的位置、速度、加速度、加加速度曲线；最后按照约定好的接口协议，将通过贝塞尔曲线拟合方式规划处理获得的平滑的纠偏轨迹曲线信息转化，转化获得的接口信息传送给控制模块。控制模块根据接收到的接口信息判断是否进行纠偏操作，若需要进行纠偏操作，则控制报警单元报警，控制转向控制单元按照平滑的纠偏轨迹曲线进行车辆转向干预，由于纠偏轨迹曲线经过规划处理，控制参数平滑变化，使得转向纠偏控制平稳，提高乘客舒适性，并且整个处理过程简单。
6.作为优选，所述步骤s2中，采用样条曲线拟合的方式对步骤s1获得的离散化的目标轨迹参考线进行平滑处理。本发明根据需求进行计算获取目标轨迹，此虚拟的目标轨迹参考线与车道线平行，然后对目标轨迹参考线进行离散化处理，接着采用样条曲线拟合的方式对获得的离散化目标轨迹参考线进行平滑处理，获得平滑变化的目标轨迹曲线。
7.作为优选，所述步骤s3的具体过程，包括以下步骤：步骤a1)检测获取车辆距离车道线的距离和车辆驶离车道时间；步骤a2)通过比较所述车辆距离车道线的距离与设定的距离阈值，及所述车辆驶离车道时间与设定的时间阈值，判断是否偏离车道，若是，执行步骤s4；若否，直接将检测信息转化成接口信息输出。本发明检测车道偏离数据，包括车辆距离车道线的距离和车辆驶离车道时间，将检测获得的车辆距离车道线的距离与设定的距离阈值比较，车辆驶离车道时间与设定的时间阈值比较，根据比较结果判断车辆是否偏离车道，若不偏离，直接将检测获得的数据转化成接口信息输出至车道偏离辅助系统的控制模块；若偏离，采用贝塞尔曲线拟合的方式计算获得平滑变化的纠偏轨迹曲线。
8.作为优选，所述步骤s4中，起点为当前时刻车身位姿点，终点为目标轨迹上的一点。这两个点包含位置、速度、加速度、加加速度信息。其中，终点是目标轨迹上按照具体要求确定的点。
9.作为优选，所述步骤s5中，将步骤s4计算获得的起点和终点作为贝塞尔曲线(bezier curve)的两个端点，对所述贝塞尔曲线进行求导或积分计算，获得平滑变化的位置曲线、速度曲线、加速度曲线和加加速度曲线。本发明采用贝塞尔曲线拟合的方式获得平滑变化的纠偏轨迹曲线，通过对轨迹曲线进行求导或积分计算，获得平滑变化的位置曲线、速度曲线、加速度曲线和加加速度曲线，由于上述曲线经过规划处理，控制参数平滑变化，使得控制模块能够平稳控制车辆，提高乘客舒适性。
10.作为优选，所述步骤s5中，每个时刻的车辆状态表示为：其中，x为车辆状态量，p表示车辆位置，v表示车辆速度，a表示车辆加速度，j表示车辆加加速度。在进行贝塞尔曲线拟合获得纠偏轨迹曲线时，需要先定义每个时刻的车辆状态，本发明用上述车辆状态量表示。
11.作为优选，步骤s5中，所述纠偏轨迹曲线用分段曲线cn(t)表示，定义分段曲线cn(t)为：其中，当t∈[0,te]时，分段曲线需要满足以下约束条件：ck(t)为连续函数；分段曲线起点cn(0)＝x0，分段曲线终点cn(te)＝xe。分段曲线cn(t)需要满足的约束条件中ck(t)为连续函数，即为连续函数。
[0012]
作为优选，所述贝塞尔曲线的计算公式为：其中，d为贝塞尔阶数；k为曲线段索引值；s为时间归一化的量，0≤s≤1；b
i,d
(s)为伯恩斯坦基函数(bernstein basis polynomials)，定义如下：其中，从的定义可以看出，每一段曲线都是一个d阶的贝塞尔曲线，是平滑的曲线，对该曲线进行求导或积分计算可以得到平滑变化的位置、速度、加速度和加加速度曲线，用于进行平稳舒适的车辆控制。
[0013]
一种基于曲线拟合的车道偏离辅助系统，包括信息采集模块、信息处理模块和控制模块，所述信息采集模块、信息处理模块和控制模块依次连接，所述信息采集模块包括车道线、障碍物信息采集单元和车身信息采集单元，所述信息处理模块包括数据融合单元和数据处理单元，所述控制模块包括报警单元和转向控制单元，所述信息处理模块还包括规划单元，所述规划单元采用权利要求1至8任一项所述的一种基于曲线拟合的车道偏离辅助方法，所述规划单元按照与所述控制模块约定的接口协议，将步骤s3或步骤s6转化获得的接口信息作为控制模块的输入。本发明提供一种基于曲线拟合的车道偏离辅助系统，在现有的车道偏离辅助系统(lka)信息处理模块内增设规划单元，由于传给控制模块的纠偏数据经过规划单元的规划平滑处理，控制参数平滑变化，使得控制模块能够进行平稳的车辆控制，有效提高乘客的舒适性，简化处理过程。具体过程为：车辆偏离辅助系统的信息采集模块的车道线、障碍物信息采集单元通过雷达、摄像头等传感器采集车道线、障碍物信息，车身信息采集单元通过can总线采集车身信息，然后信息采集模块将采集到的信息传给信息处理模块，通过信息处理模块内的数据融合单元和数据处理单元处理后，再经过规划单元的规划平滑处理，即采用贝塞尔曲线拟合的方式计算获得平滑变化的纠偏轨迹曲线，再对纠偏轨迹曲线进行求导或积分计算，获得平滑变化的位置、速度、加速度和加加速度曲线，然后按照与控制模块约定好的接口协议，将曲线信息转化，转化获得的接口信息作为控制模块的输入，控制模块根据获得的接口信息判断是否进行纠偏操作，如果需要进行纠偏操作，则控制报警单元报警，以提示驾驶员；控制转向控制单元进行自动转向干预，这样的设计使得车辆纠偏转向控制高效、平稳、舒适。
[0014]
因此，本发明的优点是：采用贝塞尔曲线拟合的方式计算获得纠偏轨迹曲线，由于纠偏轨迹曲线经过规划处理，控制参数平滑变化，使得控制模块能够进行平稳舒适的车辆纠偏转向控制，有效提高乘客的舒适性，并且整个处理过程简单。
附图说明
[0015]
图1是本发明实施例中一种基于曲线拟合的车道偏离辅助方法的结构示意图。
[0016]
图2是本发明实施例中一种基于曲线拟合的车道偏离辅助系统的结构示意图。
[0017]
1、信息采集模块11、车道线、障碍物信息采集单元12、车身信息采集单元2、信息处理模块21、数据融合单元22、数据处理单元23、规划单元3、控制模块31、报警单元32、转向控制单元。
具体实施方式
[0018]
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
[0019]
如图1所示，一种基于曲线拟合的车道偏离辅助方法，包括以下步骤：步骤s1)目标轨迹离散化；步骤s2)目标轨迹平滑处理；步骤s3)车道偏离检测，若偏离，执行步骤s4；若不偏离，直接将检测信息转化成接口信息输出；步骤s4)计算拟合曲线的起点和终点；步骤s5)采用贝塞尔曲线拟合的方式进行起点与终点之间曲线的平滑轨迹计算，获得纠偏轨迹曲线；步骤s6)将步骤s5获得的纠偏轨迹曲线信息转化，将转化获得的接口信息输出。本发明提供了一种基于曲线拟合的车道偏离辅助方法，采用贝塞尔曲线拟合的方式规划出一条平滑的纠偏轨迹曲线，然后将纠偏轨迹信息传给车道偏离辅助系统的控制模块3进行平滑稳
定的车辆控制，保证控制参数平滑变化。具体过程为：首先根据需求进行计算获取目标轨迹，需求多种多样，比如车辆驶离左侧车道线时进行纠偏，将车辆控制在距离左侧车道线的某个具体距离值内，此虚拟的目标轨迹参考线与车道线平行，然后对目标轨迹参考线进行离散化处理；接着采用样条曲线拟合的方式对获得的离散化目标轨迹参考线进行平滑处理；然后检测车道偏离数据，包括车辆距离车道线的距离和车辆驶离车道时间，将检测获得的车辆距离车道线的距离与设定的距离阈值比较，车辆驶离车道时间与设定的时间阈值比较，根据比较结果判断车辆是否偏离车道，若否，直接将检测获得的数据转化成接口信息输出至车道偏离辅助系统的控制模块3；若是，采用贝塞尔曲线拟合的方式计算获得平滑变化的纠偏轨迹，先计算贝塞尔曲线的起点和终点，起点为当前时刻车身位姿点，终点为目标轨迹上的某个点，这两个点包含位置、速度、加速度、加加速度信息，然后对贝塞尔曲线进行求导或积分运算，获得平滑变化的位置、速度、加速度、加加速度曲线；最后按照约定好的接口协议，将通过贝塞尔曲线拟合方式规划处理获得的平滑的纠偏轨迹曲线信息转化，转化获得的接口信息传送给控制模块3。控制模块3根据接收到的接口信息判断是否进行纠偏操作，若需要进行纠偏操作，则控制报警单元31报警，控制转向控制单元32按照平滑的纠偏轨迹曲线进行车辆转向干预，由于纠偏轨迹曲线经过规划处理，控制参数平滑变化，使得转向纠偏控制平稳。除了贝塞尔曲线拟合方式以外，本发明还可以通过多项式方式进行曲线拟合。
[0020]
步骤s5中，每个时刻的车辆状态表示为：其中，x为车辆状态量，p表示车辆位置，v表示车辆速度，a表示车辆加速度，j表示车辆加加速度。在进行贝塞尔曲线拟合获得纠偏轨迹曲线时，需要先定义每个时刻的车辆状态，本发明用上述车辆状态量表示。
[0021]
步骤s5中，纠偏轨迹曲线用分段曲线cn(t)表示，定义分段曲线cn(t)为：其中，当t∈[0,te]时，分段曲线需要满足以下约束条件：ck(t)为连续函数；分段曲线起点cn(0)＝x0，分段曲线终点cn(te)＝xe。分段曲线cn(t)需要满足的约束条件中ck(t)为连续函数，即为连续函数。
[0022]
贝塞尔曲线的计算公式为：
其中，d为贝塞尔阶数；k为曲线段索引值；s为时间归一化的量，0≤s≤1；b
i,d
(s)为伯恩斯坦基函数(bernstein basis polynomials)，定义如下：其中，从的定义可以看出，每一段曲线都是一个d阶的贝塞尔曲线，是平滑的曲线，对该曲线进行求导或积分计算可以得到平滑变化的位置、速度、加速度和加加速度曲线，用于进行平稳舒适的车辆控制。
[0023]
如图2所示，一种基于曲线拟合的车道偏离辅助系统，包括信息采集模块1、信息处理模块2和控制模块3，信息采集模块1、信息处理模块2和控制模块3依次连接，信息采集模块1包括车道线、障碍物信息采集单元11和车身信息采集单元12，信息处理模块2包括数据融合单元21和数据处理单元22，控制模块3包括报警单元31和转向控制单元32，信息处理模块2还包括规划单元23，规划单元23采用权利要求1至8任一项的一种基于曲线拟合的车道偏离辅助方法，规划单元23按照与控制模块3约定的接口协议，将步骤s3或步骤s6转化获得的接口信息作为控制模块3的输入。本发明提供一种基于曲线拟合的车道偏离辅助系统，在现有的车道偏离辅助系统(lka)信息处理模块2内增设规划单元23，由于传给控制模块3的纠偏数据经过规划单元23的规划平滑处理，控制参数平滑变化，使得控制模块3能够进行平稳的车辆控制。具体过程为：车辆偏离辅助系统的信息采集模块1的车道线、障碍物信息采集单元11通过雷达、摄像头等传感器采集车道线、障碍物信息，车身信息采集单元12通过can总线采集车身信息，然后信息采集模块1将采集到的信息传给信息处理模块2，通过信息处理模块2内的数据融合单元21和数据处理单元22处理后，再经过规划单元23的规划平滑处理，即采用贝塞尔曲线拟合的方式计算获得平滑变化的纠偏轨迹曲线，再对纠偏轨迹曲线进行求导或积分计算，获得平滑变化的位置、速度、加速度和加加速度曲线，然后按照与控制模块3约定好的接口协议，将曲线信息转化，转化获得的接口信息作为控制模块3的输入，控制模块3根据获得的接口信息判断是否进行纠偏操作，如果需要进行纠偏操作，则控制报警单元31报警，以提示驾驶员；控制转向控制单元32进行自动转向干预。