CN107010057A - 用于找到车辆的躲闪轨迹的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于找到车辆的躲闪轨迹的方法。用于在路面(2)上找到用于绕过车辆(1)的障碍物(3,5)的躲闪轨迹的方法包括步骤：a)通过选择时间的正交函数的第一加权总和的加权系数(b⁽⁰⁾ _k)，确定候选轨迹的与路面(2)平行的分量(x)(S3‑S6)；b)通过选择正交函数的第二加权总和的加权系数(c⁽⁰⁾ _k)，确定所述候选轨迹的与路面正交的分量(y)(S3‑S6)；c)计算(S9,S16)所述候选轨迹的优化参数(TTC*)；以及d)当所述优化参数(TTC*)未达到中断标准时，改变(S13)所述总和中的至少一个总和的至少一个系数并且重复步骤c)。

Description

用于找到车辆的躲闪轨迹的方法

技术领域

本发明涉及一种用于找到车辆能够绕过障碍物的躲闪轨迹的方法以及用于执行该方法的部件。

背景技术

从EP 2 141 057 A1中已知一种用于避免车辆与障碍物碰撞的方法和装置。该文献提出了，根据各种传感器的测量信号预测车辆的轨迹，并且在预测的轨迹过于接近障碍物的情况下，向制动控制单元和转向控制单元输出碰撞避免控制信息并输出警告。然而，如何能够获得碰撞避免控制信息以及如何能够在制动控制单元和转向控制单元中对其进行处理，以便确实避免即将发生的碰撞，仍然悬而未决。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，实现一种方法，其使得能够确实避免与检测到的障碍物发生碰撞。

根据本发明的一种构造，上述技术问题通过如下方式来解决，在用于在路面上找到用于绕过车辆的障碍物的躲闪轨迹的方法中，

a)通过选择时间的正交函数的第一加权总和的加权系数，确定候选轨迹的与路面平行的分量；

b)通过选择正交函数的第二加权总和的加权系数，确定所述候选轨迹的与路面垂直的分量；

c)计算所述候选轨迹的优化参数；以及

d)当所述优化参数未达到中断标准时，改变所述总和中的至少一个总和的至少一个系数并且重复步骤c)。

特别是在所述候选轨迹上直到预计的碰撞的时间可以用作优化参数。

中断标准于是适宜地可以是该时间比驶过候选轨迹所需的时间长。

可以设置为，仅当候选轨迹满足以下边界条件中的一个或更多个时，将候选轨迹视为躲闪轨迹：

-遵守车辆的加速度的上限，以考虑通过轮胎和路面之间的摩擦系数限制车辆的(任意哪个方向上的)加速度的事实；

-遵守车辆与障碍物的距离的下限，因为当该距离为0时，在任何情况下碰撞避免都会失败；

-在躲闪轨迹结束时，与路面正交的车辆的速度分量变为零。也就是说，当未成功找到满足该条件的躲闪轨迹时，于是这意味着，虽然可能成功绕过障碍物，但是随后车辆由于其未变为零的横向速度而由路面支承。

可以以不同的方式来考虑这些边界条件。因此，特别是可以通过针对每个候选轨迹计算标量值成本函数，来检查对加速度上限的遵守。

在其它边界条件、特别是涉及躲闪轨迹的末尾的边界条件的情况下，可以一开始就在步骤a)或者b)中，至少对于至少一个系数选择如下的值，该值与其它系数的先前选择的值一起满足边界条件，从而因为不满足边界条件总归不适合作为躲闪轨迹的轨迹，一开始就不会被选择为候选轨迹和被检查。

为了能够系统地寻找有利的躲闪轨迹，有益的是能够将候选轨迹参数化。这可以借助加权系数来进行；将寻找理想或者至少接近理想的躲闪轨迹的问题约简为在多维矢量空间中找到一个点，其中，矢量空间的维数对应于平行和正交分量的加权系数的数量。

平行分量和正交分量分别可以是多项式。特别是考虑三角多项式或者代数多项式，即正交函数是如下形式：的函数，其周期T对应于躲闪轨迹的持续时间，其中，k具有从0到n的整数值，或者其是具有整数指数的幂函数。也称为绝对有理函数的代数多项式由于其简单的可计算性而是优选的。

为了加速找到合适的躲闪轨迹，希望在加权系数中预先有意义地确定尽可能多的加权系数，从而不必对其进行迭代优化。因为当前时刻与路面平行或者正交的车辆的坐标值是已知的(或者可以假设为零)，因此可以将这些坐标值中的至少一个预先给定为多项式中的至少一个的零阶项的系数。

当多项式是代数多项式时，还可以预先给定当前时刻与路面平行或者正交的车辆的坐标值的相对于时间的一阶导数，作为所述多项式中的至少一个的一阶项的系数，换句话说：使用通常通过车速表信号已知的平行于路面的车辆的当前速度和由此在必要时根据方向盘转向角等计算的垂直于路面的当前速度，作为一阶项的系数。

此外，可以预先给定与路面平行或者正交的车辆的坐标值的相对于时间的二阶导数，即直接测量或者根据已知的速度计算的车辆的加速度，作为所述多项式中的至少一个的二阶项的系数。

因此，可以事先将优化问题的维度降低到6。在找到可用的躲闪轨迹或者能够以足够的确定性否定其存在之前必须使用的计算开销由此能够显著减少。

多项式的阶数越高，能够通过多项式越准确地近似任意躲闪轨迹，并且越确定当存在合适的躲闪轨迹时，其也能够被找到。因此，该多项式应当包括至少两个项，其系数在步骤c)中改变。

另一方面，为了限制计算开销，应当在步骤c)中最多改变每个多项式的四个项。

本发明要解决的另一个技术问题是，提供一种用于机动车的驾驶员辅助系统，其能够在危险状况下快速并且可靠地找到合适的躲闪轨迹。

根据本发明的一种构造，上述技术问题通过用于机动车的驾驶员辅助系统来解决，该驾驶员辅助系统具有环境传感器和连接到所述环境传感器的计算单元，用于在由所述环境传感器在车辆的环境中检测到障碍物时，执行上面描述的方法。

计算单元至少可以连接到所述车辆的转向装置，用于使所述车辆沿着所述躲闪轨迹围绕所述障碍物转向。为了在需要时车辆也能够在躲闪轨迹上进行加速和/或制动，优选计算单元还连接到发动机和/或制动控制装置。

本发明的主题还包括：一种计算机程序产品，其包括指令，所述指令在计算机上执行时，使得所述计算机能够执行上面描述的方法，或者作为如上所述的驾驶员辅助系统中的计算单元工作；一种计算机可读数据载体，其上记录有这些指令；以及一种用于驾驶员辅助系统的计算单元，具有：

a)用于通过选择正交函数的第一加权总和的加权系数，确定候选轨迹的与路面平行的分量的部件；

b)用于通过选择正交函数的第二加权总和的加权系数，确定所述候选轨迹的与路面正交的分量的部件；

c)用于计算所述候选轨迹的优化参数的部件；以及

d)用于当所述优化参数未达到中断标准时，改变所述总和中的至少一个的系数并且再次激活部件c)的部件。

附图说明

本发明的其它特征和优点从下面参考附图对实施例的描述中得到。

图1示出了可应用驾驶员辅助系统的典型交通状况；

图2示出了驾驶员辅助系统的框图；以及

图3示出了驾驶员辅助系统的工作方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了机动车1，其配备有根据本发明的驾驶员辅助系统，并且正在路面2、这里为双车道道路上行驶。停靠在道路边的车辆阻挡了机动车1正在行驶的路面2的车道4的一部分，因此成为机动车1必须绕过以避免碰撞的障碍物3。

另一车辆5正在路面2的相对车道6上行驶。当机动车1为了绕过障碍物3向相对车辆6的方向绕道时，不允许由此引起与车辆5的碰撞。

图2示出了驾驶员辅助系统7的框图，机动车1配备有驾驶员辅助系统7。车速表17和环境传感器8、这里为照相机属于驾驶员辅助系统7，照相机对准位于机动车1前面的路面2，不仅用于检测其走向，而且用于检测可能在路面2上存在的障碍物3、例如停靠的车辆。替换地，为了进行障碍物检测，还可以设置雷达传感器。

为了提高借助照相机8对道路走向的识别的可靠性，可以设置本身已知的导航系统9，其提供关于当前行驶的路面2的走向的数据。

方向盘传感器10可以用于检测驾驶员在机动车1的方向盘上设置的角度，并且用于估计由此得到的机动车1的路线；作为补充可以设置加速度传感器11，用于检测机动车1在其路途上经受的车辆纵向和横向方向上的加速度。

计算单元12、一般是微型计算机连接到传感器8,10,11,17和导航系统9。首先在该微型计算机上运行的辅助程序13用于确定机动车1从其在图1中示出的当前位置开始继续移动的预期轨迹。轨迹这里应当理解为多维空间中的曲线，这里至少平行和垂直于路面2的两个位置坐标x和y以及时间坐标属于该空间的坐标。预期轨迹的确定基于车速表17、方向盘传感器10和加速度传感器11关于机动车1目前为止的轨迹提供的数据，如有必要，考虑如从导航系统9和/或照相机8的数据可得出的路面2的进一步走向。

当机动车1最近在路面2上沿直线向前移动，并且路面2的进一步走向(如果已知)指向路面2的进一步直线的走向时，于是辅助程序13在图3的流程图的步骤S1中将在图1中用14标示的直线轨迹确定为预期轨迹。

预期轨迹14通常可以以两个多项式的形式分别对于平行于路面2的坐标x和垂直于其的坐标y表示：

x(t)＝b₀+b₁t+b₂t²+b₃t³+b₄t⁴+b₅t⁵

y(t)＝c₀+c₁t+c₂t²+c₃t³+c₄t⁴+c₅t⁵

其中，对应地假设坐标系x,y随着车辆移动，初始位置(b₀,c₀)不失一般性地可以设置为等于0，(b₁,c₁)和(b₂,c₂)分别给出当前时刻t＝0的机动车1的速度和加速度，并且其余系数可以通过将多项式匹配于借助传感器8,10,11,17确定的机动车在过去的一个时刻的位置或者速度来确定。

基于该预期轨迹14和环境传感器8的数据，辅助程序13检查是否存在机动车1在沿预期轨迹14行驶时可能碰撞的障碍物3(步骤S2)。该检查一方面包括关于在由环境传感器8监视的环境范围内是否存在车辆异物而对环境传感器的当前数据进行分析，另一方面包括借助于环境传感器8过去提供的数据对物体的轨迹进行预测。

对车辆和物体的轨迹的预测在未来相应地持续几秒持续时间的相同的时间段T。当在该预测时间段内在某一时刻车辆和物体之间的距离低于预先给定的极限值一次时，即当基于预测的轨迹，直至碰撞的剩余时间TTC小于T时，确定存在碰撞危险。距离的该极限值可以是0，有利的是具有正值，从而不仅在预测到实际的碰撞时，而是在车辆和物体之间可能不存在安全距离时，就确定存在碰撞危险。

当确定不存在碰撞危险时，本方法返回到起点，在预先给定的等待时间Δt之后以预期轨迹的确定S1重新开始。

在图1中示出的交通状况的情况下，在车辆位于点16时，在步骤S2中识别出存在与停靠的车辆3碰撞的危险。在这种情况下，本方法分支到步骤S3，以首先确定候选躲闪轨迹。与预测轨迹14相同，候选躲闪轨迹包括如下形式的两个多项式：

x(t)＝b⁽⁰⁾ ₀+b⁽⁰⁾ ₁t+b⁽⁰⁾ ₂t²+b⁽⁰⁾ ₃t³+b⁽⁰⁾ ₄t⁴+b⁽⁰⁾ ₅t⁵

y(t)＝c⁽⁰⁾ ₀+c⁽⁰⁾ ₁t+c⁽⁰⁾ ₂t²+c⁽⁰⁾ ₃t³+c⁽⁰⁾ ₄t⁴+c⁽⁰⁾ ₅t⁵

当坐标在车辆固定的坐标系中给出时，在S3中将零阶系数b⁽⁰⁾ ₀,c⁽⁰⁾ ₀用值0初始化。

在S4中将1阶系数b⁽⁰⁾ ₁用由车速表17检测到的车辆的纵向速度v_x初始化。根据由方向盘传感器10检测到的转弯角度计算车辆的当前道路的曲率半径r，并且据此并根据纵向速度v_x计算当前横向速度v_y，并设置为系数c⁽⁰⁾ ₁。

在步骤S5中，可以将由传感器11检测到的行驶方向上的和与其垂直的加速度a_x,a_y设置为系数b⁽⁰⁾ ₂,c⁽⁰⁾ ₂；替换地，存在如下可能性：其通过对在不同的时间获得的纵向和横向速度v_x,v_y的值进行数值求导来计算。

对于剩余的系数b⁽⁰⁾ ₃,b⁽⁰⁾ ₄,b⁽⁰⁾ ₅,c⁽⁰⁾ ₃,c⁽⁰⁾ ₄,c⁽⁰⁾ ₅，在步骤S6中设置初始值；其对于下面称为自由变量的系数例如可以是固定地预先给定的，或者可以是在预先给定的有限区间内随机选择的结果。

在选择系数的初始值时，考虑边界条件；例如当这些边界条件中的一个是在躲闪动作结束时与行驶道路平行的方向上的加速度应当为0时，于是在系数b⁽⁰⁾ ₃,b⁽⁰⁾ ₄,b⁽⁰⁾ ₅中仅两个能自由选择，第三个、优选b⁽⁰⁾ ₅因此依据其它两个系数来计算，使得满足如下边界条件：

对于垂直于行驶道路的运动，可以遵守两个边界条件，即在躲闪机动结束时横向于行驶道路的坐标y(T)为0，也就是说，车辆按照规定再次位于其原始的行驶车道上，以及横向速度v_y＝0。这里，可以在自由选择这些系数中的一个、例如c⁽⁰⁾ ₃之后，通过这些边界条件来确定其它两个系数c⁽⁰⁾ ₄,c⁽⁰⁾ ₅。

对于系数的恰当选择，在步骤S7中计算成本函数。成本函数包含至少一个如下形式的相加数：

其提供车辆在从t＝0至t＝T的候选轨迹的持续时间期间经受的加速度的最大值的度量。当A超过由车轮在行驶道路上的摩擦系数预先给定的极限值a_max时，于是候选轨迹包含这样的位置，在该位置上需要的车辆的加速度超过物理上可能的度量，因此车辆不能驶过该位置。在S8中丢弃这种候选轨迹。

当能够沿候选轨迹行驶时，在步骤S9中基于该候选轨迹重新估计直到碰撞为止剩余的时间TTC*。在此，考虑在候选轨迹上虽然可能能够避免与车辆3发生碰撞，但是替代地新出现了与车辆5发生碰撞的可能性。当时间TTC*比T长(S10)时，则视为消除了碰撞危险，并且将候选轨迹视为适合于绕过障碍物3和5的躲闪轨迹，并且计算单元12控制一个或更多个调整机构22，以便对转向、制动和发动机产生影响，以沿躲闪轨迹行驶(S11)。

当在S9中估计的时间TTC*比在步骤S1中获得的时间TTC短或者正好一样长时，则本方法返回到步骤S6，以便对可变的系数b⁽⁰⁾ ₃,b⁽⁰⁾ ₄,b⁽⁰⁾ ₅,c⁽⁰⁾ ₃,c⁽⁰⁾ ₄,c⁽⁰⁾ ₅确定新的初始值。

如果相反在S9中估计的时间TTC*比在步骤S1中获得的时间TTC长(S12)，则可以从基于该估计的系数的组合出发，寻找进一步更好的组合。这例如可以通过如下方式来实现：从可自由改变的系数中相应地选择一个系数并且增加或者减小预先给定的增量，并且再次调整相关地可变的系数，使得满足边界条件(S13)，然后在获得的系数组中保留对应于加速度<a_max的候选轨迹并且提供TTC*的最大值的系数组，作为新的系数组b⁽¹⁾ ₃,b⁽¹⁾ ₄,b⁽¹⁾ ₅,c⁽¹⁾ ₃,c⁽¹⁾ ₄,c⁽¹⁾ ₅(S14,S15)。

在步骤S16中，再次检查保留的候选轨迹的值TTC*⁽ⁱ⁾(i＝1,2,…)是否>T，当是时，控制躲闪轨迹。否则在S17中检查TTC*⁽ⁱ⁾是否至少大于在紧接在前的迭代中在步骤S14中获得的或者在i＝1的情况下在步骤S9中获得的值TTC*^(i-1)。

如果是这种情况，则本方法返回到步骤S13。

如果不是这种情况，并且同时i达到了预先给定的最小值，则本方法回复不存在合适的躲闪轨迹的消息(S18)。

如果不是这种情况，并且未达到i的最小值，则本方法返回到步骤S13，但是减小在步骤S13中使用的增量。

根据一种扩展方案，计算单元12在车辆1在当前时刻t＝0位于点16时，不仅对于从该点16开始提供的候选轨迹执行，而且对于例如在预测轨迹14继续前进时从未来到达的点18才开始的这些候选轨迹、例如19执行。当在检查这些候选轨迹时，因为到达了步骤S18，也就是说，从点18开始不存在合适的躲闪轨迹时，则意味着不再存在等待驾驶员介入的可能性，并且当存在从点16开始的躲闪轨迹时，计算单元12必须介入，以沿躲闪轨迹行驶，因此避免即将发生的碰撞。

应当理解，虽然前面的详细描述和附图示出了本发明的特定示例性实施方式，但是其应当被视为仅用于进行说明，而不应当被解释为限制本发明的范围。可以对所描述的实施方式进行多种变形，而不脱离所附的权利要求的范围和等同范围。特别是从本说明书和附图中还得知在权利要求中未提及的实施例的特征。这些特征还可以在与这里具体公开的不同的组合中出现。因此，这些特征中的多个在同一个句子中或者在另一种文本关系中一起提及的事实，不证明其仅能够在具体公开的组合中出现的结论是正确的；替代地通常假设也可以单独地省略这些特征中的多个或者对其进行变形，只要这不影响本发明的功能即可。

附图标记列表

1 机动车

2 路面

3 障碍物

4 车道

5 车辆

6 相对车道

7 驾驶员辅助系统

8 环境传感器

9 导航系统

10 方向盘传感器

11 加速度传感器

12 计算单元

13 辅助程序

14 预期轨迹

15 躲闪轨迹

16 点

17 车速表

18 点

19 候选轨迹

Claims (16)

1.一种用于在路面(2)上找到用于绕过车辆(1)的障碍物(3,5)的躲闪轨迹的方法，具有步骤：

a)通过选择时间的正交函数的第一加权总和的加权系数(b⁽⁰⁾ _k)，确定候选轨迹的与路面(2)平行的分量(x)(S3-S6)；

b)通过选择正交函数的第二加权总和的加权系数(c⁽⁰⁾ _k)，确定所述候选轨迹的与路面正交的分量(y)(S3-S6)；

c)计算(S9,S16)所述候选轨迹的优化参数(TTC*)；以及

d)当所述优化参数(TTC*)未达到中断标准时，改变(S13)所述总和中的至少一个总和的至少一个系数并且重复步骤c)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述优化参数(TTC*)是在所述候选轨迹上直到预计的碰撞的时间。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，仅当候选轨迹满足以下边界条件中的一个或更多个时，将候选轨迹视为躲闪轨迹(S6,S7,S8)：

-遵守所述车辆的加速度的上限；

-遵守所述车辆与所述障碍物的距离的下限；

-在躲闪轨迹结束时，与所述路面正交的车辆的速度分量变为零。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，基于所述边界条件中的至少一个，计算标量值成本函数(S7)。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，在步骤a)或者b)中，至少对于至少一个系数选择如下的值(S6)，该值与其它系数的先前选择的值一起满足至少一个边界条件。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述平行分量和所述正交分量是多项式。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，预先给定当前时刻与路面平行或者正交的车辆(1)的坐标值，作为所述多项式中的至少一个多项式的零阶项(b⁽⁰⁾ ₀,c⁽⁰⁾ ₀)的系数(S3)。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，所述多项式是代数多项式。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，预先给定当前时刻与路面(2)平行或者正交的车辆的坐标值的相对于时间的一阶导数，作为所述多项式中的至少一个多项式的一阶项(b⁽⁰⁾ ₁,c⁽⁰⁾ ₁)的系数(S4)，和/或预先给定当前时刻与路面平行或者正交的车辆的坐标值的相对于时间的二阶导数，作为所述多项式中的至少一个多项式的二阶项(b⁽⁰⁾ ₂,c⁽⁰⁾ ₂)的系数(S5)。

10.根据权利要求7项所述的方法，其中，每个多项式包括至少两个项(b⁽⁰⁾ ₃,b⁽⁰⁾ ₄,b⁽⁰⁾ ₅,c⁽⁰⁾ ₃,c⁽⁰⁾ ₄,c⁽⁰⁾ ₅)，其系数在步骤d)中改变(S13)。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，在步骤d)中(S13)最多改变每个多项式的四个项。

12.一种用于机动车的驾驶员辅助系统，具有环境传感器(8)和连接到所述环境传感器(8)的计算单元(12)，用于在由所述环境传感器(8)在车辆(1)的环境中检测到障碍物(3,5)时，执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。

13.根据权利要求12所述的驾驶员辅助系统，其中，所述计算单元(12)连接到所述车辆的转向装置，用于使所述车辆沿着所述躲闪轨迹(15)围绕所述障碍物(3,5)转向。

14.一种计算机程序产品，其包括指令，所述指令在计算机上执行时，使得所述计算机能够执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法，或者作为根据权利要求12至13中任一项所述的驾驶员辅助系统中的计算单元(12)工作。

15.一种计算机可读数据载体，其上记录有指令，所述指令使得计算机能够执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法，或者作为根据权利要求12至13中任一项所述的驾驶员辅助系统中的计算单元(12)工作。

16.一种用于驾驶员辅助系统的计算单元，具有：

a)用于通过选择正交函数的第一加权总和的加权系数，确定候选轨迹的与路面平行的分量的部件；

b)用于通过选择正交函数的第二加权总和的加权系数，确定所述候选轨迹的与路面正交的分量的部件；

c)用于计算所述候选轨迹的优化参数的部件；以及

d)用于当所述优化参数未达到中断标准时，改变所述总和中的至少一个的系数并且再次激活部件c)的部件。