本发明涉及车辆辅助驾驶领域，特别涉及一种方向盘离手检测方法及车道保持辅助驾驶系统。
背景技术：
目前，车道保持辅助驾驶系统被为一种用于降低方向盘转向力的方法，以确保转向状态的稳定，在汽车领域被广泛应用。在实际工况中，车道保持辅助驾驶功能开启时通常需要根据方向盘离手还是在手状态的检测结果判断驾驶员接管意图。
相关技术中，一些是通过电容方向盘来直接判断驾驶员对方向盘的离手或在手状态，但成本很高；另一些通过在转向机加装扭矩传感器并通过分析手力矩大小及其变化率来进行判断，但该方法容易受到外界影响，无法保证结果的准确度，同时加装的扭矩传感器也增加了额外的成本。从判断算法的角度分析研究得到，目前仅在时域内对信号进行处理和判断，算法的分析维度较为单一，容易出现误判。
技术实现要素：
本发明实施例提供一种方向盘离手检测方法及车道保持辅助驾驶系统，以解决相关技术中的缺陷，通过时域分析和频域分析相结合的方式，可直接根据电液转向机提供的手力矩信号进行分析，节省了成本的同时还提高了对方向盘离手和在手状态判断结果的精度。
第一方面，提供了一种方向盘离手检测方法,其包括：获取手力矩信号；对所述手力矩信号进行加窗处理后得到窗口数据；对所述窗口数据进行频域分析并计算低频信号能量和值；对所述窗口数据进行时域分析并计算信号均方差和信号极值差；根据所述低频信号能量和值、信号均方差以及信号极值差判断驾驶员对方向盘是否处于离手状态，若是则抑制车道保持辅助驾驶功能。
一些实施例中，所述对所述手力矩信号进行加窗处理后得到窗口数据，包括：对所述手力矩信号加载滑动窗口；根据所述滑动窗口的长度和加载时间点获取窗口数据。
一些实施例中，所述对所述窗口数据进行频域分析并计算出低频信号能量和值，包括：运用快速傅里叶函数对所述窗口数据进行处理，得到所述窗口数据的快速傅里叶变换值；根据所述快速傅里叶变换值和所述滑动窗口的长度计算低频信号能量和值。
一些实施例中，所述运用快速傅里叶函数对所述窗口数据进行处理，得到所述窗口数据的快速傅里叶变换值，包括：所述快速傅里叶变换函数公式为：
z＝fft(trq)，
其中，trq为所述窗口数据，z为窗口数据的快速傅里叶变换值，fft为快速傅里叶变换函数。
一些实施例中，所述根据所述快速傅里叶变换值和所述滑动窗口的长度计算低频信号能量和值，包括：根据第一公式计算所述窗口数据的频率间隔δf，所述第一公式为：
根据第二公式计算0到f1频率范围内选取的数据点的数量n，
所述第二公式为：
根据第三公式计算所述低频信号能量和值p，所述第三公式为：
一些实施例中，对所述窗口数据进行时域分析并计算信号均方差和信号极值差，包括：利用平均值公式计算所述信号平均值；
所述平均值公式为：
根据所述信号平均值和均方差公式计算信号均方差；
所述均方差公式为：
计算所述窗口数据的极大值和极小值；根据所述极大值和极小值计算信号极值差。
一些实施例中，根据所述低频信号能量和值、信号均方差以及信号极值差判断驾驶员对方向盘是否处于离手状态，包括：设置能量阈值a、均方差阈值b以及极值差阈值c；当所述低频信号能量和值小于或等于能量阈值a且所述信号均方差小于或等于均方差阈值b且信号极值差小于或等于极值差阈值c时，判断驾驶员对方向盘处于离手状态。
一些实施例中，所述一种方向盘离手检测方法还包括，判断主动车道保持功能是否处于触发状态，若是，则开启车道保持辅助驾驶功能。
第二方面，提供了一种车道保持辅助驾驶系统，其包括：电液转向机，其与方向盘相连；控制器，其与所述电液转向机相连，且所述控制器用于：从所述电液转向机获取手力矩信号；对所述手力矩信号进行加窗处理后得到一组窗口数据；对所述窗口数据进行频域分析并计算低频信号能量和值；对所述窗口数据进行时域分析并计算信号均方差和信号极值差；根据所述低频信号能量和值、信号均方差以及信号极值差判断驾驶员对方向盘是否处于离手状态，且若驾驶员对方向盘处于离手状态则发出离手警告信号。
在一些实施例中，所述系统还包括通过can总线与所述控制器相连的多个传感器、翘板开关和仪表显示屏；所述传感器用于采集车辆距离车道线的相对距离、方向盘转角信号和车速；所述控制器还用于在所述翘板开关触发时，开启车道保持辅助驾驶功能；仪表显示屏，其用于当驾驶员对方向盘处于离手状态时进行离手警告。
本发明提供的技术方案带来的有益效果包括：
本发明实施例提供了一种方向盘离手检测方法，通过直接对加窗后的手力矩信号进行时域分析和频域分析相结合的方式，可减少误判，提高对方向盘离手和在手状态判断结果的精度。同时还避免了额外加装电容传感器或其他传感装置，节省了成本。本发明实施例还提供了一种车道保持辅助驾驶系统，其内集成有用于实施上述方向盘离手检测方法的车道保持辅助驾驶系统控制器。从而使用该车道保持辅助驾驶系统能够在更精准的判断驾驶员对方向盘的离手和在手状态后控制车道保持辅助驾驶功能的开启，提升系统性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种方向盘离手检测方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的滑动窗口示意图；
图3为本发明实施例提供的一种方向盘离手检测方法中判断驾驶员对方向盘是否处于离手状态的流程示意图
图4为本发明实施例提供的一种车道保持辅助驾驶系统的示意图；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。
如图1所示，本发明实施例提供了一种方向盘离手检测方法，其包括步骤：
步骤s10:获取手力矩信号；
步骤s20:对手力矩信号进行加窗处理后得到窗口数据；
步骤s30:对窗口数据进行频域分析并计算低频信号能量和值；
步骤s40:对窗口数据进行时域分析并计算信号均方差和信号极值差；
步骤s50:根据低频信号能量和值、信号均方差以及信号极值差判断驾驶员对方向盘是否处于离手状态，若是则抑制车道保持辅助驾驶功能。
需要说明的是，上述步骤中提到的手力矩信号是指由车辆中安装的电液转向机直接从方向盘采集得到的驾驶员对方向盘的手力矩信号。
可以理解的是，步骤s20中所述的加窗处理是指对获取的手力矩信号截取一定长度的信号，用以进行后续的分析。
在实际工况中，由于电液转向机采集到的手力矩信号是一个持续且变化的信号，步骤s30和步骤s40中的分析都是对手力矩信号截取后的信号(即加窗信号)进行的。
通过上述实施例，能解决相关技术中的缺陷，通过时域分析和频域分析相结合的方式，可直接根据电液转向机提供的手力矩信号进行分析，节省了成本的同时还提高了对方向盘离手和在手状态判断结果的精度。
在一个实施例中，步骤s20还包括：
步骤s201：对手力矩信号加载滑动窗口；
步骤s202：根据滑动窗口的长度和加载时间点获取窗口数据。
具体的，如图2所示，滑动窗口的窗口长度设置为w，即采集w个数据进行后续分析。可优选的，设置w为256。设置滑动步长为s，其表示滑动窗口的截取周期，即间隔s个采样点更新一次窗口数据。可优选的，设置s为1。通过加载滑动窗口可以在每次窗口更新时，截取w个采样点作为后续用于分析的窗口数据。若当前采样点为n2，则当前加窗数据范围为n1、n2及其之间的采样点，即为窗口2。在采样点n2和n3之间时，加窗数据仍然保持为窗口2，当采样点进行到n3时，采样窗口则更新为窗口3。
本实施例提供了一种方向盘离手检测方法，具体提供了一种加窗处理手力矩信号的策略。由于实际电液转向机采集到的手力矩信号是一个持续且变化的信号，因此加载滑动窗口，可以对持续变化的手力矩信号进行实时截取，为后续分析提供实时准确的信号数据。需要说明的是，上述图2所示的加窗策略并非实现本实施例效果的唯一方式，而是仅为说明该实施例而展示的一种情况。
在一个实施例中，步骤s30还包括：
步骤s301：运用快速傅里叶函数对窗口数据进行处理，得到窗口数据的快速傅里叶变换值；
步骤s302：根据快速傅里叶变换值和所述滑动窗口的长度计算低频信号能量和值。
本实施例提供了一种方向盘离手检测方法，具体提供了一种对手力矩信号进行频域分析的策略，该策略是通过运用快速傅里叶函数进行运算并最终获得窗口数据的能量和值。在实际工况下，当驾驶员对方向盘处于离手状态时，驾驶员手力矩信号主要为白噪声，频率分布广，幅值低；当驾驶员对方向盘处于在手状态时，驾驶员手力矩信号主要为驾驶员对方向盘施加的低频力矩，且该低频力矩幅值远大于离手状态下由于白噪声产生的力矩幅值。因此可以通过提取快速傅里叶变换后的低频信号能量来有效的判断驾驶员对方向盘处于离手状态还是在手状态。相对于目前的分析策略只通过时域的方式来进行离手状态和在手状态的判断，本实施例提供的频域分析方式能够提供判断结果的精度。
具体的，步骤s301包括：
步骤s301a:快速傅里叶变换函数公式为：
z＝fft(trq)，
其中，trq为对手力矩信号求得的窗口数据，z为窗口数据的快速傅里叶变换值,z的长度为窗口数据的长度，fft为快速傅里叶变换函数。
步骤s302包括：
步骤s302a:根据第一公式计算窗口数据的频率间隔δf，其中，第一公式为：
步骤s302b:设定截取的低频信号的频率上限f1，并根据第二公式计算0到f1频率范围内选取的数据点的数量n，其中，第二公式为：
步骤s302c:根据第三公式计算低频信号能量和值p，其中，第三公式为：
需要说明的是，tdata为手力矩信号的更新周期，实际为电液转向机获取手力矩信号时所采用的更新周期，一般情况下约为10ms。
具体的，假定w为100，即加窗处理后得到的窗口数据为100个数据，因此窗口数据的快速傅里叶变换值z也是100个数据，δf＝1/0.01/100＝1hz,即可理解为快速傅里叶变换值z中的100个数据对应的频率的间隔为1hz，该频谱图的起点为0hz，其中，z(0)为频率为0hz的信号的幅值，z(1)为1hz的信号幅值，z(2)为2hz的信号幅值，依次类推，快速傅里叶变换值z实际为不同频率下的信号成分的幅值。根据实际工况下驾驶员手力矩信号为低频段的信号，可设定f1为5hz，由于δf为1hz，可求得n为5，k的取值范围为0至5，在0-f1范围内可截取z(0)至z(5)6个点作为窗口数据进行数据分析。
在另一个实施例中，假设设定w＝200，则可求得δf为0.5hz，n为10，k的取值范围为0至10，因此，在0-f1范围内可截取z(0)至z(10)11个点作为窗口数据进行数据分析。特别地，当w为256时，求得的n为11.6，不是整数，则可以采取舍零法只取整数的部分，即n取11。
本实施例提供了一种方向盘离手检测方法，具体提供了一种具体运用频域分析法对手力矩信号进行分析的策略，通过运用快速傅里叶函数求得窗口数据的快速傅里叶变换值，并可以通过设置参数n、参数f1针对不同的应用场景和工况进行精准的信号频率截取和计算，从而提高策略的判断精度。
在一个实施例中，步骤s40包括：
步骤s401：利用平均值公式计算所述信号平均值，
其中，平均值公式为
，其中，trq(k)为窗口数据中的第k个数据,在计算过程中k的取值范围从0到w,avrg为信号平均值；
步骤s402：根据所述信号平均值和均方差公式计算信号均方差，其中均方差公式为
步骤s403：计算窗口数据的极大值和极小值。
步骤s404：根据极大值和极小值计算信号极值差。
需要说明的是，步骤s404中信号极值差可通过下列公式得到：tdeta＝|tmax-tmin|，其中，
tmax＝max(trq)，
tmin＝min(trq)，max(trq)为窗口数据的极大值，min(trq)为窗口数据的极小值。
本实施例提供了一种方向盘离手检测方法，具体提供了一种对加窗后的手力矩信号进行时域分析的方法。在实际工况下车辆直线行驶时，驾驶员对方向盘在手时的手力矩信号约在±2nm范围内进行波动。车辆转向时，手力矩信号会更大。当驾驶员对方向盘脱手时，手力矩信号正常波动范围在±0.3nm范围内波动。因此，通过统计窗口数据(即手力矩信号进行加窗处理后的数据)的均方差值和极值差可有效判断驾驶员对方向盘是在手状态还是离手状态。
在一个实施例中，步骤s50包括：
步骤s501：设置能量阈值a、均方差阈值b以及极值差阈值c；
步骤s502：当低频信号能量和值小于或等于能量阈值a且所述信号均方差小于或等于均方差阈值b且信号极值差小于或等于极值差阈值c时，判断驾驶员对方向盘处于离手状态。
需要说明的是，可以通过实际道路测试和台架测试设置能量阈值a、均方差阈值b以及极值差阈值c。
如图3所示，当低频信号能量和值p大于设定的能量阈值a或信号均方差var大于设定的均方差阈值b或信号极值差tdeta大于设定的极值差阈值c时，表明窗口数据在低频部分有较大的力矩出现，判断驾驶员对方向盘处于在手状态；反之，当低频信号能量和值p小于或等于设定的能量阈值a且信号均方差var小于或等于设定的均方差阈值b且信号极值差tdeta小于或等于设定的极值差阈值c时，可以判断驾驶员对方向盘处于离手状态。
本实施例提供了一种方向盘离手检测方法，具体提供了一种判断驾驶员对方向盘是否处于离手状态的方法，该方法综合了频域分析和时域分析得到的结果，即低频信号能量和值、信号均方差以及信号极值差，以该结果为依据来判断驾驶员对方向盘是否处于离手状态，可以有效减少误判，提高判断结果的准确度。
在一些实施例中，还包括步骤：
步骤s60:判断主动车道保持功能是否处于触发状态，若是，则开启车道保持辅助驾驶功能。
本实施例提供了一种方向盘离手检测方法，可依据主动车道保持功能的状态来进行控制。可以理解的是主动车道保持功能是由驾驶员主动控制的，因此该方法可以根据驾驶员的主动控制进行判断是否开启车道保持辅助驾驶功能。
如图4所示，本发明的实施例还提供了一种车道保持辅助驾驶系统，电液转向机，其与方向盘相连；控制器，其与电液转向机相连，且控制器用于：从电液转向机获取手力矩信号；对手力矩信号进行加窗处理后得到一组窗口数据；对窗口数据进行频域分析并计算低频信号能量和值；对窗口数据进行时域分析并计算信号均方差和信号极值差；根据低频信号能量和值、信号均方差以及信号极值差判断驾驶员对方向盘是否处于离手状态，且若驾驶员对方向盘处于离手状态则发出离手警告信号。
可以理解的是，所述控制器可用于实现车道保持辅助驾驶功能，其与整车通讯以获取车辆运行状态信息，并根据所述车辆运行状态信息发出控制信号以控制车道保持辅助驾驶功能的启闭；所述的电液转向机可采集和输出手力矩信号及车道线信息，同时根据所述车道保持辅助驾驶系统控制器发出的控制信号校正方向盘转角。
需要说明的是所述的控制信号包括车道保持辅助驾驶功能的启闭指令以及具体的控制指令，比如方向盘要打多少度；车辆运行状态信息包括车辆距离车道线的相对距离、方向盘转角信号、手力矩信号及车速等。
如图4所示，在一些实施例中，所述系统还包括通过can总线与所述控制器相连的多个传感器、翘板开关和仪表显示屏；所述传感器用于采集车辆距离车道线的相对距离、方向盘转角信号和车速；所述控制器还用于在所述翘板开关触发时，开启车道保持辅助驾驶功能；仪表显示屏，其用于当驾驶员对方向盘处于离手状态时进行离手警告。
在一些实际工况中，当车辆非预期的偏向车道线时，车道保持辅助驾驶系统计算需求方向盘转角并发出控制信号给电液转向机，由电液转向机纠正车辆行进方向。车道保持辅助驾驶系统作为辅助驾驶功能，需要在驾驶员主动控制车辆的前提下可以通过翘板开关实现控制。车道保持辅助驾驶系统通过其内部集成的一种离手检测方法，可以根据电液转向机输出的驾驶员的手力矩信号来判断驾驶员对方向盘处于离手状态或者在手状态；若判断驾驶员对方向盘处于离手状态时，车道保持辅助驾驶系统输出控制信号，以抑制车道保持辅助驾驶功能。仪表显示屏接受到抑制车道保持辅助驾驶功能的控制信号后，可提醒驾驶员握住方向盘。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的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申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
1.一种方向盘离手检测方法，其特征在于，其包括：
获取手力矩信号；
对所述手力矩信号进行加窗处理后得到一组窗口数据；
对所述窗口数据进行频域分析并计算低频信号能量和值；
对所述窗口数据进行时域分析并计算信号均方差和信号极值差；
根据所述低频信号能量和值、信号均方差以及信号极值差判断驾驶员对方向盘是否处于离手状态。
2.如权利要求1所述的一种方向盘离手检测方法，其特征在于，所述对所述手力矩信号进行加窗处理后得到一组窗口数据，包括：
对所述手力矩信号加载滑动窗口；
根据所述滑动窗口的长度和加载时间点获取窗口数据。
3.如权利要求2所述的一种方向盘离手检测方法，其特征在于，
所述对所述窗口数据进行频域分析并计算出低频信号能量和值，包括：
运用快速傅里叶函数对所述窗口数据进行处理，得到所述窗口数据的快速傅里叶变换值；
根据所述快速傅里叶变换值和所述滑动窗口的长度计算低频信号能量和值。
4.如权利要求3所述的一种方向盘离手检测方法，其特征在于，
所述运用快速傅里叶函数对所述窗口数据进行处理，得到所述窗口数据的快速傅里叶变换值，包括：
所述快速傅里叶变换函数公式为：
z＝fft(trq)，
其中，trq为所述窗口数据，z为窗口数据的快速傅里叶变换值，fft为快速傅里叶变换函数。
5.如权利要求4所述的一种方向盘离手检测方法，其特征在于，
所述根据所述快速傅里叶变换值和所述滑动窗口的长度计算低频信号能量和值，包括：
根据第一公式计算所述窗口数据的频率间隔δf，所述第一公式为：
根据第二公式计算0到f1频率范围内选取的数据点的数量n，
所述第二公式为：
根据第三公式计算所述低频信号能量和值p，所述第三公式为：
6.如权利要求5所述的一种方向盘离手检测方法，其特征在于，
所述对所述窗口数据进行时域分析并计算信号均方差和信号极值差，包括：
利用平均值公式计算所述信号平均值；
所述平均值公式为：
其中，trq(k)为窗口数据中的第k个数据,在计算过程中k的取值范围从0到w,avrg为信号平均值；
根据所述信号平均值和均方差公式计算信号均方差；
所述均方差公式为：
计算所述窗口数据的极大值和极小值；
根据所述极大值和极小值计算信号极值差。
7.如权利要求1所述的一种方向盘离手检测方法，其特征在于，
所述根据所述低频信号能量和值、信号均方差以及信号极值差判断驾驶员对方向盘是否处于离手状态，包括：
设置能量阈值a、均方差阈值b以及极值差阈值c；
当所述低频信号能量和值小于或等于能量阈值a且所述信号均方差小于或等于均方差阈值b且信号极值差小于或等于极值差阈值c时，判断驾驶员对方向盘处于离手状态。
8.如权利要求1所述的一种方向盘离手检测方法，其特征在于，还包括，判断主动车道保持功能是否处于触发状态，若是，则开启车道保持辅助驾驶功能。
9.一种车道保持辅助驾驶系统，其特征在于，其包括：
电液转向机，其与方向盘相连；
控制器，其与所述电液转向机相连，且所述控制器用于：
从所述电液转向机获取手力矩信号；
对所述手力矩信号进行加窗处理后得到一组窗口数据；
对所述窗口数据进行频域分析并计算低频信号能量和值；
对所述窗口数据进行时域分析并计算信号均方差和信号极值差；
根据所述低频信号能量和值、信号均方差以及信号极值差判断驾驶员对方向盘是否处于离手状态，且若驾驶员对方向盘处于离手状态则发出离手警告信号。
10.如权利要求9所述的一种车道保持辅助驾驶系统，其特征在于，
所述系统还包括通过can总线与所述控制器相连的多个传感器、翘板开关和仪表显示屏；
所述传感器用于采集车辆距离车道线的相对距离、方向盘转角信号和车速；
所述控制器还用于在所述翘板开关触发时，开启车道保持辅助驾驶功能；
仪表显示屏，其用于当驾驶员对方向盘处于离手状态时进行离手警告。
技术总结