基于虛擬場景的車道保持輔助系統仿真測試*

孟醒，甘海云，嚴英

基于虛擬場景的車道保持輔助系統仿真測試*

孟醒，甘海云*，嚴英

（天津職業技術師范大學，天津 300222）

輔助駕駛技術已經越來越受到人們的關注。文章為了對輔助駕駛技術的功能進行驗證，以車道保持輔助系統為例，利用IPG CarMaker仿真軟件，構建車輛模型，添加傳感器檢測車道線及車輛周圍的環境，搭建了虛擬的道路測試場景，通過IPGMoive觀察仿真動畫，IPGControl觀察仿真結果并對結果進行了分析，完成了一次完整的仿真測試，最終驗證了車道保持系統的功能，證明了仿真試驗相對于實車測試極大地降低了發生危險的可能性，并且可以提升測試的效率，縮短系統開發周期，降低測試成本。

輔助駕駛；虛擬場景；車道保持；仿真測試

前言

隨著汽車工業的發展，輔助駕駛及自動駕駛技術已成為發展趨勢，輔助駕駛技術不僅能減少由于駕駛員人為因素導致的交通事故，也能降低交通擁堵程度。該項技術核心問題是功能可靠性[1-2]。如表1所示，自2016年起至2018年，全球已發生了近10起由于自動駕駛導致的交通事故，所以對輔助駕駛系統進行功能驗證是必要的。目前，常用的駕駛輔助系統包括自適應巡航控制系統（ACC）、前碰撞預警系統（FCWS）、自動緊急制動系統（AEB）、車道偏離預警系統（LDWS）、車道保持輔助系統（LKAS）等等。本文選取LKAS車道保持輔助系統進行以功能驗證為目的的仿真測試[3]。

表1 2016-2018年全球自動駕駛交通事故

1 車道保持輔助系統及控制策略

1.1 車道保持輔助系統

車道保持輔助系統是一種高級主動安全系統，在輔助駕駛領域已經被廣泛地應用。目前，在多數中高檔汽車已配備車道保持輔助系統，車道保持輔助系統同時也逐漸在低端車輛上裝配。在與車道線有關的輔助駕駛系統里，包括車道偏離預警系統和車道保持輔助系統。

車道偏離預警系統通過安裝在車輛上的攝像頭采集當前車道內的車道線，經過圖像處理后，將圖像信息轉化成車輛在當前車道的位置信息，提前預測車輛是否將要偏離原來的車道。當系統判定車輛將偏離車道線以外時，車道偏離預警系統及時向駕駛員發出警報信號，提醒駕駛員控制車輛行駛方向，保證行駛安全性[4]。

車道保持輔助系統是車輛偏離預警系統的進一步功能擴展，在車道偏離預警系統的基礎上增加了對剎車、轉向和動力系統的協調控制。如果駕駛員開啟了轉向燈，則車道保持輔助系統會判定出駕駛員將要變更車道，此時，車道保持輔助系統暫時關閉。在無轉向指示燈的情況下，當汽車即將駛離當前車道時，且駕駛員還未對即將偏離車道的車輛進行回歸控制，則系統會在快要駛離車道之前通過適當的轉向干預校正車輛的位置，主動控制器將自行控制執行機構，使車輛回歸原車道[5]。此外，駕駛員也可以隨時操控系統，如在緊急情況下可以有意駛離行車道，避免發生交通事故。

1.2 控制策略

車道保持輔助系統的特性可以通過與橫向偏移相關的輔助力矩來描述。圖1是車道保持輔助系統的控制策略圖，車道保持輔助系統的輔助力矩的計算是以系統識別車道的信息和一些車輛自身行駛動態參數（如車速）為基礎的[6]。控制器通過定位的輸入參數和偏移量計算所需的轉向阻力矩，用來校正實際行駛軌跡與理想行駛軌跡的偏差。為了使駕駛員能夠隨時接管對車輛的控制，也應當測量駕駛員的轉向阻力矩，如果駕駛員的轉向阻力矩超出限值，則應降低對車道保持輔助力矩的影響，車輛的特性要同帶傳統轉向助力裝置的車輛相同[7]。

圖1 車道保持輔助系統控制策略圖

2 實驗過程

2.1 仿真工具

CarMaker是一種乘用車車輛動力學仿真軟件，主要用于車輛部件開發、控制器開發和整車開發。在汽車V流程開發過程中，必要經過對模型、軟件、控制器、車輛的仿真測試，CarMaker在V流程開發過程中具有廣泛的應用范圍。CarMaker主要由兩部分組成，一部分是CarMaker界面工具欄CIT。主要包括圖形用戶界面GUI（Graphical User Interface），提供了CarMaker所有的功能界面；虛擬儀表，顯示踏板和車輛狀態等信息；IPGContral，是一種可視化工具，可以觀察所選擇的輸出變量，如速度、加速度等；IPGMoive，在仿真時實時地顯示3D動畫。另一部分是虛擬車輛環境VVE（Virtual Vehicle Environment），是整個仿真的核心，主要包括CarMaker的可執行文件、控制軟件，如CarMaker for Simulink和一些外部模型。

2.2 場景搭建

本文搭建了一種直線道路的測試場景，天氣晴朗，風速不大于10m/s，路面干燥平整，峰值制動力系數大于0.9，一系列的道路參數，包括道路長度、寬度、道路邊界線寬度，如表2所示。車輛在道路中心行駛，車輛中心偏移道路中心線的距離不超過1.5m。

表2 場景參數

2.3 車輛模型

本文構建的車輛模型參數如表3所示，車輛類型為三廂五座乘用車，汽車的整備質量為1194kg，車輛的長、寬、高分別為4.186m、1.741m、1.445m，軸距為2.590m，前輪距1.522m，后輪距1.510m，發動機的額定功率為81kw，最大扭矩為152Nm。

表3 車輛基本參數

2.4 傳感器模型

車道保持輔助系統是基于車道標志線識別來確定車道的。系統對于車道識別的預測較高，除了要識別沿某個確定方向上的車道標識線以外，還要求能識別車輛相對車道中央的偏離程度、車輛在車道中的方位以及前方行駛路段的幾何形狀信息，此外，還必須識別左右兩側車道的邊界，否則無法根據車道中央進行調節。本文添加了一種CMOS傳感器作為攝像單元，集成了圖像處理組件與調節器組件，其中圖像處理組件對視覺信息進行準備、分析和解讀。

2.5 控制方法

由于車道保持輔助系統的作用，當最小車速為55km/h時，最大助力轉向轉矩是2Nm，圖2是模型車輛的轉向輔助力矩的計算方法。車道保持輔助系統的控制算法為PID控制，車輪的偏向角和偏距作為控制器的輸入，控制器輸出的信號與預設的路徑曲率信號合并為目標曲率信號，通過Simulink中的常數模塊使信號變為一個常量，再利用飽和度模塊對輸出常量進行限值，最后的輸出結果即為轉向輔助力矩。

圖2 LKAS轉向輔助力矩計算方法

2.6 仿真結果分析

圖3為試驗車輛sRoad的圖像。sRoad即交通對象沿道路中心的縱向位置。從圖中可以看出試驗車輛行駛的時間為19s，隨著時間的增加，車輛的縱向位移為335m。

圖3 試驗車輛sRoad

圖4 試驗車輛tRoad

圖4為試驗車輛tRoad的圖像。tRoad即交通對象基于道路中心線的橫向位置。從圖中可以看出車輛初始位置在道路中心，第4s時車輛開始向左偏移，第6s時，車輛最大偏移量為1.4m，此后向右偏移，到達第11s時，偏移道路中心右側最遠距離為1.4m，之后回到道路中心位置。

圖5是試驗車輛的轉向轉矩。第4s時，車輛開始向左偏移，轉向轉矩立即從0變為最大值，平均為0.7Nm，之后逐漸減小，到第6s時，車輛向左的偏移量最大，開始向右偏移，轉向轉矩開始為負，并逐漸增大，第11s時，平均最大為0.7Nm，隨后減小到0，12s至16s期間出現了小波動。16s后，車輛回到道路中心，不發生偏移，轉向轉矩穩定為0。

圖5 試驗車輛轉向轉矩

圖6至圖8分別是車輛向左偏移、向右偏移和回到道路中心的3D仿真圖。圖中黃色區域為傳感器可以感知到的范圍，紅色和綠色的直線是傳感器可以檢測到的邊界車道線。

圖6 試驗車輛向左偏移

圖7 試驗車輛向右偏移

圖8 試驗車輛回到道路中心

3 結論

本文利用CarMaker軟件，完成了一次基于的虛擬場景的車道保持輔助系統功能測試，通過分析仿真結果，驗證了車道保持輔助系統的功能，當系統發現車輛偏離了檢測到的車道線時，可以在有限的范圍內使車輛回歸到原車道。驗證了功能的可靠性。通過這樣的仿真試驗，可以提升ADAS仿真的效率和精度，節約測試成本，縮減測試周期，為車輛開發也帶來了極大的便利。

[1] 賀勇,王春香,董永坤.基于PRESCAN的汽車自動駕駛仿真[J].電腦知識與技術, 2012, 8 (33): 8047-8049.

[2] 黃楊成.基于電動助力轉向系統的車道偏離輔助系統的研究[D].安徽:合肥工業大學,2017.

[3] 陸鵬.車道保持系統仿真與試驗研究[D].內蒙古自治區:內蒙古大學,2017.

[4] 唐叩祝.車道偏離預警與保持控制系統仿真及試驗研究[D].安徽:合肥工業大學,2018.

[5] 金寧.基于EPS系統的人-車-路閉環車道保持輔助系統的研究[D].湖南:湖南大學,2017.

[6] Benine-Neto,A, Scalzi,S and Mammar,S et al. Dynamic Controller for Lane Keeping and Obstacle Avoidance Assistance System [C].Intelligent Transportation System, 2010 13th International IEEE Conference.

[7] 王沛然,常連玉.基于改進駕駛員模型的車道保持控制模型[J].中國安全科學學報,2018,28(7):13-18.

Simulation test of lane keeping assist system based on virtual scene*

Meng Xing, Gan Haiyun*, Yan Ying

( Tianjin Vocational and Technical normal University, Tianjin 300222 )

Assisted driving technology has received increasing attention. In order to verify the function of the assisted driving technology, taking the lane keeping assist system as an example, the IPG CarMaker simulation software is used to construct the vehicle model, add sensors to detect the lane line and the environment around the vehicle, and construct a virtual road test scene. Observing the simulation animation through IPGMoive, IPGControl observes the simulation results and analyzes the results to complete a simulation test. Finally, it verified the function of the lane keeping system. It proves that the simulation test greatly reduces the possibility of danger compared to the actual vehicle test, and can improve the efficiency of the test, shorten the system development cycle, and reduce the test cost.

Assisted driving; Virtual scene; Lane keeping; Simulation test

V323.19

B

1671-7988(2019)24-34-04

V323.19

B

1671-7988(2019)24-34-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.011

孟醒，在讀碩士研究生，就讀于天津職業技術師范大學智能車路協同和安全技術國家地方聯合工程中心。

甘海云，博士，教授，就職于天津職業技術師范大學，研究方向：智能汽車控制系統開發和測試。

基于封閉園區及開放道路的L4級智能網聯汽車研發及示范運行，項目編號18ZXZNGX00230。