基于改進預瞄駕駛員模型的車道保持系統

董婷

基于改進預瞄駕駛員模型的車道保持系統

董婷

（1.長安大學，陜西 西安 710018；2.中國汽車技術研究中心汽車工程研究院，天津 300300）

為提高車輛行駛的主動安全性，基于改進的單點預瞄最優曲率駕駛員模型，提出車道保持控制方法，并搭建Simulink控制模型，結合dSPACE ModelDesk/MotionDesk進行仿真實驗。仿真結果表明，改進后的模型能夠消除橫向偏差，更好地跟隨目標路徑，使車輛保持在車道中心附近行駛。

駕駛員模型；車道保持；橫向控制；目標路徑

前言

目前主動安全技術成為全球的研究重點，其中車道保持輔助系統作為一項重要技術，對車輛實現橫向主動干預，在車輛發生偏離時主動控制車輛回正到車道內，并保持在車道中心附近行駛，提高了車輛的行駛安全性。

常用的車道保持控制方法都是通過輸入車輛-道路的橫向位置偏差，利用各種反饋算法設計控制系統。Marino等設計嵌套PID控制器，通過輸入橫向位移誤差輸出橫擺角速率，從而實現車道跟蹤[1]；Bae通過輸入車道曲率和質心側偏角控制前輪轉角變化率實現路徑跟蹤[2]。

除此之外，單點預瞄駕駛員模型[3]應用甚廣，較與其他算法，結構簡單、運算量小，因此本文基于改進的單點預瞄駕駛員模型，將車輛當前狀態以及預瞄位置處的橫向偏差作為控制器的輸入，得出理想的最優側向加速度，根據側向加速度誤差得到目標方向盤轉角，再對方向盤轉角誤差進行PID控制，從而輸出控制力矩以保證車輛在車道中心附近行駛。

1 車道保持控制器設計

本文結合預瞄跟隨原理與PID控制方法進行車輛的橫向運動控制研究，完成橫向控制器的設計，實現車道保持的目的，系統由橫向位置控制器和轉角控制器串聯而成，如圖1所示。

圖1 車道保持控制器

橫向位置控制器實現預瞄和跟隨兩個過程，以車輛偏航角、目標行駛軌跡、車速等參數作為控制器輸入，輸出目標方向盤轉角。其中預瞄距離是影響跟隨效果的主要因素，采用單點預瞄構建基于改進的最優預瞄駕駛員模型的橫向位置控制器。轉角控制器通過對方向盤轉角誤差進行PID控制，從而輸出車道跟隨力矩。

2 改進最優單點預瞄駕駛員模型

單點預瞄最優曲率駕駛員模型從數學上將控制理論、車輛和駕駛員特性等參數融合在一起，結構簡單、跟隨精度較高，能很好地模擬駕駛員行為。為簡化問題，我們認為駕駛員對道路軌跡的跟蹤就是對目標路徑橫向位移誤差的跟蹤，跟蹤目的是使車輛的行駛軌跡與目標路徑的誤差最小，即遵循“最小誤差原則”，如圖2所示。

圖2 駕駛員模型

假設汽車當前時刻在y方向做勻加速運動，經過預瞄時間T后，車輛的實際橫向位移為：

期望行駛的目標路徑的側向位移為：fe=f(t+T)

根據“最小誤差原則”，在時間T之后車輛的實際運動軌跡與期望軌跡一致，即：

聯立（1）、（2）式，得到最優側向加速度：

其中，y為預瞄橫向誤差，y=()()，可通過坐標轉換得到。

在圖2中，P點(X(),Y())為預瞄點坐標，C點是車輛中心，坐標為(X(),Y())，則：

方向盤轉角與車輛側向加速度的關系為：

其中，G為汽車的側向加速度對方向盤轉角的穩態增益，與車速的關系是：

式中：L為軸距，I是轉向系角傳動比，K為穩定性因數，一般取0.002～0.004s2/m2。

本文考慮駕駛員的反應滯后因素，在傳統最優預瞄加速度駕駛員模型的基礎上，考慮加速度反饋環節，對方向盤轉角進行修正，從而得到改進的預瞄駕駛員模型[4]，如圖3所示。

圖3 改進的單點預瞄駕駛員模型

駕駛員的反應滯后包括神經反應滯后（exp(-ts)）和動作反應滯后（1/(1+ts)）兩類，其中t表示神經反應滯后時間，一般取0.2～0.4s，動作反應滯后時間t取0.05～0.2s。

3 轉角控制器

橫向控制器的設計需要將方向盤轉角轉換為對車輛的輸入，才能控制車輛的行駛。即轉換為車道跟隨力矩，作為電動助力轉向系統的輸入信號。

本文的轉角控制器采用PID控制方法，通過對方向盤轉角誤差e進行PID控制，輸出車道跟隨力矩為t，實現對方向盤轉角的跟蹤控制。

4 仿真與分析

基于Matlab/Simulink軟件搭建車道保持的控制器模型，并結合dSPACE ModelDesk/MotionDesk軟件設置道路場景進行聯合仿真，模擬駕駛員無意識駕駛車輛偏離至左右側車道線的場景工況，觀察車輛是否可以回正至車道中心，以驗證控制器模型的有效型。

4.1 控制器模型參數的獲取

方向盤轉角反饋系數K、K、K需要在仿真過程中根據控制效果進行調整，由于系統具有一定的魯棒性，可以在較大范圍內取值都能達到較好的控制效果。

4.2 車道保持效果驗證

圖4 直線道路路徑跟蹤軌跡

圖5 直線道路跟蹤位置誤差

圖6 直線道路跟蹤航向角誤差

圖7 曲線道路路徑跟蹤軌跡

圖8 曲線道路跟蹤位置誤差

圖9 曲線道路跟蹤航向角誤差

本文選取試驗車速為72km/h左右，試驗道路分別選擇四車道白色實線直線道路與曲率半徑500m的四車道曲線道路，設置車輛模擬駕駛員脫離方向盤不干預車輛控制直至LKA控制偏離車輛回正至車道中心附近行駛一段時間，試驗結果如圖4-圖9所示。

5 結論

（1）通過Simulink與dSPACE ModelDesk/MotionDesk聯合仿真，證明改進的單點預瞄駕駛員模型能夠較穩定地控制汽車進行軌跡跟蹤，實現車道保持的功能。

（2）采用側向加速度誤差反饋的方式，對駕駛員模型中側向加速度增益失配進行了補償，有效地修正了方向盤轉角。根據車速變化不斷更新側向加速度穩態增益值實現了駕駛員模型橫向位置的控制。

（3）本文中只驗證了直線及曲線道路下改進駕駛員模型的有效性，后續應該分析該控制方法對不同車速以及不同道路曲率的魯棒性。

[1] R Marino,S Scalzi,G Orlando,M Netto.A Nested PID Steering Control for Lane Keeping in Vision Based Autonomous Vehilcles [C].Proceedings of the American Control Conference,2009: 2885- 2890.

[2] Il Bae,Jin Hyo Kim,Shiho Kim. Steering Rate Controller based on Curvature of Trajectory for Autonomous Driving Vehicles[C]. Intelli -gent Vehicles Symposium (IV), IEEE, 2013: 1381-1386.

[3] 郭孔輝.駕駛員—汽車閉環系統操縱運動的預瞄最優曲率模型[J].

[4] 丁海濤,郭孔輝,李飛等.基于加速度反饋的任意道路和車速跟隨控制駕駛員模型[J].機械工程學報,2010,46（10）:116-120.

Lane Keeping System Based on Improved Preview Driver Model

Dong Ting

( 1.Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710018; 2.CATARC Automotive Engineering Research Institute Co., Ltd., Tianjin 300300 )

In order to fundamentally improve the active safety of vehicle driving, based on the improved single-point preview optimal curvature driver model, the lane keeping control method is proposed, and the Simulink control model is built for simulation experiments with dSPACE ModelDesk/MotionDesk. The simulation results show that the improved model can eliminate the lateral deviation and better follow the target path, so that the vehicle can keep driving near the center of the lane.

Driver model; Lane keeping; Lateral control; Target path

U471.3

A

1671-7988(2019)24-143-03

U471.3

A

1671-7988(2019)24-143-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.046

董婷，女，碩士研究生，就讀于長安大學汽車學院車輛工程專業，主要研究方向為智能輔助駕駛技術。