基于車道偏離閥值提高LKAS性能研究

吳成偉　馮嘉欣　王華　馮軍　李宇緯　柯忠澤

摘 要：隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，客戶對車輛的需求逐漸由功能向性能轉(zhuǎn)變。車道保持等智能駕駛功能漸漸得到應(yīng)用及推廣，但目前性能方面還有一定的可提升空間。為了提高車道保持輔助的駕駛性能，本文闡述車道保持輔助的激活閥值設(shè)置，根據(jù)車輛的行駛路線規(guī)劃及其時時路況動態(tài)推薦輔助模式，推薦相對適合路況的車道保持輔助模式。經(jīng)過理論分析及實車測試數(shù)據(jù)表明，結(jié)合車輛狀態(tài)及其道路工況信息、推薦最優(yōu)車輛保持模式，駕駛員參考推薦模式、根據(jù)駕駛員熟悉的路況、及其駕駛員的精神狀態(tài)進(jìn)行選駕駛模式，能提高車輛駕駛的性能。

關(guān)鍵詞：智能駕駛 車道保持輔助 駕駛性能 閥值

A Research on Improving Properties of LKAS Driver based on Threshold Value

Wu Chengwei，F(xiàn)eng Jiaxin，Wang Hua，F(xiàn)eng Jun，Li Yuwei，Ke Zhongze

Abstract：With the development of the automobile industry， customer demand for vehicles has gradually shifted from function to performance. Intelligent driving functions such as lane keeping are gradually being applied and promoted， but there is still room for improvement in performance. In order to improve the performance of lane keeping assisted driving， this article describes the setting threshold of the road deviation line， based on the vehicle's driving route planning and real-time road conditions， dynamically recommending the lane keeping assist mode， which is relatively suitable for road conditions. The theoretical analysis and actual vehicle test show that it can improve the driving performance of the vehicle， to choose the drive mode by combining vehicle status and road conditions information， recommending the optimal vehicle retention mode， the recommended mode working as reference for driver or according to the drivers familiar road conditions， and considering the drivers mental state.

Key words：intelligent drive lane， lane keeping assistance， driving performance， threshold

1 引言

當(dāng)被動安全技術(shù)發(fā)展到一定的程度后，再難以有大幅度的提高。為了繼續(xù)提高車輛的安全系數(shù)、降低車輛發(fā)生事故的傷亡率，主動安全成為重要途徑，在汽車自動防撞系統(tǒng)（automatic collision avoidance system）、車道保持輔助系統(tǒng)（Lane Keeping Assistance簡稱LKAS）[2]的研究及應(yīng)用最為突出。主動安全主要依賴車輛智能控制模塊，國際上關(guān)于功能安全等級主要執(zhí)行ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)，智能駕駛等級引用美國工程師學(xué)會（society of automotive engineers， SAE）起草的J3016（TM）及美國國家公路安全管理局（national highway traffic safety administration，NHTSA）起草的自動駕駛分級，國家工信部2020年3月份提出《汽車駕駛自動化分級》，2021由國家市場監(jiān)督管理局與國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布GB T 40429-2021，這些都是從安全等級及自動化程度分解，ISO 11270：2014主要是對功能的定義及規(guī)范說明。按J3016（TM）及ISO 11270：2014標(biāo)準(zhǔn)分解，LKAS處在L2的自動駕駛級別，在性能上沒有相關(guān)的明確定義。

國內(nèi)外學(xué)者對LKAS進(jìn)行了相關(guān)研究，文獻(xiàn)[2]從扭矩疊加考慮控制權(quán)限的轉(zhuǎn)移，未考慮對LKAS接入控制的頻次影響進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[3]從主觀上對LKAS性能進(jìn)行評價，未涉及到性能設(shè)計的設(shè)置邏輯，文獻(xiàn)[4]從駕駛員的疲勞進(jìn)行辨識，未從降低駕駛員疲勞速度進(jìn)行研究，現(xiàn)公開發(fā)表的學(xué)術(shù)性論文研究，未根據(jù)時時工況關(guān)聯(lián)LKAS分析。而全球各國不同的車道，道路寬度都有一定范圍的波動，如中國道路寬度在3.0m到3.75m之間、日本道路規(guī)格寬度在2.75m到3.75m、意大利道路規(guī)格寬度在2.5m到3.75m、美國道路標(biāo)記寬度在2.6m到4.2m、澳大利亞道路規(guī)格寬度理想為3.5m[5]，各國間車道的寬度存在差異，且是范圍值。因此，結(jié)合道路寬度對LKAS性能的研究有重要的意義。

為了進(jìn)一步提高LKAS的性能，解決LKAS設(shè)置固定在發(fā)生車道偏離時所需要的時間參數(shù)，緩解輔助駕駛在此性能上受到的限制，本文對LKAS的車道偏離閥值進(jìn)行了系統(tǒng)分析。基于系統(tǒng)采集車輛所處車道中的相對位置及路況、導(dǎo)航系統(tǒng)提供的車輛行駛在當(dāng)前公路等級為參考信息，以LKAS的車道偏離激活閥值為研究對象，提高車輛的駕駛性能。

2 車道保持輔助系統(tǒng)介紹

2.1 車道保持輔助系統(tǒng)基本概念

車道保持輔助系統(tǒng)屬于智能駕駛輔助系統(tǒng)中的一種，主要從主動安全去做相應(yīng)的開發(fā)及應(yīng)用。參考SAEJ3016分類，LKAS功能屬于L2自動化級別。LKAS研究的目的是為了降低駕駛員片刻分神導(dǎo)致車輛偏離行駛軌道的風(fēng)險。LKAS設(shè)定車輛在車道的相對位置的模型，主要借鑒于車道偏離預(yù)警系統(tǒng)的規(guī)范。車道偏離臨界線及其設(shè)置區(qū)域。如圖1所示。

LKAS在車道偏離預(yù)警的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級應(yīng)用，增加中間形式區(qū)域輔助模式，在最早輔助線及最晚輔助線區(qū)間內(nèi)設(shè)置車輛偏離輔助激活閾值，車輛偏離至閾值線，并無抑制限制條件時LKAS功能啟動。

2.2 車道保持輔助系統(tǒng)控制策略

本文以某款車型為例，LKAS采集的基本信息為車輛與車道邊界相對位置、車輛橫向速度，在綜合參數(shù)達(dá)到LKAS觸發(fā)的閥值時，且無抑制的參數(shù)信號，系統(tǒng)提供輔助轉(zhuǎn)向扭矩。從整車的狀態(tài)進(jìn)行編寫控制策略，車輛在接收到抑制請求、車輛的行駛速度不在觸發(fā)的策略范圍內(nèi)、滿足駕駛員優(yōu)先的狀態(tài)下，LKAS發(fā)送糾正扭矩請求收到抑制不能激活，系統(tǒng)功能組成如圖2所示。

車輛與車道邊界相對位置控制策略，是通過車輛特定部位與車道邊界之間的橫向距離、偏離與速度為基數(shù)，如式（1）所示。

TTLC= （1）

式（1）中TTLC為發(fā)生車道偏離所需要的時間、D為通過車輛特定部位與車道邊界之間的橫向距離、v為車輛偏離速度。

車輛的車道輔助控制策略扭矩加載，輔助閥值激活后，控制模塊發(fā)扭矩請求給電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，控制策略如圖3所示。

Mdri;駕駛員施加的扭矩;

Mlks;車道保持輔助請求的扭矩;

MlksRes;經(jīng)過幅值和梯度限制后的扭矩;

Mconv;經(jīng)過傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向盤助力后的電動助力轉(zhuǎn)向扭矩;

f1（M，dM）;限制LKAS請求扭矩幅值和梯度的函數(shù);

f2（M）;傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向盤助力函數(shù)。

2.3 車道保持輔助系統(tǒng)性能

LKAS性能主要為安全性及平順性。車道保持輔助系統(tǒng)的安全性能，主要體現(xiàn)在減少駕駛員片刻分神導(dǎo)致車輛偏離行駛的軌道能力，其主要表現(xiàn)在駕駛員分神后，車輛位置滿足觸發(fā)車道保持閾值時，車道保持功能輔助控制車輛不跑出車道的能力。平順性體現(xiàn)為輔助扭矩對駕駛員的干預(yù)，使其方向盤對駕駛員的反饋扭矩波動。

3 車道保持輔助功能觸發(fā)閾值

3.1 選用道路的研究對象

LKAS控制模型設(shè)置觸發(fā)的閥值為變量。本文主要以車輛行駛速度狀態(tài)與車道信息為研究對象，車道參考《路線設(shè)計規(guī)范》JTG D20-2017，設(shè)計車速與車道寬度如表1所示。

3.2 提高道路保持性能分析

駕駛員分神后，LKAS控制車輛不跑出車道的能力。根據(jù)式（1），在相同的工況下，車輛與車道邊界之間的橫向距離起到關(guān)鍵因素。車輛與車道邊界之間的橫向距離如式（2）所示。

D= （2）

式（2）中，W車道線為兩邊車道線距離，W外為車輛外側(cè)靠近車道線的部位與車道中間距離。

優(yōu)化駕駛車輛的舒適性，本文以駕駛員優(yōu)先的原則，降低LKAS請求的扭矩幅度，提高方向盤反饋給駕駛員扭矩的平順性。

優(yōu)化駕駛車輛的安全性能，根據(jù)車輛當(dāng)前及行程規(guī)劃的路況，推薦駕駛員相應(yīng)的車道保持模式，從而相應(yīng)的提高車輛駕駛性能及安全性能。

LKAS性能中，TTLC起到優(yōu)化駕駛車輛的舒適性及其安全性能關(guān)鍵參數(shù)。相應(yīng)行程車輛計劃行駛道路寬度為可預(yù)知的變量，車輛橫向速度為不可預(yù)知的變量，結(jié)合式（1）及式（2）。參考車輛計劃行駛的車道寬度，設(shè)置LKAS的觸發(fā)閾值，能起到兼顧車輛安全性及舒適的途徑。

3.3 分析模型建立

模型分析道路寬度參數(shù)，參考《路線設(shè)計規(guī)范》JTG D20-2017，下限設(shè)置為3.0m，上限選用3.75m。車輛直線行駛能力，參考某主流車企的規(guī)范，在平坦、硬實、干燥的清潔道路上以80Km/h行駛100m，跑偏不大于一米。車輛尺寸參考某車型參數(shù)，車輛寬度1.861m，車輛長度4.986m，軸距2.870m，前輪距1.6m，車輪規(guī)格215/55/R17。

車輛從車道中間跑出車道的時間如式（3）所示。

D= （3）

式（3）中W車為車輛寬度。

根據(jù)案例車型尺寸、車輛直線行駛的能力及其道路寬度范圍進(jìn)行模擬分析，車道寬度與駕駛員分神的時間容量曲線如圖4所示。

根據(jù)參考車型參數(shù)、車輛跑偏的控制水平及擬定參考路況，通過模擬分析數(shù)據(jù)圖4形體現(xiàn)，以80Km/h車速直線在車道中心行駛的車輛，車輛直線行駛能力在本文參考的跑偏量下，從駕駛員分神不對車輛進(jìn)行橫向控制，車輛保持原車速行駛的工況下，車輛跑出車道的時間變量為2.56秒到2.25秒?yún)^(qū)間。LKAS的激活閥值TTLC設(shè)置峰值時，能提高車輛的安全系數(shù)，在彎道頻繁的路況及其駕駛員精神充沛的情況下，設(shè)置的最小車道寬度的TTLC值，確保一定安全系數(shù)的情況下，降低車道保持激活頻率，提高駕駛舒適性能。

4 實車性能測試

試驗根據(jù)某車型進(jìn)行實車測試，測試路況為高架快速道路。同一路段往、回行程分別兩種LKAS模式。車輛行駛的測試過程中，駕駛員不對車輛進(jìn)行橫向控制，只做防止車輛失效接管準(zhǔn)備，車輛的橫向控制接近以LKAS控制，模擬駕駛員分神的駕駛狀態(tài)下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，車輛的測試及信號采集如5所示。

LKAS觸發(fā)信息采集如圖6所示，弱輔助模式下LKAS閾值打開23次、激活工作累計時間211秒、占總時間48.3%，強(qiáng)輔助模式下LKAS閾值打開6次、激活工作累計時間381秒、占總時間91.5%。LKAS閥值相應(yīng)的輔助臨線如圖7所示。

經(jīng)過實車試驗及信號采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過調(diào)整LKAS的臨線為激活閥值，可以達(dá)到車輛控制靠近車道中間行駛或降低LKAS對駕駛員干擾效果。

5 結(jié)語

通過數(shù)據(jù)模型分析，并經(jīng)某車型實測測試數(shù)據(jù)體現(xiàn)，基于LKAS閾值合理的設(shè)計及推薦輔助模式，能提高車輛的駕駛性能，此總結(jié)分析的優(yōu)化方法，能為后續(xù)分析提供實例基礎(chǔ)。

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