基于STM32的車道保持控制系統設計*

劉春陽, 陳 帆, 王張飛, 詹 坤, 陳立海

(1.河南科技大學 機電工程學院, 河南 洛陽 471003;2.中國航空工業集團公司洛陽電光設備研究所, 河南 洛陽 471000)

0 引 言

車道保持輔助(lane keeping assistance,LKA)控制系統是汽車安全輔助駕駛技術研究的重要內容,通過機器視覺等傳感技術對車道線進行檢測識別,判斷車輛在行駛車道中的位置,并根據控制策略驅動電動助力轉向(electric power steering,EPS)等執行機構,確保車輛在車道線內行駛,保證駕駛員的行車安全[1～3]。目前車道保持控制系統的研究,大多集中在車道保持控制算法的計算機仿真或硬件在環實驗研究,如提出車道保持輔助力矩與電動轉向力矩相疊加,經EPS電機輸出進行車道保持控制,解決駕駛員隨時介入的問題[4]；通過模仿駕駛員操作行為,提出模糊控制的車道保持方法,實現中速狀態的車道保持功能[5]；利用車輛縱向速度的非線性變化,設計模糊TS(Takagi-Sugeno)的車道協調保持控制方法[6]；采用曲線擬合思路,使車輛行駛軌跡和預瞄軌跡的曲率、方位角和橫向偏移量相等,通過軌跡跟蹤實現車道保持功能[7]。以上等研究,在乘用車車道保持控制方面取得了一定的成果,但針對尺寸結構性能有較大差異的商用車而言,LKA系統的適應性尚存在不足,而且LKA控制系統設計的實車測試驗證還較少。

因此,本文提出一種基于STM32的車道保持控制系統設計,通過車速傳感器、EPS傳感器和Mobileye傳感器采集車輛在行駛過程中的車速、方向盤扭矩、方向盤轉角、車輛距左右車道線的距離和車身方位角等信息,由CAN總線傳輸至核心處理器,對信息進行解析和處理,產生控制信號,驅動EPS執行機構,實現車道保持功能。同時,結合駕駛員模型和人工駕駛體驗,提出了三段式控制策略,并結合實車實驗,進行了現場測試和功能驗證,實現了商用車90 km/h及以下車速范圍內的車道保持功能。

1 車道保持系統設計

針對商用車尺寸結構較大、最高行駛車速一般約90 km/h左右、方向盤虛位較大等特點,車道保持控制系統的硬件設計如圖1所示。系統以STM32F407處理器為核心,采用Mobileye傳感器作為車道信息檢測模塊,由車載的EPS傳感器、車速傳感器等采集車輛行駛狀態信息,通過汽車CAN通信接口將信息傳輸至核心處理單元[8～11],由處理核心進行車速、車輛與左右車道線距離、車輛方位角、方向盤扭矩、方向盤轉角等參數的解算,進而借助LKA控制算法,實現車輛的車道保持功能。

圖1 LKA車道保持控制器硬件設計框圖

系統設計了按鍵用于LKA功能的啟停,設計了可移除LCD顯示裝置進行信息的顯示和輔助調試,設計了LED指示燈和蜂鳴器進行車輛偏離預警,設計了與調試計算機間進行通信的接口,方便依托上位機進行參數的調試和優化。系統設計的電路原理圖如圖2所示。

圖2 系統硬件原理

系統中傳感器均采用實驗車輛進行供電。視覺傳感器采用Mobileye ME630傳感器,供電電壓為12 V,功率為2.6 W；STM32采用32位高性能ARM Cortex—M4處理器,工作時鐘為168 MHz,供電電壓為3.3 V,功率為0.12 W,滿足了車載系統低功耗及高性能的處理需求。Mobileye傳感器能夠提供車輛交通信息檢測數據,包括車輛距離左右車道線的距離、車身的方位角、車道線的類型、識別的置信度等;EPS傳感器能提供車輛方向盤扭矩、方向盤轉角等信息[12];車輛自身的監測傳感器可以提供車速、轉向燈狀態等信息,這些信息為實現車道保持控制提供了決策和計算依據。

2 三段式LKA控制方法

2.1 車道保持控制工作流程

設計的車道保持功能控制流程如圖3所示。系統需要先判定LKA功能是否開啟,在LKA開啟狀態下,根據各傳感器采集的信息判斷車輛是否偏離車道[13～15]。系統通過CAN獲取傳感器信息后,依次判定數據的有效性、車道線識別的置信度、車速以及駕駛員是否操作車輛方向盤等人車耦合狀態,決策LKA是否處于激活狀態,只有當LKA處于激活狀態,系統才會激活車輛偏離抑制的功能。

圖3 LKA車道保持控制工作流程

本系統通過分析駕駛員操作行為、車輛與左右車道線的距離以及車輛方位角信息判斷車輛是否發生車道偏離,只有當判定車輛為非人為控制產生偏離時,才啟動偏離抑制,根據LKA控制算法,計算EPS需要的扭矩,糾正車輛行駛軌跡回歸行駛車道。在糾正過程中,還需要考慮駕駛員的介入,進行有序退出,避免人車駕駛策略沖突而產生安全隱患。

2.2 三段式LKA控制算法

結合駕駛員的實際駕駛過程,對車道偏離狀況的響應過程,結合駕駛員模型,本系統采用基于糾正跑偏、擺正車身和回正方向的三段式糾偏控制算法。

當車輛偏離車道線且滿足糾偏條件時,STM32處理器執行第一階段糾偏指令,首先給EPS傳感器發送扭矩,控制方向盤轉動,使車輛回到車道線內；第二階段糾偏指令控制車輛方位角回到零位；第三階段糾偏指令控制方向盤回到零位,最終使車輛維持在車道線內行駛。三段式糾偏控制算法如圖4所示,以車輛左偏往右糾正到車道線內為例,設定糾偏標志位為sign,Mobileye傳感器距離左右車道線的距離分別為LD和RD。

圖4 三段式糾偏控制算法

第一階段中,啟動糾正,設置sign=1,線性增加EPS扭矩使方向盤順時針轉動,扭矩增速不超過0.2Nm/s,根據實際車輛安全駕駛要求,設定正向最大扭矩閾值(FRT),當EPS扭矩達到最大扭矩閾值時,維持扭矩不變；根據方向盤轉角測量值,達到預定角度時,設置sign=2,降低EPS扭矩使方向盤角度維持不變；當車身方位角逐漸減小且車輛回到車道中心線位置時進入第二階段,設置sign=4,反向增加EPS扭矩,考慮到車輛左右轉向狀態不完全一致,為增加車輛轉向時車身的穩定性,此時設定反向最大扭矩閾值(ST),若方向盤逆時針轉動,當車輛方位角減小為零時則設置sign=12,減小施加的扭矩,進入第三階段；若方向盤未出現轉動,則增大EPS扭矩閾值(TT)使方向盤逆時針轉動,當車輛方位角減小為零時設置sign=5,進入第三階段；第三階段,以方向盤角度為依據,設置sign=6,調整EPS扭矩(FOT)使方向盤回到零位附近,然后設置sign=14,使EPS扭矩降為零。糾正控制過程中,針對車身方位角、方向盤角度采用樸素的PID閉環控制算法,實現車身和方向盤的位置控制,實現三段式的車道保持控制。

3 軟件程序設計

基于STM32的LKA控制器軟件程序編寫,主要包括與調試計算機的通信、LKA車道保持控制算法、信息采集、數據處理和傳輸。主程序完成系統初始化后,啟動CAN通信,接收到CAN報文后,進行報文的解析,對監測的數據進行解算后,執行如圖3所示的LKA工作流程,然后將本次循環車輛狀態信息,通過通信接口傳輸給上位機。為方便后續程序移植以及程序編寫的通用性,編程語言選擇C語言進行開發,開發環境采用KEIL公司開發的KEIL MDK軟件。

調試計算機作為上位機,調試軟件基于Python設計,主要用于對傳感器采集信息的監測顯示和LKA系統的調試,可根據車輛的橫向偏移量、車身方位角、EPS的扭矩等變化曲線,分析控制算法的工作情況,便于對控制參數進行優化。軟件界面主要包括汽車報文顯示、汽車狀態顯示、參數設置和功能區。汽車報文顯示區域包含車速、方向盤扭矩、車輛距離左右車道線距離等參數；汽車狀態區域用于實時更新LKA運行狀態以及車輛狀態,如LKA是否開啟、車輛是否偏離車道線等信息；參數設置區域主要用于實現車輛在實驗過程中,三段式控制算法參數修改,以便觀察不同參數下LKA糾偏效果；功能區主要包括串口打開、關閉、參數保存等功能。

4 實驗與分析

圖5(a)為項目合作方提供的LKA功能測試實驗車的內部視圖,Mobileye傳感器粘貼在前車窗的中心,經過校準后,可以實現可靠的車道識別與信息采集,車載傳感器及EPS系統通過CAN總線與設計的LKA控制器通信,實現系統的硬件聯通。將編寫好的程序燒寫入LKA控制器后,在確保安全的前提下,在實際道路上進行了測試實驗,實驗車車道偏離抑制控制轉向的圖片見圖5(b)。

圖5 LKA功能實驗車測試照片

通過三段式糾偏控制算法對EPS傳感器發送扭矩,控制方向盤轉動,維持車輛在車道線內行駛。在進行三段式糾偏控制時,可根據車速范圍對三段式糾偏參數進行設定,實驗中根據實際情況,對車速區間為60～95 km/h進行參數設置,車輛左偏和右偏糾正到車道線內參數如表1所示。

表1 不同車速狀態車輛左和右偏糾回車道線內的參數設置

圖6為70～80 km/h的車速條件下,實驗車進行道路測試時采集的實驗數據,圖中，A,B,C三點分別表示本文所提算法進行第一、二、三階段糾偏控制,D點表示完成整個糾偏動作。A點表示滿足糾偏控制條件,三段式糾偏控制模式啟動,第一階段給EPS傳感器施加扭矩,如圖6(a)中A點所示,助力扭矩線性增加使車輛糾正到車道線內；第二階段使車身方位角擺正,如圖6(c)中B點所示,方位角逐漸減小,車輛與車道線平行；第三階段將方向盤進行回正,如圖6(d)中C點所示,方向盤轉角逐漸降為零；當方向盤轉角回到零位,完成糾偏控制,助力扭矩降為零,如圖6(a)中D點所示。

圖6 實車實驗數據曲線

通過實車測試實驗發現,利用三段式控制算法進行車輛的車道保持,可以實現車輛的偏離抑制,經過參數優化后,車輛車輪外側在糾正過程中能夠不越過左/右車道線,滿足國家對LKA的要求規范。在實驗過程中,人為使車輛偏離車道中心線后,駕駛員松開方向盤,車輛能夠在三段式LKA控制算法作用下進行糾偏控制,車輛再次發生偏離時的橫向距離變化范圍逐漸減小,維持在車道線內穩定行駛。在90 km/h及以下車速狀況下,該系統能夠實現較好的商用車偏離抑制效果,實現車道保持的功能。

5 結 論

本文以STM32微處理器作為LKA控制器的處理核心,設計了LKA車道保持控制系統,借助視覺傳感器識別車道信息,并結合采集的汽車行駛過程中的車速、方向盤轉角、方向盤扭矩等信息,通過三段式LKA控制方法實現了車道保持功能,同時可由上位機對糾偏參數進行調整,優化車輛響應的速度和舒適性,較好地保證駕駛員的行車安全。本文設計開發的控制系統,具有體積小、易于集成和調試的特點,與EPS系統一起實現車道保持的控制,方便后續功能的擴展。