商用車車道保持輔助系統(tǒng)設計*

詹 坤， 隋 新， 劉春陽， 王張飛

(河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471000)

0 引 言

車道保持輔助(lane keeping assistance，LKA)系統(tǒng)是當今智能駕駛汽車最具代表性的主動安全駕駛輔助技術之一，防止駕駛者因注意力不集中導致車輛偏離車道，輔助駕駛員操控方向盤使車輛回到車道線內正常行駛[1]。

近年來，隨著交通智能化的不斷發(fā)展，商用車對LKA技術需求也在日益增長。商用車不同于乘用車，其具有車身長、質心高、方向盤轉角間隙大等特點，對于如何有效解決商用車系統(tǒng)高遲滯問題，實現(xiàn)車道保持功能并確保輔助系統(tǒng)安全穩(wěn)定是重要研究內容。文獻[2,3]采用簡化預瞄模型，在車輛中心軸延長線取一個預瞄點，融合車輛狀態(tài)和攝像頭識別特性，通過建立橫向位置誤差和橫擺角誤差動態(tài)模型，實現(xiàn)車道保持功能；文獻[4]采用遠近視角駕駛員模型，通過前饋補償模塊，減輕了外部阻力對系統(tǒng)的影響；文獻[5,6]針對掛車、拖車等非乘用車輛，在離散車輛模型的基礎上，采用模型預測方法跟蹤車輛期望軌跡。

文獻[2～6]主要根據(jù)駕駛員特性和車輛模型設計車道保持控制器，其目的是盡可能減小系統(tǒng)遲滯帶來的不利影響，但對于LKA系統(tǒng)的安全策略考慮較少。歐盟新車安全評鑒協(xié)會和國際自動機工程師學會的報告指出，LKA系統(tǒng)應充分考慮到控制系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性[7]。文獻[8]解決了駕駛員與LKA系統(tǒng)的交互，并調整了干預級別，但并沒有在實際道路上進行測試；文獻[9]設計了決策策略和車道跟隨控制器，但系統(tǒng)比較復雜，參數(shù)整定困難。

為解決上述問題，本文提出一種商用車LKA系統(tǒng)。根據(jù)車速、車道線置信度、車道曲率、駕駛員扭矩和車輛橫向偏離距離等狀態(tài)信息，設計LKA系統(tǒng)的激活策略，提高系統(tǒng)安全性；基于比例—微分(proportional differential,PD)控制算法設計輔助扭矩控制器，建立偏離糾偏和方向盤回正的仿人駕駛轉向模型，采用扭矩控制策略，避免人機沖突，實現(xiàn)車道保持功能。最后通過仿真分析和實車測試試驗驗證該輔助系統(tǒng)的可行性、實用性。

1 控制策略與系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)結構

LKA系統(tǒng)結構如圖1所示，車輛安裝道路視覺傳感器和方向盤轉角/扭矩感器等，用于采集道路和車輛信息，如車速、方位角、曲率、車道線距離、方向盤轉角和駕駛員扭矩等等。采用電子助力轉向器(electric power steering，EPS)作為LKA系統(tǒng)的執(zhí)行機構。

圖1 LKA系統(tǒng)結構

圖1中的橫向控制器分為前饋控制和反饋控制兩部分。前饋補償模糊控制器主要補償不同道路曲率ρ和路面附著系數(shù)μ等產生的誤差，輸出前饋補償扭矩。反饋部分根據(jù)車輛橫向偏差距離誤差為輸入變量，建立單點預瞄模型，輸出預瞄點橫向偏差距離；基于PD控制算法建立一種仿人駕駛轉向模型，并設計輔助扭矩控制器，輸出LKA助力扭矩。

狀態(tài)決策策略模塊主要是激活條件判斷。根據(jù)車路信息，輸出LKA激活系數(shù)β，決定LKA功能是否啟動。β取值公式如下

(1)

若滿足所有激活條件，則激活系數(shù)β大于0(即β=1)，前饋補償扭矩和LKA助力扭矩值疊加，經過扭矩限制模塊輸出助力扭矩，作用于汽車的EPS助力系統(tǒng)，形成閉環(huán)控制，最終實現(xiàn)車道保持功能;否則輸出助力扭矩為0，系統(tǒng)不執(zhí)行糾偏動作。

1.2 激活條件判斷

LKA系統(tǒng)具有關閉、待激活和激活三種狀態(tài)。當開關按鈕關閉時，整個系統(tǒng)處于關閉狀態(tài)；當開關按鈕打開但不滿足激活條件，系統(tǒng)處于待激活狀態(tài)，不干預車輛行駛；當開關按鈕打開且滿足所有激活條件，系統(tǒng)報警提示駕駛員車輛發(fā)生偏離，并且輸出助力扭矩操控方向盤，使車輛糾回原車道線內繼續(xù)行駛。

實車測試試驗中，由于道路環(huán)境復雜多樣，且傳感器檢測精度有限，汽車報文丟幀、漏幀現(xiàn)象常有發(fā)生。考慮到系統(tǒng)安全性問題，需要對車速、車道線置信度、駕駛員實際扭矩、橫向偏離距離和方位角等信息進行多幀報文判斷。此外，若車輛開啟轉向燈，則認定駕駛員有意變道，LKA系統(tǒng)退出糾偏功能，轉為待激活模式。多幀報文激活判定條件為

(2)

式中v為車速，km/h；C為車道線置信度；Td駕駛員實際扭矩，Nm；L為橫向偏離距離，m；φ為方位角，rad；vth,Cth,Tth,Lth,φth為對應的閾值范圍。

1.3 單點預瞄模型

商用車相對于乘用車而言，其方向盤轉角間隙更大，控制系統(tǒng)具有遲滯性高、控制精度低等特點，且存在方向盤轉角回正不足等現(xiàn)象。為避免建立復雜的非線性車路模型，減輕糾偏過程中系統(tǒng)的滯后和車身擺動幅度大等問題,本文采用改進的單點預瞄模型[10]。在車輛的前擋風玻璃中間位置安裝ADAS偏離預警傳感器，識別車道線并計算出傳感器距離左右車道邊線的距離值、車道曲率、車身方位角等車路信息。假設在未來一定時間內，車輛的方位角和車速均不變，且車輪沒有發(fā)生側滑，車輛會沿著當前行駛方向繼續(xù)前行一段距離，這段未來時間內行駛的距離記為預瞄距離。預瞄模型示意圖如圖2所示。

圖2 預瞄模型示意

車輛與車道中心線的夾角為車身方位角，車輛點C位置安裝ADAS傳感器。以車道中心線為橫軸，以過點C且垂直于車道中心線為縱軸，建立笛卡爾坐標系。點C的縱坐標值即為ADAS傳感器橫向距離。在車輛行駛的正前方選取一個預瞄點D，則點C與點D之間的距離為預瞄距離。根據(jù)ADAS傳感器測得的車道線距離和車身方位角可以計算出預瞄點處的橫向偏差距離。

預瞄距離為

d=vxT

(3)

預瞄點D與傳感器點C之間的橫向距離之差為

ye=dsinφ

(4)

預瞄點橫向偏差距離為

(5)

式中d為預瞄距離，m；vx為縱向車速，km/h；T為預瞄時間，s；yc為ADAS傳感器的橫向偏差距離，m。根據(jù)小角度假設定理可知，sinφ≈φ，故預瞄點橫向偏差距離為

y=yc+vxTφ

(6)

1.4 輔助扭矩控制器

LKA控制器采用PD控制算法，仿照人工駕駛的行為特點，主要分為糾偏和回正兩個階段。當駕駛員在無意識狀態(tài)下使車輛偏離車道中心線時，并且滿足激活條件，LKA系統(tǒng)會執(zhí)行糾偏動作。根據(jù)當前預瞄點橫向偏差距離和方位角，PD控制器計算助力糾偏扭矩作用于EPS，保證車輛能夠糾回原始車道線內。當車輛糾回車道中心線附近且方位角較小時，傳感器檢測方向盤轉角大小，若轉角不為0°，繼續(xù)發(fā)送助力回正扭矩信號給EPS執(zhí)行器，使方向盤回正,回正結束后維持車輛當前狀態(tài)繼續(xù)行駛。

在助力糾偏階段，助力糾偏扭矩Ta大小為

(7)

式中Kp_pre,Kd_pre,Kp_azi,Kd_azi分別為橫向偏差距離和方位角的比例—微分項系數(shù)。

在助力回正階段，助力回正扭矩Tb大小為

(8)

式中Kp_ang,Kd_ang為方向盤轉角PD項系數(shù)；Δθc為方向盤期望轉角與實際轉角差值。

1.5 前饋補償模糊控制器

在實際道路環(huán)境中，路面附著系數(shù)μ、道路曲率ρ等條件對汽車的轉向有一定影響。因此，在實車測試試驗部分要考慮增加額外的輔助扭矩，減小外部環(huán)境因素的干擾。本文設計的前饋補償模糊控制器以μ,ρ,v為輸入變量，輸出為補償系數(shù)λ，其中助力補償扭矩Tc=λTa，從而提高LKA系統(tǒng)性能[11]。

《小約翰》是荷蘭作家凡·伊登的代表作，是一部寓意深刻、境界開闊的童話作品。故事講述了一個叫小約翰的孩子，帶著小狗，劃著小船，獨自離家，在奇妙的大自然里暢游，最終懷著對人類的愛回歸現(xiàn)實生活。魯迅對該書盛贊有加，稱之為“無韻的詩，成人的童話”。

模糊規(guī)則如下：μ,ρ較大時，需要增大Tc；v較大時，需要減小Tc。設論域Uμ=[0.4,1.0]為μ的變化范圍；論域Uρ=[0.001,0.003]為ρ的變化范圍，rad；論域Uv=[25,90]為v的變化范圍，km/h，其模糊子集均為{S,M,L}。輸出量的論域Uλ=[0,0.6]為λ的變化范圍，模糊子集為{VS,S,M,L,VL}，分別表示較小補償、小補償、中補償、大補償、較大補償。輸入、輸出均采用三角形隸屬度函數(shù)，具體λ模糊規(guī)則見表1。

表1 模糊控制規(guī)則表

2 仿真實驗

2.1 搭建模型與參數(shù)設置

為了驗證所提輔助系統(tǒng)控制方法的有效性，進行了CarSim/Simulink聯(lián)合仿真。在CarSim仿真軟件中選用了Utility Truck車輛模型，構建參數(shù)化道路模型，設置扭矩為車輛模型的輸入信號。在Simulink中搭建控制決策層、單點預瞄模型和PD控制算法模型，進行仿真研究，分析車道保持算法控制效果。

2.2 仿真結果分析

本文仿真車輛偏離糾回的運動狀態(tài)，路面摩擦系數(shù)設置為0.85，助力扭矩限制范圍為[-3.0,3.0]Nm，車速分別設置為60 km/h。基于單點預瞄模型PD控制算法的仿真結果曲線圖如圖3所示。其中圖3(a)為車輛橫向距離曲線圖；圖3(b)為助力扭矩變化曲線圖。

圖3 仿真實驗曲線圖

圖3(a)車輛橫向偏離距離為0.3 m處達到激活條件，圖3(b)中的助力扭矩迅速增大，開始執(zhí)行糾偏動作。約10 s以后，橫向距離和助力扭矩均趨于0，車輛保持在中心線附近穩(wěn)定行駛。從圖3(a)車輛橫向偏離距離曲線圖可以看出，未加入預瞄模型時，系統(tǒng)超調較嚴重，糾偏過程中車輛震蕩明顯，一段時間后，車輛穩(wěn)定在車道中心線行駛；加入預瞄模型，系統(tǒng)響應有預估量，糾偏過程相對較平緩。仿真實驗表明：車輛偏離車道中心線，采用預瞄模型PD控制算法能夠及時糾回車輛到中心線附近穩(wěn)定行駛，實現(xiàn)車道保持功能。

3 實車測試試驗

3.1 試驗平臺搭建

在CarSim/Simulink仿真基礎上，模擬駕駛員無意識偏離車道線，進行實車測試試驗[12]。如圖4所示，搭建實車試驗平臺。

圖4 實車試驗平臺

試驗車選用江淮輕卡載貨汽車，搭載有Mobileye 630車道線檢測傳感器、STM32控制板、電動助力轉向器EPS。其中Mobileye630傳感器用于檢測車道線、計算距離左右車道線距離、車道曲率、車道線類型、車道線置信度等信息；STM32作為LKA系統(tǒng)核心處理器；電子助力轉向器作為LKA系統(tǒng)的執(zhí)行機構。各硬件系統(tǒng)間采用CAN總線連接。

3.2 實車試驗

實車測試試驗分為兩部分進行，測試車輛在不同偏離方向情況下，探究有無預瞄模型對車輛運動的控制效果。其中試驗1為車輛偏向左車道邊界線；試驗2為車輛偏向右車道邊線。駕駛員疲勞駕駛或者分心駕駛時，操控方向盤的實際扭矩值很小，在實車測試試驗中，駕駛員雙手脫離方向盤模擬疲勞或者分心駕駛狀態(tài)。實車測試結果如圖5。

圖5 實車測試曲線

如圖5(a)，(c)為車輛橫向偏差距離，圖5(b),(d)為一次糾偏回正過程中助力扭矩變化圖。其中，點A為車輛發(fā)生偏離點，且達到激活條件，LKA執(zhí)行糾偏動作，助力糾偏扭矩快速增加到扭矩最大值，使車輛橫向偏離距離減小；在點B時，車輛糾回車道中心線附近，LKA系統(tǒng)開始執(zhí)行方向盤回正動作，助力扭矩反向增加，使方向盤及時回正；在點C時，方向盤回正結束，車輛糾回車道中心線附近穩(wěn)定駕駛，等待下一次偏離糾正動作。

對比分析有無預瞄模型的車輛橫向偏離距離曲線圖5(a)和(c)，未加預瞄模型，車輛的最大橫向偏離距離較大，距離范圍分別為[-0.176,0.578]m和[-0.748,0.258]m；加入預瞄模型后，最大橫向偏離距離范圍為[-0.106,0.481]m和[-0.591,0.204]m。實車試驗結果表明：在車輛發(fā)生偏離時，采用改進的預瞄模型PD控制算法能夠可以減緩車輛糾偏過程中的震蕩幅度，將車輛及時糾回車道中心線附近，實現(xiàn)了商用車車道保持功能，確保車輛安全穩(wěn)定行駛。

4 結 論

本文將商用車作為研究對象，設計了LKA系統(tǒng)狀態(tài)決策策略，引入判斷是否啟動LKA系統(tǒng)的激活系數(shù)，有利于提高系統(tǒng)安全性。采用預瞄模型和PD控制算法，最終實現(xiàn)車輛偏離糾偏功能。最后通過CarSim/Simulink仿真和實車測試試驗分析，驗證了該商用車LKA系統(tǒng)的可行性、實用性、安全性。