新能源汽車車道保持虛擬仿真實驗平臺分析

羅 鈿，劉小斌，李 晶，金 慧

新能源汽車車道保持虛擬仿真實驗平臺分析

羅 鈿，劉小斌，李 晶，金 慧

（蘭州工業學院 汽車工程學院，甘肅 蘭州 730050）

根據車輛工程新工科人才培養需求，文章設計了新能源汽車車道保持輔助與偏離預警駕駛虛擬仿真實驗平臺。構建了基于車輛保持輔助控制策略的車道保持與偏離預警控制仿真模型，基于Carsim的車道保持信息采集虛擬仿真試驗系統，結合駕駛模擬器，采用硬件在環方式實現了車道保持與偏離預警仿真試驗。車道保持與偏離預警虛擬仿真平臺的建設將實驗創新能力與工程能力培養相融合，體現了能力提升為本的教學思維。實踐效果表明，以成果導向的新能源汽車車道保持輔助虛擬仿真實踐創新平臺體系更能突出以學生為本、能力為主的教學特色，學生的創新意識與創新能力明顯提升。

新工科；成果導向；車道保持輔助系統；虛擬仿真實驗平臺；新能源汽車；Carsim

以創新、交叉、融合、共享為主導方式[1]，將培養創新型工程人才嵌入“新工科”理念，能為應用型高校轉型及教學改革提供新的思路與方法。“新工科”強調學生的工程實踐能力，應用型高校緊密貫徹“學生核心、成果導向、全面工程質量教育”的宗旨，應用成果導向教育（Outcome Based Education, OBE）理念，契合“新工科”人才培養要求，積極應對新時代科技變革[2]。

從目前應用型高等院校人才培養的各個環節來看，OBE理念與方法能很好地契合“新工科”人才培養要求。通過“車道保持與偏離預警輔助駕駛系統的虛擬仿真平臺”的教學實施，探索“新工科”背景下新能源汽車專業的人才培養方案，以先進駕駛輔助系統教學為例，探索教學新模式、新方法，實現產業需求導向、交叉融合導向、支撐引領導向，為新工科人才培養模式的具體實施提供一定的借鑒。新工科多學科交叉融合的內涵和特征決定著對課程體系和教學內容的改革是系統性而不是個體性，要從整個新工科專業建設的角度，有組織地、系統地、整體地進行課程設計和教學內容的選擇[3-4]。相比于傳統的工科人才，新興產業和新經濟需要的是實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才[5-6]。“新能源汽車車道保持與偏離預警輔助駕駛系統新工科虛擬仿真實踐創新平臺”實驗項目把創新思維與工程意識滲透到教學的每一個環節，借助虛擬仿真，實現沉浸式實驗。

1 以成果導向的新能源汽車LKA虛擬仿真實踐創新平臺體系設計

車道保持輔助系統可分為感知層、決策控制層和執行層三部分[7]。新能源汽車車道保持輔助系統虛擬仿真平臺結構如圖1所示。感知層通過車道線識別傳感器、轉向力矩傳感器、轉角傳感器和整車控制器實現車道信息和車輛信息的采集；車道保持輔助控制器為車道保持輔助系統的決策控制層的核心；電機助力轉向系統為執行層，其功能為保持原車助力轉向功能的完整性和穩定性，感知層扭矩傳感器檢測到的駕駛員轉向力矩可等效于虛擬駕駛員轉向力矩。由車道線識別傳感器、轉向力矩傳感器、轉角傳感器和整車控制器組成的感知層通過控制器局域網絡（Controller Area Network, CAN）總線獲得信息。

圖1 新能源汽車車道保持與偏離預警輔助駕駛系統實踐創新虛擬仿真平臺系統結構圖

2 基于駕駛模擬器的新能源汽車車道保持試驗平臺構建

基于SIALB駕駛模擬實驗系統，建立駕駛模擬器的車道保持及偏離預警實驗系統，實現由服務器、駕駛場景、駕駛模擬艙和巨型環屏組成的高級駕駛輔助系統（Advanced Driver Assistance System, ADAS）汽車車道保持橫向控制試驗平臺，與目標機形成駕駛模擬閉環硬件仿真系統，如圖2所示。

圖2 基于駕駛模擬器的車道保持理實一體實驗平臺

基于Carsim建立的目標機控制仿真模型主要包括車道偏離檢測模塊、模糊控制器、車道保持控制器、協助引導控制器等四部分，如圖3所示。輸入信號依次為啟用狀態信號、車道偏離信號（m）、轉向偏離量、駕駛員轉向角控制信號（rad）、縱向速度（m/s）等。將車道偏差、轉向偏移量輸入至車道偏移檢測模塊。將轉向偏移量、縱速度傳入至模糊控制器，經模糊推理所得出的數值判斷出危險等級和行駛路徑的偏差，經過運算處理后輸出曲率、橫向偏移量與航向角輸入至車道保持控制器，通過車道保持控制器結合車輛縱向速度輸出車輛轉向角。將車道偏離檢測模塊的輸出信號與啟用信號、駕駛員轉向控制信號以及車道保持控制器輸出的車輛轉向角信號輸入至協助模塊協助引導控制器，經協同控制輸出車輛狀態及轉向角。基于駕駛模擬器的新能源汽車車道保持理實一體虛擬仿真試驗平臺，幫助學生理解車道保持輔助（Land Keeping Assist, LKA）的原理、控制策略、結構組成。培養學生新能源汽車車道保持與偏離預警輔助駕駛系統的初步設計能力、測試能力以及創新能力。

圖3 新能源汽車車道保持與偏離預警輔助駕駛系統目標機控制仿真模型

3 新能源汽車車道保持駕駛系統實驗過程

實驗車型以大眾CC為例，其參數如表1所示。學生可根據目標車型，參照Carsim系統中的C-Class車型參數值進行修改，使之與實際所選轎車性能更加吻合。目標參數的選取，仿真過程的分析，仿真結果的整理與分析都是實驗的內容。

表1 整車技術參數

參數名數值 整車長/mm4 865 整車寬/mm1 870 整車高/mm1 443 整車質心高度/mm650 質心到前軸距離/mm1 010 質心到后軸距離/mm1 500 前輪胎側偏剛度/(N/rad)40 300 后輪胎側偏剛度/(N/rad)50 300 前輪輪距/mm1 480 后輪輪距/mm1 475 軸距/mm2 875 前軸載荷/kg760 后軸載荷/kg495 電動機減速機構傳動比22

采用Carsim進行實驗，根據實驗步驟，建立實驗室數據庫。首先進行整車參數設置。其次進行道路環境設定，如圖4所示。利用車道保持與偏離預警輔助駕駛系統Carsim仿真平臺，完成ADAS車道保持試驗分析。利用車道保持輔助系統建立如圖3所示的控制框架仿真模型。根據實驗場景實施，分析實驗結果。

車道保持輔助系統可以在行車的全程或速度達到65 km/h后開啟，并可以手動關閉，實時保持汽車的行駛軌跡。當系統開啟時，利用車載傳感器、車道線、方向盤力矩、車速、轉向盤轉角等信息由電控單元進行信息采集與處理。通過車道線和汽車的行駛趨勢的比較預判，判斷汽車是否偏離行駛車道[8]。

圖4 基于Carsim的車道保持雙變道車道實驗場景

圖5 橫向距離曲線圖

圖6 車速變化曲線圖

如圖5和圖6所示，根據車速曲線與車輛橫向位置曲線，汽車在2.8 s左右進行變道，從右車道駛向左車道，并在左車道行駛一定的距離后，在4.4 s向右變道返回右車道，并在每次方向盤轉向角度時進行制動處理，然后車輛保持在右側車道中心線處行駛。

通過雙變道車道偏離預警系統場景仿真分析可以得出，實驗車輛在車道保持輔助系統的協助下可以在道路上進行車道的變更，如果車道發生偏離，計算機會給出警報信號與糾偏指令，并主動控制車輛進行車道保持。

4 結論

本文基于新工科理念構建“新能源汽車車道保持與偏離預警輔助駕駛系統虛擬仿真實踐創新平臺”，應用虛擬仿真平臺可以避免學生在使用危險性高的實驗設備時，保證人身安全、增加實驗的實操性、降低實驗安全風險，實現實驗的可逆性。

探究和實踐基于新工科理念的“新能源汽車車道保持與偏離預警輔助駕駛系統”實驗項目教學設計、教學與教學實踐，使學生可以置身模擬的環境中，切身體驗仿真環境、駕駛艙操作等過程，可直觀觀察車輛狀態、參數變化的合理性，提高實驗效率。

本文通過“新能源汽車車道保持與偏離預警輔助駕駛系統的新工科實踐創新虛擬仿真平臺建設與教學研究”項目的實施，探索建立“新工科”背景下新能源汽車工程專業建設的新內涵、新模式、新方法、新技術。

[1] 張嘉鷺,李曉鵬,馬軍,等.車輛工程專業"互聯網+"虛擬仿真實驗教學資源建設與共享[J].中國教育信息化,2021(3):4.

[2] 張忠洋,鄭利民,孫曉幫,等.虛擬仿真軟件在新能源車輛工程專業實驗教學中的應用[J].2016(12):210- 212.

[3] 陳澤宇,楊周,張渤,等.基于OBE理念的新工科車輛工程課程體系構建[J].科教導刊,2021(1):46-47.

[4] 曾祥炎,孟陽."三模塊五平臺"虛擬仿真實驗教學體系的構建與實踐[J].實驗室研究與探索,2021,40(3): 141-144,152.

[5] 田英,王興波,傅貴武,等.工程教育背景下智能制造虛擬仿真實驗教學平臺建設[J].中國設備工程,2021 (7):214-215.

[6] 田亞斌,劉東.新工科背景下卓越工程人才培養策略探討[J].才智,2019(31):1.

[7] 郭洪強,陳慧,陳佳琛.基于EPS的車道保持輔助系統設計[J].汽車技術,2018(8):6.

[8] 陸鵬.車道保持系統仿真與試驗研究[D].呼和浩特:內蒙古大學,2017.

Analysis of the Virtual Simulation Experiment Platform for Lane Keeping on New Energy Vehicles

LUO Tian, LIU Xiaobin, LI Jing, JIN Hui

( School of Automobile Engineering, Lanzhou Institute of Technology, Lanzhou 730050, China )

According to the talents training needs of emerging engineering education in vehicle engineering, a virtual simulation experiment platform for lane keeping assist and departure warning driving for new energy vehicles was designed. The simulation model of lane keeping and departure warning control based on lane keeping assist control strategy was constructed. The virtual simulation test system of lane keeping information collection based on Carsim was constructed. Combined with the driving simulator, the simulation test of lane keeping and departure warning was realized by hardware-in-loop mode. The construction of the virtual simulation platform for lane keeping and departure warning integrates experimental innovation capabilities with engineering capability training, and reflected the ability-based teaching thinking. The practical results show that the result-oriented new energy vehicle lane keeping assist virtual simulation practice innovation platform system can better highlight the student-oriented and ability-based teaching characteristics, and the students' innovation awareness and innovation ability are significantly improved.

Emerging engineering education; Result-oriented; Lane keeping assistance system; Virtual simulation experiment platform;New energy vehicles;Carsim

G42

A

1671-7988(2022)21-163-04

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.030

羅鈿（1987—），女，博士，副教授，研究方向為車路協同、城市交通安全系統，E-mail:458102446@qq.com。

2022年甘肅省教育廳高等教育教學成果培育項目：新能源汽車車道保持與偏離預警輔助駕駛系統新工科實踐創新虛擬仿真平臺建設與教學研究（170）；2022 年度甘肅省高等學校青年博士基金項目：網聯自動駕駛環境下生態協同自適應巡航控制策略研究（2022QB-191）；甘肅省教育科學“十四五”規劃2022年度“一帶一路”教育國際合作交流高項目（GS[2022]GHBZX210）；2020年甘肅省教育廳高等教育教學成果培育項目：新工科背景下汽車工程類專業學科競賽成果轉化的探索與研究（192）；2021年蘭州工業學院新工科研究與實踐項目（10）；2022年蘭州工業學院創新創業教育改革項目（LGYCXJG-22-10）；2022年甘肅省高校創新創業教育教學改革研究項目（57）；甘肅省教育科學“十四五”規劃2022年度學校安全穩定與應急工作專項課題（GS[2022]GHBZX236）。