基于EPS的車道保持輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭洪強(qiáng) 陳慧 陳佳琛

（同濟(jì)大學(xué)，上海 201804）

主題詞：車道保持輔助 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向 人機(jī)交互

1 前言

車道保持輔助（Lane Keeping Assistance，LKA）系統(tǒng)是典型的橫向先進(jìn)駕駛員輔助系統(tǒng)（Advanced Driver Assistance System，ADAS）。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（Electric Power Steering，EPS）具有節(jié)能環(huán)保、符合駕駛輔助功能需求等優(yōu)點(diǎn)，近年來在乘用車市場越來越多地替代液壓助力轉(zhuǎn)向[1]。隨著EPS的普及，越來越多的LKA系統(tǒng)以EPS作為其執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

但是，如何更好地集成LKA和EPS的功能，提升車道保持性能的同時(shí)，又能達(dá)到正常助力轉(zhuǎn)向的目的，是必須解決的問題之一。文獻(xiàn)[2]綜合考慮跨道時(shí)間與駕駛員轉(zhuǎn)向操作進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，系統(tǒng)存在LKA前輪轉(zhuǎn)角控制模式和EPS常規(guī)助力模式的切換；文獻(xiàn)[3]建立了聯(lián)合預(yù)警算法，提高預(yù)警精度，并通過駕駛員操作辨識(shí)模型進(jìn)行模式切換。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在模式切換直接導(dǎo)致LKA開啟時(shí)轉(zhuǎn)向助力消失，存在安全隱患。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了力矩疊加結(jié)構(gòu)，在EPS助力力矩上疊加轉(zhuǎn)角控制力矩，但沒有考慮控制權(quán)限的轉(zhuǎn)移。

文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]將跨道時(shí)間和駕駛員轉(zhuǎn)向操縱作為LKA介入和退出的主要依據(jù)，對(duì)車道線檢測置信度等考慮較少。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）、國際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)（SAE）以及歐盟新車安全評(píng)鑒協(xié)會(huì)（Euro NCAP）的測試報(bào)告也指出，車道保持系統(tǒng)的輔助行為不應(yīng)突然終止，應(yīng)平緩?fù)顺鯷5-7]。Volvo設(shè)計(jì)的駕駛員超馳（Driver Steering Override，DSO）策略引入了隨駕駛員轉(zhuǎn)向力矩、道路曲率變化的比例因子，LKA力矩在駕駛員轉(zhuǎn)向時(shí)減小，但仍存在持續(xù)干擾的情況[8]。Cerone V等人設(shè)計(jì)的二自由度控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)車道保持和駕駛員操作的平滑切換，但系統(tǒng)狀態(tài)過于模糊，實(shí)現(xiàn)較為困難[9]。文獻(xiàn)[10]對(duì)LKA退出策略進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并利用主、客觀評(píng)價(jià)方法優(yōu)化了策略參數(shù)，提高了LKA系統(tǒng)的接受度，但并未考慮如何基于EPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

為解決上述問題，本文對(duì)基于EPS的LKA系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在EPS扭矩傳感器上疊加LKA輔助力矩，保證EPS助力功能始終開啟；設(shè)計(jì)了LKA狀態(tài)決策策略以及狀態(tài)切換過程，避免干擾駕駛員。本文在離線仿真和駕駛模擬器半實(shí)物仿真試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行道路試驗(yàn)，結(jié)果表明該系統(tǒng)架構(gòu)良好地集成了EPS功能和LKA功能，提高了系統(tǒng)的安全性和舒適性。

2 LKA控制策略

2.1 LKA系統(tǒng)架構(gòu)

LKA系統(tǒng)可分為感知層、決策控制層和執(zhí)行層三部分[11]，如圖1所示。感知層用于采集車道信息和車輛信息；決策控制層即車道保持輔助控制器，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示；執(zhí)行層為EPS系統(tǒng)，傳統(tǒng)的EPS系統(tǒng)保留，保證了原車助力轉(zhuǎn)向功能的完整性和穩(wěn)定性，虛擬駕駛員轉(zhuǎn)向力矩替代扭矩傳感器檢測到的駕駛員轉(zhuǎn)向力矩。該結(jié)構(gòu)使得EPS助力功能始終開啟，無論LKA是否介入，駕駛員均可獲得轉(zhuǎn)向助力。感知層主要通過CAN總線獲得傳感器信息，決策控制層的車道保持輔助力矩控制如圖3所示。

圖1 LKA系統(tǒng)架構(gòu)[11]

圖2 決策控制層結(jié)構(gòu)

圖3 車道保持輔助力矩控制模塊組成

2.2 狀態(tài)決策策略

圖3中的狀態(tài)決策策略如圖4所示，LKA系統(tǒng)具有關(guān)閉、待機(jī)和介入3種狀態(tài)，狀態(tài)的轉(zhuǎn)換根據(jù)LKA激活條件和介入條件判斷進(jìn)行。定義激活條件系數(shù)α和介入條件系數(shù)β，輔助系數(shù)γ為α和β的邏輯與，即開啟條件和介入條件同時(shí)滿足時(shí)，取γ=1（介入狀態(tài)），否則取γ=0（非介入狀態(tài)），γ直接影響車道保持輔助控制器輸出的力矩。

圖4 LKA系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略

決策過程首先進(jìn)行LKA開啟條件判斷，判斷流程如圖5所示，當(dāng)LKA激活條件滿足時(shí)進(jìn)行如圖6所示的LKA介入條件判斷，包括跨道時(shí)間判斷和車輛返回車道中心判斷。

圖5 LKA激活條件判斷流程

圖6 LKA介入條件判斷流程

2.2.1 LKA開關(guān)狀態(tài)判斷

LKA系統(tǒng)需要具有開關(guān)接口以保證駕駛員隨時(shí)可以開啟或關(guān)閉系統(tǒng)，避免系統(tǒng)對(duì)駕駛員持續(xù)產(chǎn)生干擾甚至引發(fā)事故。從人機(jī)交互裝置接收LKA系統(tǒng)的開關(guān)信號(hào)，如果駕駛員關(guān)閉LKA系統(tǒng)，則激活條件系數(shù)α=0。

2.2.2 車道線檢測質(zhì)量判斷

由于實(shí)際道路車道線質(zhì)量參差不齊，且傳感器車道線檢測能力有限，一側(cè)車道線短時(shí)丟失的情況時(shí)有發(fā)生。為避免LKA系統(tǒng)反復(fù)開關(guān)，當(dāng)僅有一側(cè)車道線質(zhì)量置信度符合要求時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)默認(rèn)車道寬度計(jì)算得到另一側(cè)車道線。如果兩側(cè)車道線檢測置信度均低于設(shè)定的閾值，LKA進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)。

持續(xù)檢測到有效車道線是LKA工作的前提，為了避免攝像頭檢測到人行橫道線等短距離車道線時(shí)系統(tǒng)誤作用，置信度高于閾值一定時(shí)間后才認(rèn)為有效檢測到車道線。有效檢測到車道線的判定條件為：

式中，v為車速，tlane為有效檢測到車道線的持續(xù)時(shí)間，lthreshold為設(shè)定的閾值。

2.2.3 變道判斷

變道判斷考慮駕駛員力矩、轉(zhuǎn)向燈開關(guān)、車輛橫向偏移量等狀態(tài)，判斷流程如圖7所示。

圖7 變道判斷流程

駕駛員力矩判斷是為了避免LKA系統(tǒng)與駕駛員操作沖突，其判斷條件為：

式中，Tdriver(t)為駕駛員轉(zhuǎn)向力矩；MTthreshold為駕駛員轉(zhuǎn)向力矩積分閾值。

若式（2）成立，則認(rèn)為駕駛員主動(dòng)接管車輛，LKA系統(tǒng)進(jìn)入變道待機(jī)狀態(tài)，調(diào)整激活條件系數(shù)α=0。

轉(zhuǎn)向燈開關(guān)信息通過CAN總線獲得，轉(zhuǎn)向燈開啟說明駕駛員主動(dòng)進(jìn)行變道，LKA系統(tǒng)進(jìn)入變道待機(jī)狀態(tài)，避免對(duì)駕駛員的變道行為產(chǎn)生干擾。

車輛橫向偏移量大于設(shè)定閾值，約1/2車身已經(jīng)偏出車道時(shí)應(yīng)將車輛控制權(quán)交還給駕駛員，LKA系統(tǒng)同樣進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)。

LKA系統(tǒng)進(jìn)入變道狀態(tài)后，直到車輛再次回到車道中心線附近而且偏航角小于設(shè)定值時(shí)，均判定車輛處于變道過程，即LKA系統(tǒng)始終關(guān)閉。

2.2.4 跨道時(shí)間判斷

跨道時(shí)間（Time to Lane Crossing，TLC）指從當(dāng)前位置運(yùn)動(dòng)至左前輪或右前輪觸及車道線為止所經(jīng)歷的時(shí)間?？紤]到LKA系統(tǒng)需要開啟時(shí)駕駛員未對(duì)轉(zhuǎn)向盤進(jìn)行控制，即車輛直行，進(jìn)行了簡化，如公式（3）所示：

式中，f(l)為傳感器輸出的基于車輛坐標(biāo)系的車道線方程，其值為車輛正前方l距離處的橫向偏移量；tth為TLC的閾值；w為1/2車寬。

若f(tth·v)

2.2.5 車輛返回車道中心判斷

LKA系統(tǒng)作為輔助系統(tǒng)不會(huì)持續(xù)介入太久，如果以同一TLC閾值作為LKA系統(tǒng)介入和退出的條件，會(huì)出現(xiàn)LKA系統(tǒng)介入后TLC變大，LKA退出，隨后TLC又變小LKA再次介入，尤其在彎道中LKA易出現(xiàn)頻繁介入和退出。因此TLC條件僅作為LKA系統(tǒng)的介入條件，當(dāng)LKA介入后，進(jìn)行車輛返回車道中心判斷，如果車輛橫向偏移量和偏航角均小于設(shè)定閾值，則認(rèn)為車輛返回車道中心，調(diào)整β=0。

綜上，狀態(tài)決策的LKA系統(tǒng)開啟條件判斷與介入條件判斷包含多個(gè)狀態(tài)，由多個(gè)判斷流程組成，采用Stateflow進(jìn)行建?？梢郧逦乇磉_(dá)各信號(hào)、條件以及狀態(tài)之間的邏輯關(guān)系。

2.3 車道跟隨控制器

車道自動(dòng)跟隨控制器的結(jié)構(gòu)原理如圖8所示，可分為橫向位置控制器和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角控制器。

圖8 車道自動(dòng)跟隨控制

2.3.1 橫向位置控制

橫向位置控制器根據(jù)車道線識(shí)別模塊得到的道路信息及車輛位置信息對(duì)車輛進(jìn)行控制，包含基于橫向偏移量的PD反饋控制和基于曲率的前饋控制兩部分。由于偏航角反映橫向速度的大小，即橫向偏移量的微分，考慮到進(jìn)行微分運(yùn)算可能導(dǎo)致的穩(wěn)定性問題，因而采用對(duì)橫向偏移量和偏航角的P控制：

式中，θr為保持車道所需要的目標(biāo)轉(zhuǎn)角；y為車輛相對(duì)于當(dāng)前車道的橫向偏移量；Ψ為偏航角；K為前方道路曲率；ky、kΨ、kR分別為根據(jù)車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的控制增益，可以依據(jù)車速進(jìn)行調(diào)整。

為了避免轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速過高導(dǎo)致危險(xiǎn)，θr的變化斜率受到限制；同時(shí)，為了避免LKA系統(tǒng)介入的瞬間目標(biāo)轉(zhuǎn)角與實(shí)際轉(zhuǎn)角相差過大導(dǎo)致轉(zhuǎn)速過快，在LKA系統(tǒng)未介入時(shí)令目標(biāo)轉(zhuǎn)角等于實(shí)際轉(zhuǎn)角。

2.3.2 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角控制

將橫向位置控制器計(jì)算得到的目標(biāo)轉(zhuǎn)角θr與轉(zhuǎn)角傳感器測得的實(shí)際轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角θ作差，得到轉(zhuǎn)角誤差e，從而計(jì)算得到車道跟隨力矩Tha。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角控制器可依據(jù)轉(zhuǎn)角閉環(huán)系統(tǒng)性能指標(biāo)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，亦可采用PID控制器，其輸出為：

式中，kp為比例項(xiàng)系數(shù)；ki為積分項(xiàng)系數(shù)；kd為微分項(xiàng)系數(shù)。

kp、ki、kd可依據(jù)車速調(diào)整，以適應(yīng)不同車速工況；積分項(xiàng)對(duì)消除轉(zhuǎn)角跟蹤穩(wěn)態(tài)誤差具有重要意義，為了消除積分飽和的負(fù)面效應(yīng)，同時(shí)可以快速消除穩(wěn)態(tài)誤差，為積分項(xiàng)單獨(dú)設(shè)定了飽和值，積分項(xiàng)達(dá)到飽和值后不再增加。

2.4 輸出力矩決策單元

為了便于對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過渡過程進(jìn)行設(shè)計(jì)，輸出力矩決策單元采用文獻(xiàn)[8]提出的LKA力矩疊加結(jié)構(gòu)。根據(jù)工作狀態(tài)和虛擬車道跟隨力矩獲得車道保持輔助力矩Tlka=Tha·γ。輸出力矩決策單元的輸入γ和Tha，輸出為Tlka。當(dāng)γ=1時(shí)，LKA系統(tǒng)輸出輔助力矩Tlka即為虛擬車道跟隨駕駛員力矩Tha；當(dāng)γ=0時(shí)，車道保持系統(tǒng)輸出的輔助力矩Tlka為零。

由于LKA系統(tǒng)從正常工作退出到待機(jī)或關(guān)閉狀態(tài)通常是由于駕駛員主動(dòng)轉(zhuǎn)向引起，此時(shí)駕駛員會(huì)緊握轉(zhuǎn)向盤，因而保證在LKA系統(tǒng)從正常工作退出到關(guān)閉狀態(tài)過程中車道保持輔助力矩退出得平穩(wěn)、順暢尤為重要，避免駕駛員轉(zhuǎn)向手感不適甚至駕駛恐慌。為了達(dá)到上述目的，輔助系數(shù)γ的變化率受到限制，如圖9所示。

同時(shí)，在輔助系數(shù)γ從1降為0的過程中，車輛位置的變化可能導(dǎo)致車道跟隨力矩Tha的波動(dòng)，從而使輸出的輔助力矩Tlka波動(dòng)，導(dǎo)致駕駛員手感不佳。如圖9所示，采用選擇模塊在輔助系數(shù)γ從1降為0時(shí)切換到記憶模塊存儲(chǔ)的Tha值，保證輸出的輔助力矩Tlka在狀態(tài)切換過程中線性變化，從而保證駕駛員的轉(zhuǎn)向手感舒適。

3 離線仿真與半實(shí)物仿真

為了對(duì)控制器的性能進(jìn)行測試驗(yàn)證，降低測試成本并提高安全性，本文通過Simulink仿真測試了車道保持性能，通過駕駛模擬器半實(shí)物仿真完善了人機(jī)交互相關(guān)的控制策略。

3.1 離線仿真

3.1.1 仿真模型

離線仿真結(jié)構(gòu)如圖10所示，車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件提供車輛模型與車道線檢測信息，車道保持輔助控制器以及EPS系統(tǒng)模型在Simulink中搭建，車道線檢測質(zhì)量、轉(zhuǎn)向燈信號(hào)等仿真輸入也由Simulink實(shí)現(xiàn)。

圖10 離線仿真結(jié)構(gòu)

3.1.2 離線仿真結(jié)果

車速70 km/h直線道路仿真結(jié)果如圖11所示，車輛逐漸偏離車道，第12 s時(shí)介入條件滿足，輔助系數(shù)γ由0調(diào)整為1，此時(shí)車輛偏出車道中心線約0.7 m，LKA系統(tǒng)開始介入。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角變化率受到限制，轉(zhuǎn)角平穩(wěn)變化，車輛平緩返回車道中心線附近，此后，LKA系統(tǒng)主動(dòng)平緩?fù)顺觥?/p>

圖11 直道LKA系統(tǒng)介入仿真結(jié)果

車速70 km/h時(shí)LKA系統(tǒng)在彎道中的仿真測試結(jié)果如圖12所示，車輛橫向偏移量0.2 m時(shí)LKA系統(tǒng)即介入。測試彎道包含左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎，最小曲率半徑200 m，在LKA系統(tǒng)控制下車輛返回車道中心線附近，橫向偏移量控制在0.09 m以內(nèi)。

3.2 駕駛模擬器半實(shí)物仿真

基于駕駛模擬器的試驗(yàn)平臺(tái)同基于實(shí)車的試驗(yàn)平臺(tái)相比具有變量可控、安全性高、試驗(yàn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此本文選擇在駕駛模擬器上完善人機(jī)交互相關(guān)策略，如圖13所示。利用虛擬交通場景軟件搭建各式場景并即時(shí)顯示；轉(zhuǎn)向反力模擬設(shè)備通過反力電機(jī)模擬真實(shí)的駕駛手感；快速原型控制器內(nèi)實(shí)時(shí)運(yùn)行LKA控制算法。

圖12 彎道LKA系統(tǒng)介入仿真結(jié)果

圖13 固定基座駕駛模擬器

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的LKA系統(tǒng)退出過程不對(duì)駕駛員產(chǎn)生干擾，在駕駛模擬器上進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)：駕駛員分別在LKA系統(tǒng)開啟和關(guān)閉的狀態(tài)下不開啟轉(zhuǎn)向燈進(jìn)行變道超車操作，并記錄對(duì)比駕駛員轉(zhuǎn)向力矩、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和車輛橫向偏移量。試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示，兩種情況下轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與橫向偏移量變化過程接近，LKA系統(tǒng)退出時(shí)扭矩傳感器值沒有明顯波動(dòng)，駕駛員接管過程平穩(wěn)，LKA系統(tǒng)未對(duì)駕駛員變道產(chǎn)生明顯干擾，驗(yàn)證了LKA系統(tǒng)退出過程設(shè)計(jì)的合理性。

圖14 LKA開啟/關(guān)閉情況下的變道對(duì)比

4 實(shí)車道路試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)平臺(tái)

道路試驗(yàn)在如圖15所示的試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)車為一款B級(jí)車。車輛安裝了單目攝像頭以檢測車道線；控制器采用快速原型控制器；為了最大限度地保留原車EPS控制器的功能，對(duì)EPS扭矩傳感器信號(hào)進(jìn)行了替代，通過在原扭矩傳感器信號(hào)上疊加輔助力矩值得到虛擬駕駛員轉(zhuǎn)向力矩，EPS控制器會(huì)根據(jù)虛擬駕駛員轉(zhuǎn)向力矩、車速及助力曲線控制EPS電機(jī)力矩，符合圖1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。常見的EPS扭矩傳感器輸出信號(hào)有模擬電壓信號(hào)和單邊半字節(jié)傳輸協(xié)議信號(hào)等，通過對(duì)原信號(hào)解析獲得扭矩傳感器真實(shí)輸出，疊加LKA輔助力矩后輸出給原車EPS控制器，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向介入。

圖15 實(shí)車試驗(yàn)平臺(tái)

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

直道測試結(jié)果如圖16所示，車輛偏出車道過程中LKA系統(tǒng)可以及時(shí)介入使車輛保持在車道中心，車輛最大橫向偏移量達(dá)到0.72 m后平穩(wěn)減小，5 s后車輛回到車道線中心。由于實(shí)車的轉(zhuǎn)向盤小轉(zhuǎn)角跟蹤效果難以如仿真一樣理想，車輛返回車道中心耗時(shí)較仿真要長。

圖16 實(shí)車LKA系統(tǒng)直道介入試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的力矩疊加架構(gòu)可以將電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向功能與車道保持輔助功能良好地集成在一起，提高了人機(jī)交互的安全性和舒適性。但如何選擇最優(yōu)的控制參數(shù)，以及實(shí)現(xiàn)駕駛員個(gè)性化自適應(yīng)有待進(jìn)一步研究。