商用車車道保持輔助系統(tǒng)測(cè)試分析

曾 杰， 夏 鈞， 王 戡， 胡 雄， 蘇占領(lǐng), 吳昆侖

(1.重慶車輛檢測(cè)研究院有限公司 國(guó)家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心， 重慶 401122； 2.汽車主動(dòng)安全測(cè)試重慶市工業(yè)和信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 401122； 3.重慶力帆乘用車有限公司， 重慶 401122)

車道保持輔助系統(tǒng)(lane keeping assistance system, LKAS) 是一種重要的主動(dòng)安全系統(tǒng)，可緩解駕駛員在高速公路上的長(zhǎng)途駕駛疲勞，有效降低事故概率[1-2]。LKAS主要通過(guò)攝像頭識(shí)別車輛與車道線的相對(duì)位置關(guān)系，結(jié)合方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、車速、車輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)等信息，控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)完成對(duì)車道線的軌跡跟蹤[3-5]。現(xiàn)階段對(duì)于LKAS測(cè)試評(píng)價(jià)規(guī)程只有ISO 11270：2014[6]，而國(guó)內(nèi)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)還未正式頒布，LKAS的研發(fā)和測(cè)試缺乏評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。商用車由于車輛質(zhì)量大、重心高、軸距長(zhǎng)等因素，其LKAS工作的邊界條件和測(cè)試條件與乘用車存在較大差異[7]，因此對(duì)國(guó)內(nèi)商用車LKAS進(jìn)行摸底測(cè)試具有必要性。

1 國(guó)內(nèi)外LKAS測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

目前，國(guó)外的LKAS測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為ISO 11270；國(guó)內(nèi)暫時(shí)未頒布相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，但商用車和乘用車的LKAS測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)已立項(xiàng)，在完成標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證試驗(yàn)和多方征求意見(jiàn)后將會(huì)頒布。ISO 11270標(biāo)準(zhǔn)中的商用車和乘用車測(cè)試評(píng)價(jià)方法一致，差異在于評(píng)價(jià)指標(biāo)不同，且都只需要進(jìn)行直道和彎道試驗(yàn)即可。標(biāo)準(zhǔn)ISO 11270中的LKAS測(cè)評(píng)方法如下：

1) 直道偏離測(cè)試。要求直道測(cè)試時(shí)需以一定大小的橫向偏離速度左/右各偏離4次為一個(gè)單項(xiàng)試驗(yàn)組，單項(xiàng)試驗(yàn)組需8次試驗(yàn)一次性通過(guò)。評(píng)價(jià)指標(biāo)：重型車偏離出車道線距離最大值應(yīng)<1.1 m，輕型車偏離出車道線距離最大值應(yīng)≤0.75 m。

2) 彎道測(cè)試。測(cè)試彎道的車道線應(yīng)由如圖1所示的3部分組成，其中A段為直線段，A-B段為曲率逐漸增大的過(guò)渡段，B-C段為定曲率彎道。A-B段的長(zhǎng)度ds與B-C段的曲率半徑dc應(yīng)滿足dc/ds≤ 410-5m-2。彎道曲率半徑的選取應(yīng)將車輛橫向加速度控制在 0.5～1.0 m/s2之間。

ISO 11270對(duì)由LKAS作用引起的車輛降速量和加速度的要求為：由車道保持所引起的橫向加速度<3 m/s2；車輛橫向加速度變化率<5 m/s3；由車道保持引起的縱向減速度<3 m/s2；由車道保持引起的降速量<5 m/s。

國(guó)內(nèi)編寫(xiě)的LKAS標(biāo)準(zhǔn)草案，將商用車和乘用車的標(biāo)準(zhǔn)分別立項(xiàng)，兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)主要是參照ISO 11270的性能指標(biāo)和試驗(yàn)方法，測(cè)試評(píng)價(jià)的指標(biāo)相同；不同之處在于乘用車的LKAS標(biāo)準(zhǔn)中，加入了車道居中的測(cè)試評(píng)價(jià)要求。ISO 11270中提出了多項(xiàng)橫向、縱向的評(píng)價(jià)指標(biāo)，如何通過(guò)有效的測(cè)試評(píng)價(jià)方案評(píng)價(jià)LKAS的各項(xiàng)性能具有一定難度。

2 典型商用車LKAS測(cè)試及建議

本文測(cè)試采用兩輛重型貨車和一輛長(zhǎng)度大于9 m的公路運(yùn)輸客車作為試驗(yàn)車輛，測(cè)試車輛如圖2所示。客車和貨車1裝備國(guó)外供應(yīng)商的LKAS，貨車2裝備國(guó)產(chǎn)LKAS。國(guó)內(nèi)外兩種LKAS在傳感方面都采用攝像頭，都通過(guò)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軌跡控制，兩者的主要差異在整車調(diào)試匹配和控制策略。測(cè)試手段采用高精度定位的組合慣導(dǎo)系統(tǒng)，測(cè)量車輪外沿與車道線外沿的距離作為車道保持能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖2 測(cè)試用典型商用車

2.1 直道測(cè)試及結(jié)果分析

2.1.1 直道測(cè)試

預(yù)先擺放間隔50 m標(biāo)識(shí)錐桶，如圖3所示。試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)車速為72 km/h，在達(dá)到試驗(yàn)車速后，待車輛LKAS人機(jī)交互界面顯示系統(tǒng)已經(jīng)準(zhǔn)備好后，駕駛員激活LKAS功能，當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)第一個(gè)錐筒位置時(shí)，駕駛員分別向車道左側(cè)或右側(cè)控制車輛偏離當(dāng)前車道，并在第二個(gè)錐筒位置結(jié)束車輛方向控制，讓LKAS接管車輛，實(shí)現(xiàn)以一定偏離速度到距車道線某位置的試驗(yàn)激勵(lì)輸入。試驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5和圖6所示，車輪前輪外沿距離車道線邊界距離<0表示車輪在車道線外，≥ 0表示車輪在車道線內(nèi)。LKAS作用后，車輛需要行駛一段距離才能進(jìn)入穩(wěn)定行駛狀態(tài)，本文選取了車輛開(kāi)始偏離車道的橫向偏離速度、開(kāi)始偏離時(shí)對(duì)應(yīng)的車輪距離車道線距離和LKAS作用后車輪與車道線之間的距離為一組測(cè)試結(jié)果點(diǎn)，作為評(píng)價(jià)LKAS性能的指標(biāo)。

圖3 直道測(cè)試方法示意圖

圖4 客車—LKAS測(cè)試結(jié)果

圖5 貨車1—LKAS測(cè)試結(jié)果

圖6 貨車2—LKAS測(cè)試結(jié)果

從圖中的測(cè)試結(jié)果看出：

1) 客車在空載的情況下，初始偏離位置大部分在車道線外，LKAS作用后能夠?qū)④囕v穩(wěn)定保持在車道內(nèi)行駛，同時(shí)LKAS也能將偏離出車道線外的滿載客車保持在車道線內(nèi)行駛，且隨著偏離速度的增大，性能未發(fā)生較大改變。

2) 貨車1測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，空載時(shí)不論初始偏離位置和偏離速度大小，LKAS 作用后車輛能夠保持在車道較為中心位置行駛。偏離車速<0.5 m/s且滿載時(shí)，隨著偏離速度和偏離位置增大，車輛容易在車道線內(nèi)左右行駛擺動(dòng)較大，但始終在車道線內(nèi)。偏離車速≥0.5 m/s時(shí)，車輛達(dá)到穩(wěn)定行駛狀態(tài)所需距離相對(duì)較長(zhǎng)，且最大偏離出車道線位置為0.52 m。

3) 貨車2在空載時(shí)，偏離車速≥0.5 m/s且偏離位置在車道線外側(cè)0～0.6 m內(nèi)，LKAS作用后，車輛能夠在車道中間較為穩(wěn)定地行駛。滿載時(shí)，車輛容易偏出車道，且需要更長(zhǎng)的行駛距離以穩(wěn)定車輛狀態(tài)，但是偏離范圍仍然在ISO 11270要求的范圍之內(nèi)，滿載和空載的性能區(qū)別較大。

2.1.2 直道測(cè)試結(jié)果分析

1) 客車與貨車在空載和滿載時(shí)都會(huì)以S形路線行駛一段距離達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。由于客車操控性比貨車更好[8]，客車的LKAS介入軌跡干預(yù)能力比貨車更強(qiáng)，因此客車相較于貨車達(dá)到穩(wěn)定行駛狀態(tài)所需距離和時(shí)間更短，同時(shí)客車更容易保持在車道中間行駛。

2) 貨車1空載和滿載時(shí)偏出在車道線同一側(cè)，且偏出的距離差距較??；而貨車2則差異相對(duì)較大。說(shuō)明國(guó)產(chǎn)LKAS對(duì)車輛的行駛軌跡控制能力和穩(wěn)定性表現(xiàn)相對(duì)較弱。

ISO 11270中未對(duì)LKAS介入后的各次偏出車道的距離進(jìn)行限制，也未對(duì)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間進(jìn)行限制。

2.2 彎道測(cè)試及結(jié)果分析

2.2.1 彎道測(cè)試

彎道測(cè)試的方法國(guó)內(nèi)外一致，主要采用逐漸提高測(cè)試車速，從而逐漸增加側(cè)向加速度，測(cè)試所選用固定彎道半徑為R=500 m。在彎道時(shí)，如果側(cè)向加速度越大，則控制難度會(huì)上升[8-9]，當(dāng)車速增加至LKAS無(wú)法將車輛保持在可控范圍之內(nèi)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。客車和貨車兩種載荷下的彎道測(cè)試結(jié)果分別如圖7、圖8和圖9所示。從圖中結(jié)果可以看出：

1) 客車在滿載和空載的情況下，車道保持能力良好，其左側(cè)車輪偏離出車道線的位置和側(cè)向加速度，同時(shí)隨試驗(yàn)車速的增加而增大，但是車輛側(cè)向加速度增大較為明顯。

2) 貨車1在空載情況下能夠以70 km/h的速度完成試驗(yàn)，但側(cè)向加速度已經(jīng)達(dá)到1.1 m/s2。貨車1在滿載情況下，車速達(dá)到63 km/h時(shí)，車輛已經(jīng)偏離車道1.24 m,并且車輛的側(cè)向加速度也達(dá)到了1.1 m/s2，繼續(xù)增加試驗(yàn)車速，車輛駛出車道。

3) 貨車2 滿載時(shí)，試驗(yàn)車速能達(dá)到66 km/h，車輛偏離車道1.12 m，繼續(xù)增加試驗(yàn)車速，則車輛駛出車道。由于滿載時(shí)，貨車的長(zhǎng)度和質(zhì)量影響了整體車輛的操縱能力[10]，隨試驗(yàn)車速增大，LKAS糾正能力達(dá)到設(shè)定限制，貨車容易駛出車道。

圖7 客車—LKAS彎道測(cè)試結(jié)果

圖8 貨車1—LKAS彎道測(cè)試結(jié)果

圖9 貨車2—LKAS彎道測(cè)試結(jié)果

2.2.2 彎道測(cè)試結(jié)果分析

由于滿載客車操控性能比滿載貨車性能好，因此彎道試驗(yàn)的極限試驗(yàn)車速比貨車1和貨車2更高。貨車1在彎道已經(jīng)偏離出車道線，而貨車2達(dá)到極限偏離位置的車速更高。車輛LKAS在彎道行駛時(shí)由于車速增加造成側(cè)向加速度增大，若LKAS強(qiáng)行將車輛保持在車道線中間，則有可能造成車輛側(cè)滑等不可預(yù)見(jiàn)性后果，因此，車輛LKAS在彎道的控制策略應(yīng)根據(jù)車輛的實(shí)際操控表現(xiàn)進(jìn)行合理匹配[11-12]。車輛LKAS無(wú)法糾正車輛行駛軌跡時(shí)，LKAS仍然沒(méi)有觸發(fā)車輛降速，因此無(wú)法評(píng)價(jià)LKAS引起的降速量指標(biāo)。

彎道試驗(yàn)并未體現(xiàn)國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)與國(guó)外系統(tǒng)的性能差異，測(cè)試工況未能全部實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)中要求的測(cè)試評(píng)價(jià)指標(biāo)，需要更詳細(xì)的測(cè)試評(píng)價(jià)方案以達(dá)到全面評(píng)價(jià)LKAS性能。

2.3 建議

針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果，提出以下幾點(diǎn)建議：

1) 建議直道偏離車速激勵(lì)設(shè)置在0.6～0.7 m/s以內(nèi)，以保證車輛能夠糾正至本車道，同時(shí)駕駛員更容易實(shí)現(xiàn)該范圍的偏離車速,同時(shí)應(yīng)增加糾正時(shí)間范圍，以嚴(yán)格要求LKAS糾偏能力。

2) 由于滿載的車輛更容易偏離出車道，并且隨車速變化明顯，因此建議彎道試驗(yàn)車速60 km/h。建議先由LKAS引起降速，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的最大降速量仍然無(wú)法滿足LKAS正常工作的側(cè)向加速度要求時(shí)，LKAS才能夠提示駕駛員接管車輛，而非直接駛出車道。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前, 國(guó)內(nèi)外LKAS測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)都存在一定的局限性，對(duì)于未來(lái)國(guó)標(biāo)或行標(biāo)制定時(shí)，建議合理提出試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)方法，以更好地指導(dǎo)企業(yè)設(shè)計(jì)、制造LKAS和評(píng)價(jià)LKAS性能。