車道保持系統(tǒng)研究

季鑫

摘 要：為了減少由于駕駛?cè)朔中幕蚱谠斐傻能嚨榔x事故，提出一種車道保持控制系統(tǒng)。根據(jù)道路線性將道路分為直線路段和曲線路段，利用跨道時間來判斷車輛將偏離車道;駕駛員的操作狀態(tài)根據(jù)轉(zhuǎn)向燈信號及轉(zhuǎn)矩信號來進行判斷。綜合車道偏離信息與駕駛員操作信息來判斷車道保持系統(tǒng)是否工作;車道保持系統(tǒng)的控制策略采用單點預(yù)瞄最優(yōu)曲率駕駛員模型。仿真結(jié)果表明，模型能夠?qū)崿F(xiàn)車道保持功能。關(guān)鍵字：車道保持系統(tǒng);駕駛員模型;聯(lián)合仿真

中圖分類號：U462.1 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）10-46-03

Research on lane keeping Assistance system

Ji?Xin

（ School of Automobile， Changan University， Shaanxi Xian?710064?）

Abstract：?In order to reduce lane departure accidents caused by driver distraction or fatigue，we study Lane Keeping Assistance System. This article divides the road into straight sections and curved sections according to road linearity， and uses cross-lane time to judge whether the vehicle is in danger of deviating from the lane. The driver's operation state is judged based on the signal signal and the torque signal， and the information of the lane departure is combined with the driver's operation information to judge whether the lane keeping system is working. The control strategy of lane holding system adopts the optimal curvature driver model with single point preview. Simulation results show that the model can realize lane keeping function.

Keywords：?Lane-keeping system; Driver model; Co-simulation

CLC NO.： U462.1 ?Document Code：A ?Article ID： 1671-7988（2020）10-46-03

1 引言

車道保持輔助系統(tǒng)（Lane Keeping Assistance System，LKAS）的發(fā)展基于車道偏離預(yù)警（Lane Departure Warning System），是防止車輛在正常的行駛過程中由于車道偏離發(fā)生交通事故。車道偏離預(yù)警系統(tǒng)能提醒駕駛員，車輛此時有駛出當前車道的危險，以此來提高車輛主動安全，降低車輛因偏離車道而引發(fā)交通事故的概率^[1]。車道保持系統(tǒng)能在車輛偏離車道線且駕駛員未采取相關(guān)措施時，接管車輛進行控制，使車輛回到車道中心線行駛。本文基于Carsim與MATLAB/?Simulink的聯(lián)合仿真，驗證車道保持控制系統(tǒng)控制策略的正確性。

2 車道保持系統(tǒng)的控制策略

車道保持系統(tǒng)是根據(jù)車-路相對位置以及車輛的當前狀態(tài)參數(shù)來計算車輛的跨道時間，從而判斷車輛是否會發(fā)生車道偏離。為保障駕駛員操作的最高優(yōu)先級，首先需判斷駕駛員是否主動操控車輛，綜合車道偏離信息來決定車道保持系統(tǒng)是否接管車輛。若車道保持系統(tǒng)接管車輛，則處于自動轉(zhuǎn)向模式，根據(jù)車道保持控制算法，計算此時車輛的理想方向盤轉(zhuǎn)角，作用于車輛，使方向盤轉(zhuǎn)動相應(yīng)角度，從而回到道路中心行駛。具體框架如圖1所示。

根據(jù)駕駛員是否打開轉(zhuǎn)向燈來判斷駕駛員的操作狀態(tài)。轉(zhuǎn)向燈打開則認為駕駛員正主動操縱車輛，駕駛員優(yōu)先控制車輛，按照駕駛員的意圖進行超車或換道，該情況下即使跨道時間小于設(shè)定閾值，系統(tǒng)也不會發(fā)生預(yù)警及干涉。如果駕駛員未打開轉(zhuǎn)向燈進行換道或超車，認為駕駛員無意識操作車輛，車道保持系統(tǒng)起作用。此外，駕駛員遭遇緊急情況時，雖然未打開轉(zhuǎn)向燈，但駕駛員作用于轉(zhuǎn)向盤上的力矩要比正常駕駛時更大，因此通過轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)矩來判斷駕駛員是否正在進行緊急操縱^[2]。

本文選擇的車道偏離的判斷模型為基于車輛跨越道路邊界線的時間模型即TLC模型^[3]。通過建立車輛運動學模型，根據(jù)當前車輛的行駛軌跡來預(yù)測將來車輛的行駛軌跡，并計算車輪接觸車道邊界線的最小時間即跨道時間（Time to Lane Cross，TLC）。如果TLC值大于設(shè)定閾值，則不發(fā)生車道偏離。如果計算得到的TLC值低于設(shè)定閾值，說明車輛有駛出當前車道的趨勢，發(fā)生車道偏離。

本文選擇郭孔輝提出的單點預(yù)瞄最優(yōu)曲率駕駛員模型作為車輛控制方法^[4]。

通過對駕駛員模型的分析，我們最終可得最優(yōu)方向盤轉(zhuǎn)角：

d為距離，δ代表方向盤轉(zhuǎn)角，i表示轉(zhuǎn)向系傳動比，L代表軸距。

3 仿真實驗設(shè)計

設(shè)計車道保持系統(tǒng)的前提條件是建立人-車-路的閉環(huán)系統(tǒng)，該閉環(huán)系統(tǒng)包括以下模型：車輛模型、道路模型、駕駛員模型、車-路相對位置模型。

3.1?車輛模型

本文的車輛動力學模型基于車輛動力學仿真軟件Carsim搭建的，Carsim中車輛模型精度較高，提供的信息包括偏航角、縱向速度、側(cè)向速度等。本文使用某款轎車的主要參數(shù)如表1所示。除了上述的結(jié)構(gòu)參數(shù)，制動系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和空氣動力學特性等參數(shù)選擇默認值。

3.2?道路模型

道路模型是車輛在仿真行駛中的環(huán)境，也是車輛在行駛過程中的參考路徑。道路模型可以根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)生成精確的空間三維路面模型，在該模型中，包括道路的線形、道路的縱斷面、道路的橫斷面，此外還可以對路面附著系數(shù)、道路的起伏等參數(shù)進行設(shè)置。本文建立了直線段模型與曲線段模型，直線段為100m的直線路段，曲線段為曲率半徑為900m的圓弧段路段。

3.3?駕駛員模型

駕駛員模型根據(jù)是否含有預(yù)瞄環(huán)節(jié)可以分為預(yù)瞄跟蹤模型和補償跟蹤模型兩大類，本文選擇駕駛員預(yù)瞄跟蹤系統(tǒng)中的最優(yōu)預(yù)瞄模型。在預(yù)瞄時間內(nèi)，確定車輛的運動狀態(tài)及其與車道的相對位置，然后建立車輛的目標側(cè)向位置與實際側(cè)向位置間偏差，從而算出方向盤轉(zhuǎn)角。在曲線路段的仿真計算中，加入了PID反饋控制，使得車輛模型能夠更好的跟蹤預(yù)先設(shè)定的路徑。

3.4?車-路相對位置模型

車-路相對位置模型即跨道時間模型。跨道時間的計算要基于車輛模型和車輛運動狀態(tài)，在預(yù)測過車輛的運動軌跡之后，計算車輛從當前位置行駛至車輪接觸道路邊界線所需要的時間。

3.5?仿真模型

具體的仿真分為直線路段與曲線路段兩個模塊，由于曲線路段的模型較為復(fù)雜，加入了PID反饋控制。

4 仿真結(jié)果

4.1?仿真結(jié)果

仿真工況：車速72km/h，仿真時間25秒，預(yù)瞄時間為0.8s在仿真開始時，方向盤初始角度為0°，在車輛行駛2秒時給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一個向左的階躍輸入，使車輛向左偏離車道，在車輛行駛13秒時給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一個向右的階躍輸入，使得車輛向右偏離車道，且在車輛向左或向右偏離道路的過程中不干預(yù)車輛運動，通過車道保持算法主動糾正車輛的動作。

在車輛行駛的2s，車輛開始向左偏移，當車輛運動到5s時偏移接近到離車道邊界線，車道保持系統(tǒng)開始起作用，主動控制車輛，經(jīng)過約3s時間車輛回到道路中心線，然后沿車道中心線行駛。在車輛行駛12s的時候，給車輛向右的偏離量，偏移過程及車道保持系統(tǒng)的作用過程跟車輛向左偏離類似，此處不再具體講述。

4.2?車道保持系統(tǒng)的魯棒性驗證

4.2.1 坡度對車道保持系統(tǒng)控制算法的影響

根據(jù)公路工程技術(shù)標準（JTG B01-2003）規(guī)定，二級公路（平原微丘區(qū)）設(shè)計時速60km/h的最大縱坡，應(yīng)不大于6%，在本文中，取坡度為5%，其他條件不改變。

當?shù)缆菲露葹?%時，直線路段的仿真結(jié)果與無坡度時直線段的仿真結(jié)果幾乎一樣，在2s時，車輛向左偏到5s偏移接近到離車道邊界線，車道保持系統(tǒng)開始起作用，主動控制車輛，經(jīng)過3s時間使得車輛回到道路中心線，然后沿著車道中心線行駛。行駛12s時，車輛向右偏離，當車輛運動到16s時偏移接近車道邊界線，車道保持系統(tǒng)主動控制車輛，經(jīng)過3s時間使得車輛回到道路中心線。因此認為坡度對車道保持控制算法準確度的影響不大。

4.2.2 車速及預(yù)瞄時間對車道保持系統(tǒng)控制算法的影響

在上文的研究中，車速都為72km/h，預(yù)瞄時間為0.8秒。在本節(jié)中，將驗證在不同車速下車道保持系統(tǒng)的魯棒性，并驗證本文預(yù)瞄時間的準確性。

當預(yù)瞄時間為0.8s時，在不同速度下，車道保持控制系統(tǒng)都能及時響應(yīng)，但隨著速度增加，車輛回正時超調(diào)量增大，高速行駛時，車輛不能很好的跟隨車道中心線行駛，會在車道中心線附近波動。

對比同一車速下不同預(yù)瞄時間車道保持系統(tǒng)的控制效果，預(yù)瞄時間越長，回正時間越大，車輛平順性越好，且中低速時，預(yù)瞄時間長，控制效果更好，高速行駛時，預(yù)瞄時間短，控制效果更好。本文所采取的0.8s處于中間值，能較好的適應(yīng)不同車速的需求，選擇較為合理。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了車道保持系統(tǒng)的模型框架，并在Carsim中完成搭建車輛模型、道路模型，在Simulink中完成搭建駕駛員模型、跨道時間算法模型，然后進行Carsim/Simulink聯(lián)合仿真實驗。實驗結(jié)果證明，基于跨道時間算法和單點預(yù)瞄模型的車道保持系統(tǒng)基本能實現(xiàn)車道保持的功能，有利于減小車道偏離事故發(fā)生的概率。

參考文獻

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