LKA系統(tǒng)控制策略研究

辛乾 蘆凡 楊航

摘 要：首先完成了LKAS控制系統(tǒng)邏輯架構(gòu)的構(gòu)建，同時針對汽車側(cè)向動力學的強非線性及參數(shù)時變特性，利用預瞄控制原理設(shè)計了轉(zhuǎn)向控制算法，應用在車輛的車道保持控制系統(tǒng)中。通過Trucksim和Matlab聯(lián)合仿真的初步驗證，該算法能夠?qū)崿F(xiàn)不同車速下對車輛的良好循跡控制。

關(guān)鍵詞：車道保持;聯(lián)合仿真;預瞄控制

中圖分類號：U462 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）21-95-03

Abstract： Firstly， the logic architecture of LKAS control system is constructed. At the same time， aiming at the strong nonlinearity and time-varying characteristics of vehicle lateral dynamics. Based on the preview control principle， a steering control algorithm is designed and applied to the lane keeping control system of vehicle. Through the preliminary verification of the joint simulation of Trucksim and Matlab， the algorithm can realize good tracking control for vehicles at different speeds.

Keywords： Lane Keeping Assistance System; Co-simulation; Preview control

CLC NO.： U462 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）21-95-03

前言

隨著我國駕駛員數(shù)量和機動車保有量的迅速增加，因交通事故傷亡的人數(shù)也呈現(xiàn)上升趨勢。歐美等發(fā)達國家曾對交通事故進行調(diào)查發(fā)現(xiàn)在已發(fā)生的交通事故中約80%的事故與駕駛員有關(guān)，其中由于駕駛員注意力不集中造成的交通事故占有很大比重[1]。美國國家公路交通安全管理局統(tǒng)計結(jié)果表明：約30%的交通事故由車輛追尾引發(fā)，約20%的交通事故由車輛駛出預定車道造成[2]。2008 年美國聯(lián)邦公路局統(tǒng)計在重大交通事故中近50%與車輛駛出原車道有關(guān)[3]。

美國聯(lián)邦公路局相關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示安裝LDWS可把由車輛偏離車道引發(fā)交通事故的概率降低30%～70%[4]。故LKAS的開發(fā)對于提升車輛安全性意義重大。

1 設(shè)計目標

本策略用于車輛駕駛輔助中的車道保持系統(tǒng)（LKAS），該系統(tǒng)幫助駕駛員將車輛控制到當前道路中，通過獲取車輛在道路里的位置信息等，實時監(jiān)控車輛狀態(tài)，并在需要時向控制器發(fā)送命令來調(diào)節(jié)車輛的橫向位移。按照相關(guān)標準要求，該系統(tǒng)應能滿足60km/h以上車速正常工作的要求。

2 LKAS系統(tǒng)的基本架構(gòu)

車道保持系統(tǒng)主要由四部分組成：感知層、信息處理層、決策層和執(zhí)行層。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

感知層：即信息采集系統(tǒng)包括各種傳感器和圖像處理模塊，是LKAS車道信號和車輛狀態(tài)信號的來源;

信息處理層：接收感知層采集的各種信號并進行數(shù)據(jù)處理，得到車輛與車道線的相對位置關(guān)系，然后向決策層各模型傳遞處理后的信號;

決策層：主要由車道偏離預警算法、駕駛員操作狀態(tài)辨識算法和車道保持主動控制算法三部分組成，該層通過判斷車輛的運動狀態(tài)和獲取車輛位置信息確定是否向執(zhí)行層發(fā)送命令，它決定LKAS 的工作狀態(tài);

執(zhí)行層：執(zhí)行決策層的命令，利用轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制車輛運動，修正其運動軌跡使之回到原行駛車道。

3 LKAS系統(tǒng)控制算法

本文主要對決策層的控制算法進行討論，其主要包含以下幾個方面：

3.1 車道偏離預警

車道偏離預警工作過程如下圖：

車道偏離預警方法為基于TLC（Time To Lane Crossing）的預警算法。TLC是指從汽車當前位置開始到汽車與車道線開始接觸為止所需的運動時間。該方法基于未來特定時間內(nèi)的車輛動力學模型做出有效假設(shè)，根據(jù)建立的車輛運動模型和對前方道路的正確識別，最后識別出汽車即將跨越道路邊界的時間。當時間小于某一閾值時，觸發(fā)系統(tǒng)進行聲光報警，提醒駕駛員。

基于TLC的算法又可以分為縱向TLC與橫向TLC，分別基于縱向距離、速度和橫向距離、速度計算TLC值，由于TLC算法將車輛運動狀態(tài)簡化的認為在未來一定時間內(nèi)維持不變，而實際車輛行駛過程中的運動狀態(tài)是時刻變化的，尤其是車輛橫向運動的不穩(wěn)定性更加明顯，為盡可能確保對車輛未來軌跡預測的準確性，本文采用依據(jù)縱向距離和速度的TLC計算方法。

實際的TLC計算過程中還要充分考慮道路的曲率半徑，延伸方向，實際車道線寬度，車輛軌跡的曲率半徑等時變參數(shù)，從而準確的計算出當前工況下的TLC值。

3.2 駕駛員操作狀態(tài)辨識

LKAS執(zhí)行預警命令或主動控制命令前須識別駕駛員操作狀態(tài)，判斷車輛當前偏離狀態(tài)是不是駕駛員有意為之，避免人車沖突，避免影響人機友好性。駕駛員操作狀態(tài)辨識主要依據(jù)如下兩個信號，同時結(jié)合車輛狀態(tài)進行判定。具體如下：

1）轉(zhuǎn)向燈信號，當轉(zhuǎn)向燈有信號且與車輛偏離方向一致時，認為駕駛員為有意識操作，不觸發(fā)報警;

2）方向盤力，當電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力矩傳感器檢測到的方向盤力矩大于某一閾值時，認為駕駛員為有意識操作車輛，此時即使車輛偏離當前車道線行駛，也不觸發(fā)報警。

3.3 車道保持主動控制算法

在車道偏離預警啟動后，若判斷駕駛員并沒有控制車輛，控制器將主動控制車輛回到車道中心線位置。此時根據(jù)車輛質(zhì)心距離車道中心線的距離，以及橫向穩(wěn)定性要求，控制器將規(guī)劃出當前時刻車輛到道路中心線的路徑。控制過程中，基于路徑偏差序列生成方向盤轉(zhuǎn)角控制參數(shù)。

3.3.1 軌跡規(guī)劃

采用如下路徑算法：

上式中Y，X為規(guī)劃的軌跡坐標，dx1、dx2、dy1、dy2、z1、z2為軌跡曲線的設(shè)置參數(shù)。通過不同的參數(shù)選擇可對換道曲線的曲率半徑、橫向偏移量等進行參數(shù)化設(shè)置，根據(jù)車輛實際運行狀態(tài)及工程經(jīng)驗進行設(shè)置。

3.3.2 轉(zhuǎn)向控制算法

經(jīng)過合理簡化，建立車輛二自由度的單軌模型如下圖所示：

根據(jù)車輛動力學模型，為了使車輛以最小的誤差沿著期望的路徑形式，建立期望的方向盤轉(zhuǎn)角與預瞄誤差、車速、預瞄距離以及車輛基本參數(shù)的函數(shù)如下：

上式中dpreview為預瞄距離，需要根據(jù)工程經(jīng)驗具體確定。

4 仿真效果

4.1 仿真模型的搭建

通過Trucksim對整車建立動力學模型，與simulink的預瞄控制算法進行聯(lián)合仿真。仿真模型搭建如下所示：

給定參考軌跡，通過控制算法使得實際軌跡較好的跟蹤參考軌跡，參考軌跡根據(jù)3.3.1中公式生成，具體的軌跡如下圖所示：

4.2 仿真結(jié)果

設(shè)定的預瞄距離根據(jù)工程經(jīng)驗確定，車輛行駛速度為60km/h，各個預瞄點的權(quán)重值根據(jù)車輛的速度及預瞄距離確定，仿真結(jié)果如下所示：

5 總結(jié)與展望

1）控制策略整體滿足了LKAS的功能需求，能較準確地判斷車輛狀態(tài)，駕駛員意圖，并在必要時對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行控制保持車輛按當前車道行駛。

2）下一步擬對對EPS系統(tǒng)的動態(tài)響應特性進行研究，進一步優(yōu)化前輪轉(zhuǎn)角控制算法。

參考文獻

[1] 王武宏，孫逢春等.道路交通系統(tǒng)中駕駛行為理論與方法[M].北京： 科學出版社，2001.

[2] Pomerleau D， Jochem T， Thorpe C， et al. Run-off-road collision avoi -dance using IVHS countermeasures[J].DOT HS，1999， 809（170）： 88.

[3] American Association of State Highway and Transportation Officials， Driving Down Lane-Departure Crashes： A National Priority [N]. Fatalities， 2008.

[4] Gonzalez-Mendoza M，Jammes B，Hernandez-Gress N，et al.A com -parison of road departure warning systems on real driving condi -tions[C]//Intelligent Transportation Systems，2004.Proceedings. The 7th International IEEE Conference on. 2004：349-354.