基于PID反饋和前饋的車道保持控制策略研究

中圖分類號：U462 文獻標(biāo)識碼：A

0引言

自主轉(zhuǎn)向控制策略作為車道保持輔助系統(tǒng)的主要核心技術(shù)之一，是保證車輛穩(wěn)定行駛在預(yù)定軌跡至關(guān)重要的一環(huán)。施衛(wèi)等人根據(jù)車輛動力學(xué)模型設(shè)計了一種基于LQR 的控制器模型，羅莉華結(jié)合車輛側(cè)向動力學(xué)模型和模型預(yù)測控制（MPC）設(shè)計了一種車道保持控制系統(tǒng)，并且都通過在線仿真驗證了控制模型的性能。上述兩種方案雖已經(jīng)過仿真的驗證，但是都太過于依賴車輛動力學(xué)模型。而實際車輛的動力學(xué)與道路環(huán)境密切相關(guān)，要想很好地應(yīng)用在實際車輛的控制中，較為困難。

郭洪強設(shè)計了一種包含了前饋控制和PID反饋控制的控制系統(tǒng)，并通過實際車輛進行了驗證，表明了PID反饋控制結(jié)合前饋控制在實際應(yīng)用中的可行性。但是由于只考慮了車輛當(dāng)前位置的誤差，系統(tǒng)會存在振蕩周期過長甚至不收斂的情況?？紤]到駕駛員在駕駛時會注視前方遠(yuǎn)近2 個不同區(qū)域，所以在使用駕駛員預(yù)瞄機制時，要充分考慮前方遠(yuǎn)、近2個區(qū)域。張慧豫便提出了基于遠(yuǎn)、近預(yù)瞄點的轉(zhuǎn)向控制模型，該模型的遠(yuǎn)近點設(shè)置如圖1 所示。但是該控制模型采用的是基于內(nèi)模轉(zhuǎn)向控制的方法，雖經(jīng)過了仿真試驗，但是缺少實車的驗證。

基于上述結(jié)論，本文考慮了遠(yuǎn)、近預(yù)瞄點對轉(zhuǎn)向控制的作用效果以及曲率前饋控制的補償作用，設(shè)計了一種包含PID反饋和前饋的控制策略。其中，遠(yuǎn)、近預(yù)瞄點的PID反饋控制用于消除車輛與目標(biāo)軌跡間的橫向偏差及航向偏差，使車輛能快速且穩(wěn)定地回到目標(biāo)軌跡。前饋控制用于消除在彎道中由曲率帶來的較大偏差量，使得遠(yuǎn)、近預(yù)瞄點的PID控制模型在直道與彎道中不會有太大差異，避免彎道中的PID超調(diào)及控制量不足情況，提升控制系統(tǒng)的過彎能力，也便于PID參數(shù)的調(diào)節(jié)。

1 遠(yuǎn)、近點預(yù)瞄模型

1.1 遠(yuǎn)、近預(yù)瞄點的設(shè)計

本文將遠(yuǎn)、近預(yù)瞄點均設(shè)置在車輛的目標(biāo)軌跡上（圖2）。其中，近預(yù)瞄點主要用于快速消除與目標(biāo)軌跡的橫向誤差，遠(yuǎn)預(yù)瞄點用于消除與目標(biāo)軌跡的航向誤差。

為了更加符合駕駛員的真實駕駛習(xí)慣，遠(yuǎn)、近預(yù)瞄點的距離根據(jù)車速的大小設(shè)定?？稍诟咚俣刃旭倳r，將預(yù)瞄點拉遠(yuǎn);在低速度行駛時，將預(yù)瞄點拉近，具體關(guān)系如下：

2.2 前饋控制量標(biāo)定

考慮到車輛滑移及橫擺角速率的影響，在不同的車輛速度中，車輛對同一曲率的彎道所需方向盤轉(zhuǎn)角不同，故前饋控制量δfeedforward需根據(jù)速度及道路曲率進行實車標(biāo)定獲得。

3 實車驗證

本文使用某車型進行了上述車道保持控制策略的驗證，在車輛前擋風(fēng)玻璃中間安裝了可輸出車道線信號的智能攝像頭傳感器，用于獲取道路車道線信號?？刂颇Ｐ蛙浖浽诨谟w凌TC367芯片的控制器中，通過CAN 總線實現(xiàn)控制器與攝像頭傳感器和車輛的信號通信，并通過CANoe設(shè)備采集測試數(shù)據(jù)（圖3）?？刂破鲗⒖刂颇Ｐ陀嬎愕贸龅姆较虮P轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)發(fā)送給車輛EPS執(zhí)行器，通過EPS 控制車輛的轉(zhuǎn)向。本文在標(biāo)定完成遠(yuǎn)、近點PID參數(shù)及前饋補償量后，進行了直道、彎道以及長距離快速路的實車測試驗證。

3.1 直道測試

為了驗證車輛在偏離車道后的中心線回歸能力及車道保持性能，在啟用車道保持控制前通過向車輛方向盤施加駕駛員扭矩使車輛偏離中心線，再啟用車輛車道保持控制。左右車道線及車道中心線的橫向偏差如圖4所示，期望方向盤轉(zhuǎn)角和車輛實際執(zhí)行的方向盤轉(zhuǎn)角如圖5所示。通過圖4 可以看出，車輛與目標(biāo)軌跡的橫向偏差始終保持在極小范圍內(nèi)且無較大波動。即使經(jīng)駕駛員手力介入，使車輛偏離中心線（如圖4所示的8s處），車輛也可在一個振蕩周期內(nèi)回到車道中心線，且無過大超調(diào)及振蕩情況。從圖5 也可看出，方向盤轉(zhuǎn)角很快收斂，表明了控制模型在直道中良好的控制性能。

3.2彎道測試

圖6為左右車道線、期望中心線的橫向偏差及左右車道線曲率，當(dāng)一側(cè)車道線橫向偏差突變時，可以利用另一側(cè)車道線及歷史車道寬度計算車道中心線。圖7為控制模型計算的期望方向盤轉(zhuǎn)角和EPS 實際執(zhí)行的方向盤轉(zhuǎn)角。數(shù)據(jù)表明，當(dāng)曲率存在波動變化的情況下，車道中心線橫向偏差依然能保持在一定范圍內(nèi)，未發(fā)生較大波動?？梢娍刂颇Ｐ湍軐④囕v穩(wěn)定控制在車道中心。

3.3 快速道路綜合測試

圖8為在快速道路上用CANoe錄制的測試數(shù)據(jù)。可以看出，在LKA狀態(tài)為激活狀態(tài)時，左右車道線橫向偏差穩(wěn)定保持在一定范圍之內(nèi)，說明車輛可穩(wěn)定的行駛在車道中心。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的車道保持控制策略結(jié)合了基于曲率的前饋控制和基于遠(yuǎn)、近預(yù)瞄點的PID反饋控制，并經(jīng)實車測試驗證，在不同車速以及在不同曲率的車道中均可實現(xiàn)良好的車道保持功能。該控制策略適用于眾多車型的車道保持開發(fā)，但控制效果較為依賴PID參數(shù)及前饋控制參數(shù)，而且參數(shù)的標(biāo)定需要一定經(jīng)驗的積累。