基于車(chē)道偏離閥值提高LKAS性能研究

吳成偉　馮嘉欣　王華　馮軍　李宇緯　柯忠澤

摘 要：隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，客戶(hù)對(duì)車(chē)輛的需求逐漸由功能向性能轉(zhuǎn)變。車(chē)道保持等智能駕駛功能漸漸得到應(yīng)用及推廣，但目前性能方面還有一定的可提升空間。為了提高車(chē)道保持輔助的駕駛性能，本文闡述車(chē)道保持輔助的激活閥值設(shè)置，根據(jù)車(chē)輛的行駛路線規(guī)劃及其時(shí)時(shí)路況動(dòng)態(tài)推薦輔助模式，推薦相對(duì)適合路況的車(chē)道保持輔助模式。經(jīng)過(guò)理論分析及實(shí)車(chē)測(cè)試數(shù)據(jù)表明，結(jié)合車(chē)輛狀態(tài)及其道路工況信息、推薦最優(yōu)車(chē)輛保持模式，駕駛員參考推薦模式、根據(jù)駕駛員熟悉的路況、及其駕駛員的精神狀態(tài)進(jìn)行選駕駛模式，能提高車(chē)輛駕駛的性能。

關(guān)鍵詞：智能駕駛 車(chē)道保持輔助 駕駛性能 閥值

A Research on Improving Properties of LKAS Driver based on Threshold Value

Wu Chengwei，F(xiàn)eng Jiaxin，Wang Hua，F(xiàn)eng Jun，Li Yuwei，Ke Zhongze

Abstract：With the development of the automobile industry， customer demand for vehicles has gradually shifted from function to performance. Intelligent driving functions such as lane keeping are gradually being applied and promoted， but there is still room for improvement in performance. In order to improve the performance of lane keeping assisted driving， this article describes the setting threshold of the road deviation line， based on the vehicle's driving route planning and real-time road conditions， dynamically recommending the lane keeping assist mode， which is relatively suitable for road conditions. The theoretical analysis and actual vehicle test show that it can improve the driving performance of the vehicle， to choose the drive mode by combining vehicle status and road conditions information， recommending the optimal vehicle retention mode， the recommended mode working as reference for driver or according to the drivers familiar road conditions， and considering the drivers mental state.

Key words：intelligent drive lane， lane keeping assistance， driving performance， threshold

1 引言

當(dāng)被動(dòng)安全技術(shù)發(fā)展到一定的程度后，再難以有大幅度的提高。為了繼續(xù)提高車(chē)輛的安全系數(shù)、降低車(chē)輛發(fā)生事故的傷亡率，主動(dòng)安全成為重要途徑，在汽車(chē)自動(dòng)防撞系統(tǒng)（automatic collision avoidance system）、車(chē)道保持輔助系統(tǒng)（Lane Keeping Assistance簡(jiǎn)稱(chēng)LKAS）[2]的研究及應(yīng)用最為突出。主動(dòng)安全主要依賴(lài)車(chē)輛智能控制模塊，國(guó)際上關(guān)于功能安全等級(jí)主要執(zhí)行ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)，智能駕駛等級(jí)引用美國(guó)工程師學(xué)會(huì)（society of automotive engineers， SAE）起草的J3016（TM）及美國(guó)國(guó)家公路安全管理局（national highway traffic safety administration，NHTSA）起草的自動(dòng)駕駛分級(jí)，國(guó)家工信部2020年3月份提出《汽車(chē)駕駛自動(dòng)化分級(jí)》，2021由國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理局與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布GB T 40429-2021，這些都是從安全等級(jí)及自動(dòng)化程度分解，ISO 11270：2014主要是對(duì)功能的定義及規(guī)范說(shuō)明。按J3016（TM）及ISO 11270：2014標(biāo)準(zhǔn)分解，LKAS處在L2的自動(dòng)駕駛級(jí)別，在性能上沒(méi)有相關(guān)的明確定義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)LKAS進(jìn)行了相關(guān)研究，文獻(xiàn)[2]從扭矩疊加考慮控制權(quán)限的轉(zhuǎn)移，未考慮對(duì)LKAS接入控制的頻次影響進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[3]從主觀上對(duì)LKAS性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，未涉及到性能設(shè)計(jì)的設(shè)置邏輯，文獻(xiàn)[4]從駕駛員的疲勞進(jìn)行辨識(shí)，未從降低駕駛員疲勞速度進(jìn)行研究，現(xiàn)公開(kāi)發(fā)表的學(xué)術(shù)性論文研究，未根據(jù)時(shí)時(shí)工況關(guān)聯(lián)LKAS分析。而全球各國(guó)不同的車(chē)道，道路寬度都有一定范圍的波動(dòng)，如中國(guó)道路寬度在3.0m到3.75m之間、日本道路規(guī)格寬度在2.75m到3.75m、意大利道路規(guī)格寬度在2.5m到3.75m、美國(guó)道路標(biāo)記寬度在2.6m到4.2m、澳大利亞道路規(guī)格寬度理想為3.5m[5]，各國(guó)間車(chē)道的寬度存在差異，且是范圍值。因此，結(jié)合道路寬度對(duì)LKAS性能的研究有重要的意義。

為了進(jìn)一步提高LKAS的性能，解決LKAS設(shè)置固定在發(fā)生車(chē)道偏離時(shí)所需要的時(shí)間參數(shù)，緩解輔助駕駛在此性能上受到的限制，本文對(duì)LKAS的車(chē)道偏離閥值進(jìn)行了系統(tǒng)分析?；谙到y(tǒng)采集車(chē)輛所處車(chē)道中的相對(duì)位置及路況、導(dǎo)航系統(tǒng)提供的車(chē)輛行駛在當(dāng)前公路等級(jí)為參考信息，以LKAS的車(chē)道偏離激活閥值為研究對(duì)象，提高車(chē)輛的駕駛性能。

2 車(chē)道保持輔助系統(tǒng)介紹

2.1 車(chē)道保持輔助系統(tǒng)基本概念

車(chē)道保持輔助系統(tǒng)屬于智能駕駛輔助系統(tǒng)中的一種，主要從主動(dòng)安全去做相應(yīng)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。參考SAEJ3016分類(lèi)，LKAS功能屬于L2自動(dòng)化級(jí)別。LKAS研究的目的是為了降低駕駛員片刻分神導(dǎo)致車(chē)輛偏離行駛軌道的風(fēng)險(xiǎn)。LKAS設(shè)定車(chē)輛在車(chē)道的相對(duì)位置的模型，主要借鑒于車(chē)道偏離預(yù)警系統(tǒng)的規(guī)范。車(chē)道偏離臨界線及其設(shè)置區(qū)域。如圖1所示。

LKAS在車(chē)道偏離預(yù)警的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)應(yīng)用，增加中間形式區(qū)域輔助模式，在最早輔助線及最晚輔助線區(qū)間內(nèi)設(shè)置車(chē)輛偏離輔助激活閾值，車(chē)輛偏離至閾值線，并無(wú)抑制限制條件時(shí)LKAS功能啟動(dòng)。

2.2 車(chē)道保持輔助系統(tǒng)控制策略

本文以某款車(chē)型為例，LKAS采集的基本信息為車(chē)輛與車(chē)道邊界相對(duì)位置、車(chē)輛橫向速度，在綜合參數(shù)達(dá)到LKAS觸發(fā)的閥值時(shí)，且無(wú)抑制的參數(shù)信號(hào)，系統(tǒng)提供輔助轉(zhuǎn)向扭矩。從整車(chē)的狀態(tài)進(jìn)行編寫(xiě)控制策略，車(chē)輛在接收到抑制請(qǐng)求、車(chē)輛的行駛速度不在觸發(fā)的策略范圍內(nèi)、滿(mǎn)足駕駛員優(yōu)先的狀態(tài)下，LKAS發(fā)送糾正扭矩請(qǐng)求收到抑制不能激活，系統(tǒng)功能組成如圖2所示。

車(chē)輛與車(chē)道邊界相對(duì)位置控制策略，是通過(guò)車(chē)輛特定部位與車(chē)道邊界之間的橫向距離、偏離與速度為基數(shù)，如式（1）所示。

TTLC= （1）

式（1）中TTLC為發(fā)生車(chē)道偏離所需要的時(shí)間、D為通過(guò)車(chē)輛特定部位與車(chē)道邊界之間的橫向距離、v為車(chē)輛偏離速度。

車(chē)輛的車(chē)道輔助控制策略扭矩加載，輔助閥值激活后，控制模塊發(fā)扭矩請(qǐng)求給電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，控制策略如圖3所示。

Mdri;駕駛員施加的扭矩;

Mlks;車(chē)道保持輔助請(qǐng)求的扭矩;

MlksRes;經(jīng)過(guò)幅值和梯度限制后的扭矩;

Mconv;經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向盤(pán)助力后的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向扭矩;

f1（M，dM）;限制LKAS請(qǐng)求扭矩幅值和梯度的函數(shù);

f2（M）;傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向盤(pán)助力函數(shù)。

2.3 車(chē)道保持輔助系統(tǒng)性能

LKAS性能主要為安全性及平順性。車(chē)道保持輔助系統(tǒng)的安全性能，主要體現(xiàn)在減少駕駛員片刻分神導(dǎo)致車(chē)輛偏離行駛的軌道能力，其主要表現(xiàn)在駕駛員分神后，車(chē)輛位置滿(mǎn)足觸發(fā)車(chē)道保持閾值時(shí)，車(chē)道保持功能輔助控制車(chē)輛不跑出車(chē)道的能力。平順性體現(xiàn)為輔助扭矩對(duì)駕駛員的干預(yù)，使其方向盤(pán)對(duì)駕駛員的反饋扭矩波動(dòng)。

3 車(chē)道保持輔助功能觸發(fā)閾值

3.1 選用道路的研究對(duì)象

LKAS控制模型設(shè)置觸發(fā)的閥值為變量。本文主要以車(chē)輛行駛速度狀態(tài)與車(chē)道信息為研究對(duì)象，車(chē)道參考《路線設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D20-2017，設(shè)計(jì)車(chē)速與車(chē)道寬度如表1所示。

3.2 提高道路保持性能分析

駕駛員分神后，LKAS控制車(chē)輛不跑出車(chē)道的能力。根據(jù)式（1），在相同的工況下，車(chē)輛與車(chē)道邊界之間的橫向距離起到關(guān)鍵因素。車(chē)輛與車(chē)道邊界之間的橫向距離如式（2）所示。

D= （2）

式（2）中，W車(chē)道線為兩邊車(chē)道線距離，W外為車(chē)輛外側(cè)靠近車(chē)道線的部位與車(chē)道中間距離。

優(yōu)化駕駛車(chē)輛的舒適性，本文以駕駛員優(yōu)先的原則，降低LKAS請(qǐng)求的扭矩幅度，提高方向盤(pán)反饋給駕駛員扭矩的平順性。

優(yōu)化駕駛車(chē)輛的安全性能，根據(jù)車(chē)輛當(dāng)前及行程規(guī)劃的路況，推薦駕駛員相應(yīng)的車(chē)道保持模式，從而相應(yīng)的提高車(chē)輛駕駛性能及安全性能。

LKAS性能中，TTLC起到優(yōu)化駕駛車(chē)輛的舒適性及其安全性能關(guān)鍵參數(shù)。相應(yīng)行程車(chē)輛計(jì)劃行駛道路寬度為可預(yù)知的變量，車(chē)輛橫向速度為不可預(yù)知的變量，結(jié)合式（1）及式（2）。參考車(chē)輛計(jì)劃行駛的車(chē)道寬度，設(shè)置LKAS的觸發(fā)閾值，能起到兼顧車(chē)輛安全性及舒適的途徑。

3.3 分析模型建立

模型分析道路寬度參數(shù)，參考《路線設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D20-2017，下限設(shè)置為3.0m，上限選用3.75m。車(chē)輛直線行駛能力，參考某主流車(chē)企的規(guī)范，在平坦、硬實(shí)、干燥的清潔道路上以80Km/h行駛100m，跑偏不大于一米。車(chē)輛尺寸參考某車(chē)型參數(shù)，車(chē)輛寬度1.861m，車(chē)輛長(zhǎng)度4.986m，軸距2.870m，前輪距1.6m，車(chē)輪規(guī)格215/55/R17。

車(chē)輛從車(chē)道中間跑出車(chē)道的時(shí)間如式（3）所示。

D= （3）

式（3）中W車(chē)為車(chē)輛寬度。

根據(jù)案例車(chē)型尺寸、車(chē)輛直線行駛的能力及其道路寬度范圍進(jìn)行模擬分析，車(chē)道寬度與駕駛員分神的時(shí)間容量曲線如圖4所示。

根據(jù)參考車(chē)型參數(shù)、車(chē)輛跑偏的控制水平及擬定參考路況，通過(guò)模擬分析數(shù)據(jù)圖4形體現(xiàn)，以80Km/h車(chē)速直線在車(chē)道中心行駛的車(chē)輛，車(chē)輛直線行駛能力在本文參考的跑偏量下，從駕駛員分神不對(duì)車(chē)輛進(jìn)行橫向控制，車(chē)輛保持原車(chē)速行駛的工況下，車(chē)輛跑出車(chē)道的時(shí)間變量為2.56秒到2.25秒?yún)^(qū)間。LKAS的激活閥值TTLC設(shè)置峰值時(shí)，能提高車(chē)輛的安全系數(shù)，在彎道頻繁的路況及其駕駛員精神充沛的情況下，設(shè)置的最小車(chē)道寬度的TTLC值，確保一定安全系數(shù)的情況下，降低車(chē)道保持激活頻率，提高駕駛舒適性能。

4 實(shí)車(chē)性能測(cè)試

試驗(yàn)根據(jù)某車(chē)型進(jìn)行實(shí)車(chē)測(cè)試，測(cè)試路況為高架快速道路。同一路段往、回行程分別兩種LKAS模式。車(chē)輛行駛的測(cè)試過(guò)程中，駕駛員不對(duì)車(chē)輛進(jìn)行橫向控制，只做防止車(chē)輛失效接管準(zhǔn)備，車(chē)輛的橫向控制接近以LKAS控制，模擬駕駛員分神的駕駛狀態(tài)下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，車(chē)輛的測(cè)試及信號(hào)采集如5所示。

LKAS觸發(fā)信息采集如圖6所示，弱輔助模式下LKAS閾值打開(kāi)23次、激活工作累計(jì)時(shí)間211秒、占總時(shí)間48.3%，強(qiáng)輔助模式下LKAS閾值打開(kāi)6次、激活工作累計(jì)時(shí)間381秒、占總時(shí)間91.5%。LKAS閥值相應(yīng)的輔助臨線如圖7所示。

經(jīng)過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)及信號(hào)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)調(diào)整LKAS的臨線為激活閥值，可以達(dá)到車(chē)輛控制靠近車(chē)道中間行駛或降低LKAS對(duì)駕駛員干擾效果。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)數(shù)據(jù)模型分析，并經(jīng)某車(chē)型實(shí)測(cè)測(cè)試數(shù)據(jù)體現(xiàn)，基于LKAS閾值合理的設(shè)計(jì)及推薦輔助模式，能提高車(chē)輛的駕駛性能，此總結(jié)分析的優(yōu)化方法，能為后續(xù)分析提供實(shí)例基礎(chǔ)。

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