基于STM32的車道保持控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

劉春陽, 陳 帆, 王張飛, 詹 坤, 陳立海

(1.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 河南 洛陽 471003;2.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所, 河南 洛陽 471000)

0 引 言

車道保持輔助(lane keeping assistance,LKA)控制系統(tǒng)是汽車安全輔助駕駛技術(shù)研究的重要內(nèi)容,通過機(jī)器視覺等傳感技術(shù)對車道線進(jìn)行檢測識別,判斷車輛在行駛車道中的位置,并根據(jù)控制策略驅(qū)動電動助力轉(zhuǎn)向(electric power steering,EPS)等執(zhí)行機(jī)構(gòu),確保車輛在車道線內(nèi)行駛,保證駕駛員的行車安全[1～3]。目前車道保持控制系統(tǒng)的研究,大多集中在車道保持控制算法的計(jì)算機(jī)仿真或硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)研究,如提出車道保持輔助力矩與電動轉(zhuǎn)向力矩相疊加,經(jīng)EPS電機(jī)輸出進(jìn)行車道保持控制,解決駕駛員隨時(shí)介入的問題[4]；通過模仿駕駛員操作行為,提出模糊控制的車道保持方法,實(shí)現(xiàn)中速狀態(tài)的車道保持功能[5]；利用車輛縱向速度的非線性變化,設(shè)計(jì)模糊TS(Takagi-Sugeno)的車道協(xié)調(diào)保持控制方法[6]；采用曲線擬合思路,使車輛行駛軌跡和預(yù)瞄軌跡的曲率、方位角和橫向偏移量相等,通過軌跡跟蹤實(shí)現(xiàn)車道保持功能[7]。以上等研究,在乘用車車道保持控制方面取得了一定的成果,但針對尺寸結(jié)構(gòu)性能有較大差異的商用車而言,LKA系統(tǒng)的適應(yīng)性尚存在不足,而且LKA控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)車測試驗(yàn)證還較少。

因此,本文提出一種基于STM32的車道保持控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),通過車速傳感器、EPS傳感器和Mobileye傳感器采集車輛在行駛過程中的車速、方向盤扭矩、方向盤轉(zhuǎn)角、車輛距左右車道線的距離和車身方位角等信息,由CAN總線傳輸至核心處理器,對信息進(jìn)行解析和處理,產(chǎn)生控制信號,驅(qū)動EPS執(zhí)行機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)車道保持功能。同時(shí),結(jié)合駕駛員模型和人工駕駛體驗(yàn),提出了三段式控制策略,并結(jié)合實(shí)車實(shí)驗(yàn),進(jìn)行了現(xiàn)場測試和功能驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了商用車90 km/h及以下車速范圍內(nèi)的車道保持功能。

1 車道保持系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對商用車尺寸結(jié)構(gòu)較大、最高行駛車速一般約90 km/h左右、方向盤虛位較大等特點(diǎn),車道保持控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。系統(tǒng)以STM32F407處理器為核心,采用Mobileye傳感器作為車道信息檢測模塊,由車載的EPS傳感器、車速傳感器等采集車輛行駛狀態(tài)信息,通過汽車CAN通信接口將信息傳輸至核心處理單元[8～11],由處理核心進(jìn)行車速、車輛與左右車道線距離、車輛方位角、方向盤扭矩、方向盤轉(zhuǎn)角等參數(shù)的解算,進(jìn)而借助LKA控制算法,實(shí)現(xiàn)車輛的車道保持功能。

圖1 LKA車道保持控制器硬件設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了按鍵用于LKA功能的啟停,設(shè)計(jì)了可移除LCD顯示裝置進(jìn)行信息的顯示和輔助調(diào)試,設(shè)計(jì)了LED指示燈和蜂鳴器進(jìn)行車輛偏離預(yù)警,設(shè)計(jì)了與調(diào)試計(jì)算機(jī)間進(jìn)行通信的接口,方便依托上位機(jī)進(jìn)行參數(shù)的調(diào)試和優(yōu)化。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件原理

系統(tǒng)中傳感器均采用實(shí)驗(yàn)車輛進(jìn)行供電。視覺傳感器采用Mobileye ME630傳感器,供電電壓為12 V,功率為2.6 W；STM32采用32位高性能ARM Cortex—M4處理器,工作時(shí)鐘為168 MHz,供電電壓為3.3 V,功率為0.12 W,滿足了車載系統(tǒng)低功耗及高性能的處理需求。Mobileye傳感器能夠提供車輛交通信息檢測數(shù)據(jù),包括車輛距離左右車道線的距離、車身的方位角、車道線的類型、識別的置信度等;EPS傳感器能提供車輛方向盤扭矩、方向盤轉(zhuǎn)角等信息[12];車輛自身的監(jiān)測傳感器可以提供車速、轉(zhuǎn)向燈狀態(tài)等信息,這些信息為實(shí)現(xiàn)車道保持控制提供了決策和計(jì)算依據(jù)。

2 三段式LKA控制方法

2.1 車道保持控制工作流程

設(shè)計(jì)的車道保持功能控制流程如圖3所示。系統(tǒng)需要先判定LKA功能是否開啟,在LKA開啟狀態(tài)下,根據(jù)各傳感器采集的信息判斷車輛是否偏離車道[13～15]。系統(tǒng)通過CAN獲取傳感器信息后,依次判定數(shù)據(jù)的有效性、車道線識別的置信度、車速以及駕駛員是否操作車輛方向盤等人車耦合狀態(tài),決策LKA是否處于激活狀態(tài),只有當(dāng)LKA處于激活狀態(tài),系統(tǒng)才會激活車輛偏離抑制的功能。

圖3 LKA車道保持控制工作流程

本系統(tǒng)通過分析駕駛員操作行為、車輛與左右車道線的距離以及車輛方位角信息判斷車輛是否發(fā)生車道偏離,只有當(dāng)判定車輛為非人為控制產(chǎn)生偏離時(shí),才啟動偏離抑制,根據(jù)LKA控制算法,計(jì)算EPS需要的扭矩,糾正車輛行駛軌跡回歸行駛車道。在糾正過程中,還需要考慮駕駛員的介入,進(jìn)行有序退出,避免人車駕駛策略沖突而產(chǎn)生安全隱患。

2.2 三段式LKA控制算法

結(jié)合駕駛員的實(shí)際駕駛過程,對車道偏離狀況的響應(yīng)過程,結(jié)合駕駛員模型,本系統(tǒng)采用基于糾正跑偏、擺正車身和回正方向的三段式糾偏控制算法。

當(dāng)車輛偏離車道線且滿足糾偏條件時(shí),STM32處理器執(zhí)行第一階段糾偏指令,首先給EPS傳感器發(fā)送扭矩,控制方向盤轉(zhuǎn)動,使車輛回到車道線內(nèi)；第二階段糾偏指令控制車輛方位角回到零位；第三階段糾偏指令控制方向盤回到零位,最終使車輛維持在車道線內(nèi)行駛。三段式糾偏控制算法如圖4所示,以車輛左偏往右糾正到車道線內(nèi)為例,設(shè)定糾偏標(biāo)志位為sign,Mobileye傳感器距離左右車道線的距離分別為LD和RD。

圖4 三段式糾偏控制算法

第一階段中,啟動糾正,設(shè)置sign=1,線性增加EPS扭矩使方向盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動,扭矩增速不超過0.2Nm/s,根據(jù)實(shí)際車輛安全駕駛要求,設(shè)定正向最大扭矩閾值(FRT),當(dāng)EPS扭矩達(dá)到最大扭矩閾值時(shí),維持扭矩不變；根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)角測量值,達(dá)到預(yù)定角度時(shí),設(shè)置sign=2,降低EPS扭矩使方向盤角度維持不變；當(dāng)車身方位角逐漸減小且車輛回到車道中心線位置時(shí)進(jìn)入第二階段,設(shè)置sign=4,反向增加EPS扭矩,考慮到車輛左右轉(zhuǎn)向狀態(tài)不完全一致,為增加車輛轉(zhuǎn)向時(shí)車身的穩(wěn)定性,此時(shí)設(shè)定反向最大扭矩閾值(ST),若方向盤逆時(shí)針轉(zhuǎn)動,當(dāng)車輛方位角減小為零時(shí)則設(shè)置sign=12,減小施加的扭矩,進(jìn)入第三階段；若方向盤未出現(xiàn)轉(zhuǎn)動,則增大EPS扭矩閾值(TT)使方向盤逆時(shí)針轉(zhuǎn)動,當(dāng)車輛方位角減小為零時(shí)設(shè)置sign=5,進(jìn)入第三階段；第三階段,以方向盤角度為依據(jù),設(shè)置sign=6,調(diào)整EPS扭矩(FOT)使方向盤回到零位附近,然后設(shè)置sign=14,使EPS扭矩降為零。糾正控制過程中,針對車身方位角、方向盤角度采用樸素的PID閉環(huán)控制算法,實(shí)現(xiàn)車身和方向盤的位置控制,實(shí)現(xiàn)三段式的車道保持控制。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

基于STM32的LKA控制器軟件程序編寫,主要包括與調(diào)試計(jì)算機(jī)的通信、LKA車道保持控制算法、信息采集、數(shù)據(jù)處理和傳輸。主程序完成系統(tǒng)初始化后,啟動CAN通信,接收到CAN報(bào)文后,進(jìn)行報(bào)文的解析,對監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算后,執(zhí)行如圖3所示的LKA工作流程,然后將本次循環(huán)車輛狀態(tài)信息,通過通信接口傳輸給上位機(jī)。為方便后續(xù)程序移植以及程序編寫的通用性,編程語言選擇C語言進(jìn)行開發(fā),開發(fā)環(huán)境采用KEIL公司開發(fā)的KEIL MDK軟件。

調(diào)試計(jì)算機(jī)作為上位機(jī),調(diào)試軟件基于Python設(shè)計(jì),主要用于對傳感器采集信息的監(jiān)測顯示和LKA系統(tǒng)的調(diào)試,可根據(jù)車輛的橫向偏移量、車身方位角、EPS的扭矩等變化曲線,分析控制算法的工作情況,便于對控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。軟件界面主要包括汽車報(bào)文顯示、汽車狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)置和功能區(qū)。汽車報(bào)文顯示區(qū)域包含車速、方向盤扭矩、車輛距離左右車道線距離等參數(shù)；汽車狀態(tài)區(qū)域用于實(shí)時(shí)更新LKA運(yùn)行狀態(tài)以及車輛狀態(tài),如LKA是否開啟、車輛是否偏離車道線等信息；參數(shù)設(shè)置區(qū)域主要用于實(shí)現(xiàn)車輛在實(shí)驗(yàn)過程中,三段式控制算法參數(shù)修改,以便觀察不同參數(shù)下LKA糾偏效果；功能區(qū)主要包括串口打開、關(guān)閉、參數(shù)保存等功能。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

圖5(a)為項(xiàng)目合作方提供的LKA功能測試實(shí)驗(yàn)車的內(nèi)部視圖,Mobileye傳感器粘貼在前車窗的中心,經(jīng)過校準(zhǔn)后,可以實(shí)現(xiàn)可靠的車道識別與信息采集,車載傳感器及EPS系統(tǒng)通過CAN總線與設(shè)計(jì)的LKA控制器通信,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的硬件聯(lián)通。將編寫好的程序燒寫入LKA控制器后,在確保安全的前提下,在實(shí)際道路上進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)車車道偏離抑制控制轉(zhuǎn)向的圖片見圖5(b)。

圖5 LKA功能實(shí)驗(yàn)車測試照片

通過三段式糾偏控制算法對EPS傳感器發(fā)送扭矩,控制方向盤轉(zhuǎn)動,維持車輛在車道線內(nèi)行駛。在進(jìn)行三段式糾偏控制時(shí),可根據(jù)車速范圍對三段式糾偏參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,實(shí)驗(yàn)中根據(jù)實(shí)際情況,對車速區(qū)間為60～95 km/h進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,車輛左偏和右偏糾正到車道線內(nèi)參數(shù)如表1所示。

表1 不同車速狀態(tài)車輛左和右偏糾回車道線內(nèi)的參數(shù)設(shè)置

圖6為70～80 km/h的車速條件下,實(shí)驗(yàn)車進(jìn)行道路測試時(shí)采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),圖中，A,B,C三點(diǎn)分別表示本文所提算法進(jìn)行第一、二、三階段糾偏控制,D點(diǎn)表示完成整個糾偏動作。A點(diǎn)表示滿足糾偏控制條件,三段式糾偏控制模式啟動,第一階段給EPS傳感器施加扭矩,如圖6(a)中A點(diǎn)所示,助力扭矩線性增加使車輛糾正到車道線內(nèi)；第二階段使車身方位角擺正,如圖6(c)中B點(diǎn)所示,方位角逐漸減小,車輛與車道線平行；第三階段將方向盤進(jìn)行回正,如圖6(d)中C點(diǎn)所示,方向盤轉(zhuǎn)角逐漸降為零；當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)角回到零位,完成糾偏控制,助力扭矩降為零,如圖6(a)中D點(diǎn)所示。

圖6 實(shí)車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

通過實(shí)車測試實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),利用三段式控制算法進(jìn)行車輛的車道保持,可以實(shí)現(xiàn)車輛的偏離抑制,經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后,車輛車輪外側(cè)在糾正過程中能夠不越過左/右車道線,滿足國家對LKA的要求規(guī)范。在實(shí)驗(yàn)過程中,人為使車輛偏離車道中心線后,駕駛員松開方向盤,車輛能夠在三段式LKA控制算法作用下進(jìn)行糾偏控制,車輛再次發(fā)生偏離時(shí)的橫向距離變化范圍逐漸減小,維持在車道線內(nèi)穩(wěn)定行駛。在90 km/h及以下車速狀況下,該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)較好的商用車偏離抑制效果,實(shí)現(xiàn)車道保持的功能。

5 結(jié) 論

本文以STM32微處理器作為LKA控制器的處理核心,設(shè)計(jì)了LKA車道保持控制系統(tǒng),借助視覺傳感器識別車道信息,并結(jié)合采集的汽車行駛過程中的車速、方向盤轉(zhuǎn)角、方向盤扭矩等信息,通過三段式LKA控制方法實(shí)現(xiàn)了車道保持功能,同時(shí)可由上位機(jī)對糾偏參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,優(yōu)化車輛響應(yīng)的速度和舒適性,較好地保證駕駛員的行車安全。本文設(shè)計(jì)開發(fā)的控制系統(tǒng),具有體積小、易于集成和調(diào)試的特點(diǎn),與EPS系統(tǒng)一起實(shí)現(xiàn)車道保持的控制,方便后續(xù)功能的擴(kuò)展。