新能源汽車車道保持虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺分析

羅 鈿，劉小斌，李 晶，金 慧

新能源汽車車道保持虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺分析

羅 鈿，劉小斌，李 晶，金 慧

（蘭州工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

根據(jù)車輛工程新工科人才培養(yǎng)需求，文章設(shè)計(jì)了新能源汽車車道保持輔助與偏離預(yù)警駕駛虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺。構(gòu)建了基于車輛保持輔助控制策略的車道保持與偏離預(yù)警控制仿真模型，基于Carsim的車道保持信息采集虛擬仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，結(jié)合駕駛模擬器，采用硬件在環(huán)方式實(shí)現(xiàn)了車道保持與偏離預(yù)警仿真試驗(yàn)。車道保持與偏離預(yù)警虛擬仿真平臺的建設(shè)將實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力與工程能力培養(yǎng)相融合，體現(xiàn)了能力提升為本的教學(xué)思維。實(shí)踐效果表明，以成果導(dǎo)向的新能源汽車車道保持輔助虛擬仿真實(shí)踐創(chuàng)新平臺體系更能突出以學(xué)生為本、能力為主的教學(xué)特色，學(xué)生的創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力明顯提升。

新工科；成果導(dǎo)向；車道保持輔助系統(tǒng)；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺；新能源汽車；Carsim

以創(chuàng)新、交叉、融合、共享為主導(dǎo)方式[1]，將培養(yǎng)創(chuàng)新型工程人才嵌入“新工科”理念，能為應(yīng)用型高校轉(zhuǎn)型及教學(xué)改革提供新的思路與方法?！靶鹿た啤睆?qiáng)調(diào)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，應(yīng)用型高校緊密貫徹“學(xué)生核心、成果導(dǎo)向、全面工程質(zhì)量教育”的宗旨，應(yīng)用成果導(dǎo)向教育（Outcome Based Education, OBE）理念，契合“新工科”人才培養(yǎng)要求，積極應(yīng)對新時(shí)代科技變革[2]。

從目前應(yīng)用型高等院校人才培養(yǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)來看，OBE理念與方法能很好地契合“新工科”人才培養(yǎng)要求。通過“車道保持與偏離預(yù)警輔助駕駛系統(tǒng)的虛擬仿真平臺”的教學(xué)實(shí)施，探索“新工科”背景下新能源汽車專業(yè)的人才培養(yǎng)方案，以先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)教學(xué)為例，探索教學(xué)新模式、新方法，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)需求導(dǎo)向、交叉融合導(dǎo)向、支撐引領(lǐng)導(dǎo)向，為新工科人才培養(yǎng)模式的具體實(shí)施提供一定的借鑒。新工科多學(xué)科交叉融合的內(nèi)涵和特征決定著對課程體系和教學(xué)內(nèi)容的改革是系統(tǒng)性而不是個(gè)體性，要從整個(gè)新工科專業(yè)建設(shè)的角度，有組織地、系統(tǒng)地、整體地進(jìn)行課程設(shè)計(jì)和教學(xué)內(nèi)容的選擇[3-4]。相比于傳統(tǒng)的工科人才，新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)需要的是實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才[5-6]。“新能源汽車車道保持與偏離預(yù)警輔助駕駛系統(tǒng)新工科虛擬仿真實(shí)踐創(chuàng)新平臺”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目把創(chuàng)新思維與工程意識滲透到教學(xué)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，借助虛擬仿真，實(shí)現(xiàn)沉浸式實(shí)驗(yàn)。

1 以成果導(dǎo)向的新能源汽車LKA虛擬仿真實(shí)踐創(chuàng)新平臺體系設(shè)計(jì)

車道保持輔助系統(tǒng)可分為感知層、決策控制層和執(zhí)行層三部分[7]。新能源汽車車道保持輔助系統(tǒng)虛擬仿真平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。感知層通過車道線識別傳感器、轉(zhuǎn)向力矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器和整車控制器實(shí)現(xiàn)車道信息和車輛信息的采集；車道保持輔助控制器為車道保持輔助系統(tǒng)的決策控制層的核心；電機(jī)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為執(zhí)行層，其功能為保持原車助力轉(zhuǎn)向功能的完整性和穩(wěn)定性，感知層扭矩傳感器檢測到的駕駛員轉(zhuǎn)向力矩可等效于虛擬駕駛員轉(zhuǎn)向力矩。由車道線識別傳感器、轉(zhuǎn)向力矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器和整車控制器組成的感知層通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network, CAN）總線獲得信息。

圖1 新能源汽車車道保持與偏離預(yù)警輔助駕駛系統(tǒng)實(shí)踐創(chuàng)新虛擬仿真平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 基于駕駛模擬器的新能源汽車車道保持試驗(yàn)平臺構(gòu)建

基于SIALB駕駛模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，建立駕駛模擬器的車道保持及偏離預(yù)警實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)由服務(wù)器、駕駛場景、駕駛模擬艙和巨型環(huán)屏組成的高級駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driver Assistance System, ADAS）汽車車道保持橫向控制試驗(yàn)平臺，與目標(biāo)機(jī)形成駕駛模擬閉環(huán)硬件仿真系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 基于駕駛模擬器的車道保持理實(shí)一體實(shí)驗(yàn)平臺

基于Carsim建立的目標(biāo)機(jī)控制仿真模型主要包括車道偏離檢測模塊、模糊控制器、車道保持控制器、協(xié)助引導(dǎo)控制器等四部分，如圖3所示。輸入信號依次為啟用狀態(tài)信號、車道偏離信號（m）、轉(zhuǎn)向偏離量、駕駛員轉(zhuǎn)向角控制信號（rad）、縱向速度（m/s）等。將車道偏差、轉(zhuǎn)向偏移量輸入至車道偏移檢測模塊。將轉(zhuǎn)向偏移量、縱速度傳入至模糊控制器，經(jīng)模糊推理所得出的數(shù)值判斷出危險(xiǎn)等級和行駛路徑的偏差，經(jīng)過運(yùn)算處理后輸出曲率、橫向偏移量與航向角輸入至車道保持控制器，通過車道保持控制器結(jié)合車輛縱向速度輸出車輛轉(zhuǎn)向角。將車道偏離檢測模塊的輸出信號與啟用信號、駕駛員轉(zhuǎn)向控制信號以及車道保持控制器輸出的車輛轉(zhuǎn)向角信號輸入至協(xié)助模塊協(xié)助引導(dǎo)控制器，經(jīng)協(xié)同控制輸出車輛狀態(tài)及轉(zhuǎn)向角。基于駕駛模擬器的新能源汽車車道保持理實(shí)一體虛擬仿真試驗(yàn)平臺，幫助學(xué)生理解車道保持輔助（Land Keeping Assist, LKA）的原理、控制策略、結(jié)構(gòu)組成。培養(yǎng)學(xué)生新能源汽車車道保持與偏離預(yù)警輔助駕駛系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)能力、測試能力以及創(chuàng)新能力。

圖3 新能源汽車車道保持與偏離預(yù)警輔助駕駛系統(tǒng)目標(biāo)機(jī)控制仿真模型

3 新能源汽車車道保持駕駛系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)車型以大眾CC為例，其參數(shù)如表1所示。學(xué)生可根據(jù)目標(biāo)車型，參照Carsim系統(tǒng)中的C-Class車型參數(shù)值進(jìn)行修改，使之與實(shí)際所選轎車性能更加吻合。目標(biāo)參數(shù)的選取，仿真過程的分析，仿真結(jié)果的整理與分析都是實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。

表1 整車技術(shù)參數(shù)

參數(shù)名數(shù)值 整車長/mm4 865 整車寬/mm1 870 整車高/mm1 443 整車質(zhì)心高度/mm650 質(zhì)心到前軸距離/mm1 010 質(zhì)心到后軸距離/mm1 500 前輪胎側(cè)偏剛度/(N/rad)40 300 后輪胎側(cè)偏剛度/(N/rad)50 300 前輪輪距/mm1 480 后輪輪距/mm1 475 軸距/mm2 875 前軸載荷/kg760 后軸載荷/kg495 電動機(jī)減速機(jī)構(gòu)傳動比22

采用Carsim進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟，建立實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)庫。首先進(jìn)行整車參數(shù)設(shè)置。其次進(jìn)行道路環(huán)境設(shè)定，如圖4所示。利用車道保持與偏離預(yù)警輔助駕駛系統(tǒng)Carsim仿真平臺，完成ADAS車道保持試驗(yàn)分析。利用車道保持輔助系統(tǒng)建立如圖3所示的控制框架仿真模型。根據(jù)實(shí)驗(yàn)場景實(shí)施，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

車道保持輔助系統(tǒng)可以在行車的全程或速度達(dá)到65 km/h后開啟，并可以手動關(guān)閉，實(shí)時(shí)保持汽車的行駛軌跡。當(dāng)系統(tǒng)開啟時(shí)，利用車載傳感器、車道線、方向盤力矩、車速、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角等信息由電控單元進(jìn)行信息采集與處理。通過車道線和汽車的行駛趨勢的比較預(yù)判，判斷汽車是否偏離行駛車道[8]。

圖4 基于Carsim的車道保持雙變道車道實(shí)驗(yàn)場景

圖5 橫向距離曲線圖

圖6 車速變化曲線圖

如圖5和圖6所示，根據(jù)車速曲線與車輛橫向位置曲線，汽車在2.8 s左右進(jìn)行變道，從右車道駛向左車道，并在左車道行駛一定的距離后，在4.4 s向右變道返回右車道，并在每次方向盤轉(zhuǎn)向角度時(shí)進(jìn)行制動處理，然后車輛保持在右側(cè)車道中心線處行駛。

通過雙變道車道偏離預(yù)警系統(tǒng)場景仿真分析可以得出，實(shí)驗(yàn)車輛在車道保持輔助系統(tǒng)的協(xié)助下可以在道路上進(jìn)行車道的變更，如果車道發(fā)生偏離，計(jì)算機(jī)會給出警報(bào)信號與糾偏指令，并主動控制車輛進(jìn)行車道保持。

4 結(jié)論

本文基于新工科理念構(gòu)建“新能源汽車車道保持與偏離預(yù)警輔助駕駛系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)踐創(chuàng)新平臺”，應(yīng)用虛擬仿真平臺可以避免學(xué)生在使用危險(xiǎn)性高的實(shí)驗(yàn)設(shè)備時(shí)，保證人身安全、增加實(shí)驗(yàn)的實(shí)操性、降低實(shí)驗(yàn)安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的可逆性。

探究和實(shí)踐基于新工科理念的“新能源汽車車道保持與偏離預(yù)警輔助駕駛系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)與教學(xué)實(shí)踐，使學(xué)生可以置身模擬的環(huán)境中，切身體驗(yàn)仿真環(huán)境、駕駛艙操作等過程，可直觀觀察車輛狀態(tài)、參數(shù)變化的合理性，提高實(shí)驗(yàn)效率。

本文通過“新能源汽車車道保持與偏離預(yù)警輔助駕駛系統(tǒng)的新工科實(shí)踐創(chuàng)新虛擬仿真平臺建設(shè)與教學(xué)研究”項(xiàng)目的實(shí)施，探索建立“新工科”背景下新能源汽車工程專業(yè)建設(shè)的新內(nèi)涵、新模式、新方法、新技術(shù)。

[1] 張嘉鷺,李曉鵬,馬軍,等.車輛工程專業(yè)"互聯(lián)網(wǎng)+"虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)與共享[J].中國教育信息化,2021(3):4.

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Analysis of the Virtual Simulation Experiment Platform for Lane Keeping on New Energy Vehicles

LUO Tian, LIU Xiaobin, LI Jing, JIN Hui

( School of Automobile Engineering, Lanzhou Institute of Technology, Lanzhou 730050, China )

According to the talents training needs of emerging engineering education in vehicle engineering, a virtual simulation experiment platform for lane keeping assist and departure warning driving for new energy vehicles was designed. The simulation model of lane keeping and departure warning control based on lane keeping assist control strategy was constructed. The virtual simulation test system of lane keeping information collection based on Carsim was constructed. Combined with the driving simulator, the simulation test of lane keeping and departure warning was realized by hardware-in-loop mode. The construction of the virtual simulation platform for lane keeping and departure warning integrates experimental innovation capabilities with engineering capability training, and reflected the ability-based teaching thinking. The practical results show that the result-oriented new energy vehicle lane keeping assist virtual simulation practice innovation platform system can better highlight the student-oriented and ability-based teaching characteristics, and the students' innovation awareness and innovation ability are significantly improved.

Emerging engineering education; Result-oriented; Lane keeping assistance system; Virtual simulation experiment platform;New energy vehicles;Carsim

G42

A

1671-7988(2022)21-163-04

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.030

羅鈿（1987—），女，博士，副教授，研究方向?yàn)檐嚶穮f(xié)同、城市交通安全系統(tǒng)，E-mail:458102446@qq.com。

2022年甘肅省教育廳高等教育教學(xué)成果培育項(xiàng)目：新能源汽車車道保持與偏離預(yù)警輔助駕駛系統(tǒng)新工科實(shí)踐創(chuàng)新虛擬仿真平臺建設(shè)與教學(xué)研究（170）；2022 年度甘肅省高等學(xué)校青年博士基金項(xiàng)目：網(wǎng)聯(lián)自動駕駛環(huán)境下生態(tài)協(xié)同自適應(yīng)巡航控制策略研究（2022QB-191）；甘肅省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2022年度“一帶一路”教育國際合作交流高項(xiàng)目（GS[2022]GHBZX210）；2020年甘肅省教育廳高等教育教學(xué)成果培育項(xiàng)目：新工科背景下汽車工程類專業(yè)學(xué)科競賽成果轉(zhuǎn)化的探索與研究（192）；2021年蘭州工業(yè)學(xué)院新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目（10）；2022年蘭州工業(yè)學(xué)院創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革項(xiàng)目（LGYCXJG-22-10）；2022年甘肅省高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（57）；甘肅省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2022年度學(xué)校安全穩(wěn)定與應(yīng)急工作專項(xiàng)課題（GS[2022]GHBZX236）。