客車車道保持控制策略研究

文/吳浩 常圣 王志偉 王法龍 溫長(zhǎng)青（安徽安凱汽車股份有限公司）

一、背景

《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》（GB 7258—2017）中第4.17.3 條要求車長(zhǎng)大于11 米的公路客車和旅游客車應(yīng)裝備符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的車道保持輔助系統(tǒng)；《商用車輛車道保持輔助系統(tǒng)性能要求及試驗(yàn)方法》（GB/T 41796—2022）自2023 年5 月1 日起實(shí)施，明確了客車的車道保持系統(tǒng)及功能要求。公路客車作為客運(yùn)的主力軍，在高速公路長(zhǎng)途行駛過程中駕駛員極易產(chǎn)生駕駛疲勞，這是產(chǎn)生交通安全隱患的重要原因，因此客車主動(dòng)安全系統(tǒng)的開發(fā)極其重要。

目前的車道保持功能，大多數(shù)是持續(xù)控制整車橫向運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到車道保持的功能，但這種控制方式使得駕駛員的駕駛體驗(yàn)較差，原因在于駕駛員明顯感覺方向盤“不在自己手上”。相反，駕駛員必須在功能開啟后持續(xù)關(guān)注，并未起到減少駕駛員疲勞及輔助駕駛員操作的作用。因此，本文提出了一種車道保持的控制策略，主要通過車道偏離報(bào)警（LDW）、車道偏離抑制（LDP）及車道居中控制（LCC）功能融合，使整車的車道保持功能在出現(xiàn)車道偏離時(shí)才會(huì)激活，方向盤才會(huì)被系統(tǒng)控制。也就是說，在車輛正常行駛時(shí)，系統(tǒng)不激活，方向盤自由靈活，駕駛員的駕駛體驗(yàn)不受干擾；直到整車偏離車道，或駕駛員因注意力不集中等情況未對(duì)整車進(jìn)行控制動(dòng)作，系統(tǒng)才會(huì)介入，輔助車輛在車道內(nèi)行駛，以確保安全。

二、控制策略架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

1.系統(tǒng)功能及軟件架構(gòu)

系統(tǒng)電氣架構(gòu)包括攝像頭、慣性傳感器、控制器、轉(zhuǎn)向執(zhí)行器（EPS）、人機(jī)交互設(shè)備（HMI）等。其中，攝像頭用于識(shí)別車道線、判斷自車和車道線的相對(duì)位姿關(guān)系；慣性傳感器用于提供車身橫擺角速度信息；控制器用于實(shí)現(xiàn)融合感知和智能決策；轉(zhuǎn)向執(zhí)行器用于控制車輛實(shí)現(xiàn)期望的橫向運(yùn)動(dòng)；人機(jī)交互設(shè)備用于與駕駛員交互，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)置、信息提示等功能。當(dāng)駕駛員無意識(shí)偏離車道線時(shí)，系統(tǒng)可以對(duì)方向盤施加角度指令，控制車輛以輔助駕駛員將車輛保持在當(dāng)前車道內(nèi)行駛，當(dāng)車輛回到車道線后，可以保持居中行駛一段時(shí)間。同時(shí)對(duì)駕駛員告警，提醒其及時(shí)接管車輛。

軟件分別實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知、智能決策、執(zhí)行控制功能，如圖1 所示。感知融合模塊：接收傳感器信息，輸出系統(tǒng)所需道路信息、駕駛員信息、車輛信息；智能決策模塊：根據(jù)獲得的人、車、路相關(guān)信息，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，激活報(bào)警、轉(zhuǎn)向干預(yù)等控制策略；執(zhí)行控制模塊：根據(jù)接收的期望指令、系統(tǒng)狀態(tài)等，進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制、人機(jī)交互控制、人機(jī)共駕控制等。

2.控制策略

系統(tǒng)根據(jù)獲得的道路信息、駕駛員信息、車輛信息等，建立駕駛員“單點(diǎn)預(yù)瞄”與車路跟隨系統(tǒng)共同構(gòu)成的“人- 車- 路”閉環(huán)控制系統(tǒng)模型，建立整車與車道線的坐標(biāo)關(guān)系，根據(jù)車速確定合適的預(yù)瞄點(diǎn)，從而得到車輛期望的坐標(biāo)位置即獲得車輛期望路徑；結(jié)合轉(zhuǎn)向執(zhí)行器的響應(yīng)滯后、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)比、車輛轉(zhuǎn)向靈敏度、車輛穩(wěn)態(tài)響應(yīng)等計(jì)算出最優(yōu)方向盤轉(zhuǎn)角，即既不會(huì)修正太慢又不會(huì)導(dǎo)致車輛急劇震動(dòng)的合理轉(zhuǎn)角；并對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，激活報(bào)警、轉(zhuǎn)向干預(yù)等控制策略，輸出執(zhí)行器控制指令及相關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)信息。

根據(jù)跨道時(shí)間和跨道距離確定系統(tǒng)進(jìn)入的邏輯狀態(tài)，核心是車道偏離報(bào)警（LDW）策略、車道偏離抑制（LDP）策略、車道居中控制（LCC）策略的進(jìn)入和退出，如圖2 所示。在路徑期望和路徑跟蹤的過程中，根據(jù)整車響應(yīng)情況分級(jí)控制，逐漸加大控制力度和角度，給予駕駛員一個(gè)心理緩沖期以便接管控制車輛。在退出控制時(shí)，確定車輛姿態(tài)，計(jì)算合理的回正命令，保證車輛與車道的位置，實(shí)現(xiàn)車道內(nèi)行駛。

圖2 系統(tǒng)功能說明圖

（1）車道偏離報(bào)警（LDW）策略：在車輛發(fā)生無意識(shí)偏離，且到達(dá)報(bào)警線時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能夠觸發(fā)車道偏離報(bào)警（LDW）功能，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。典型的車道偏離報(bào)警過程如圖3 所示，該過程中涉及的控制策略主要包括：當(dāng)前系統(tǒng)激活狀態(tài)判斷；當(dāng)前偏離狀態(tài)檢測(cè)與判斷；報(bào)警進(jìn)入時(shí)機(jī)控制；報(bào)警退出時(shí)機(jī)控制；抑制控制；報(bào)警指令計(jì)算等。

圖3 車道偏離報(bào)警示意圖（左側(cè)、右側(cè)）

（2）車道偏離抑制（LDP）策略：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，而駕駛員仍未主動(dòng)接管轉(zhuǎn)向控制，導(dǎo)致車輛繼續(xù)偏離車道時(shí)，將會(huì)觸發(fā)車道偏離抑制（LDP）功能。車道偏離抑制功能的作用是通過施加轉(zhuǎn)向干預(yù)，輔助駕駛員將車輛控制在車道內(nèi)。典型的車道偏離抑制過程如圖4 所示，該過程涉及的控制策略主要包括：當(dāng)前系統(tǒng)激活狀態(tài)判斷；當(dāng)前偏離狀態(tài)檢測(cè)與判斷；糾偏進(jìn)入時(shí)機(jī)控制；糾偏退出時(shí)機(jī)控制；抑制控制；路徑規(guī)劃與路徑跟蹤；期望轉(zhuǎn)角控制等。

圖4 典型的車道偏離抑制（左側(cè)、右側(cè)）

（3）車道居中控制（LCC）策略：當(dāng)系統(tǒng)通過車道偏離抑制控制功能輔助車輛進(jìn)入車道內(nèi)，系統(tǒng)觸發(fā)車道居中控制（LCC）功能。車道居中控制功能可以輔助整車始終行駛在車道的中心，確保整車平穩(wěn)行駛。該過程涉及的控制策略主要包括：當(dāng)前系統(tǒng)激活狀態(tài)判斷；當(dāng)前居中狀態(tài)檢測(cè)與判斷；居中進(jìn)入、退出時(shí)機(jī)控制；居中功能與糾偏功能仲裁；抑制控制；路徑規(guī)劃與路徑跟蹤；期望轉(zhuǎn)角控制等。

（4）協(xié)同控制：不同行駛工況下，車道偏離報(bào)警（LDW）功能、車道偏離抑制（LDP）功能、車道居中控制（LCC）功能可能分別處于不同的工作狀態(tài)，且均對(duì)人機(jī)交互界面等執(zhí)行器進(jìn)行控制?？刂茀f(xié)同模塊對(duì)上述功能進(jìn)行系統(tǒng)集成，保證輸出指令和系統(tǒng)狀態(tài)信息符合預(yù)期。該過程涉及的控制策略主要包括：當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)仲裁；當(dāng)前偏離狀態(tài)仲裁；系統(tǒng)進(jìn)入時(shí)機(jī)控制；系統(tǒng)退出時(shí)機(jī)控制；抑制控制；輸出指令仲裁等。

3.系統(tǒng)控制模塊切換

系統(tǒng)各控制模塊的切換如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)控制模塊切換

整車在車道內(nèi)正常行駛，此時(shí)系統(tǒng)未激活，當(dāng)整車偏離本車道處于LDW 報(bào)警區(qū)間時(shí)，系統(tǒng)功能激活，系統(tǒng)開始發(fā)出報(bào)警提醒駕駛員，若駕駛員未接管車輛或整車未駛回車道而是進(jìn)入LDP 控制區(qū)間，則LDP車道糾偏抑制功能觸發(fā)，系統(tǒng)根據(jù)車輛自身狀態(tài)、與車道線位置關(guān)系、期望路徑計(jì)算得到整車期望轉(zhuǎn)向角度，通過控制轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)使得整車回到原車道，當(dāng)整車成功糾偏回到原車道并進(jìn)入LCC 控制區(qū)間時(shí)，車道居中功能觸發(fā)，整車沿著車道中心行駛。待整車穩(wěn)定或駕駛員開始接管車輛，系統(tǒng)退出功能，等待下一次激活。

三、測(cè)試驗(yàn)證

本文選用國(guó)內(nèi)某大型車企客車，外形尺寸為12000 毫米×2550 毫米×3690 毫米，整備質(zhì)量為12800 千克，總質(zhì)量為18000 千克，軸距為6080 毫米。試驗(yàn)車輛初始行駛方向與車道線平行，以固定車速20米/秒駛?cè)胲嚨谰€，車輛中心線與車道中心線偏差不應(yīng)大于0.2 米。隨后，試驗(yàn)車輛偏離本車道，待整車開始偏離時(shí)，方向盤處于自由狀態(tài)，開始記錄車輛與車道線位置關(guān)系數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)向控制指令等數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 車道偏離試驗(yàn)整車與車道線位置結(jié)果

從圖6 可以看到，在1201 秒時(shí)，車輛偏向右側(cè)車道線，系統(tǒng)觸發(fā)LDW 報(bào)警功能；在1214 秒時(shí)，整車偏離出右側(cè)車道線使LDP 功能觸發(fā)，系統(tǒng)控制整車回到原車道，并觸發(fā)LCC 功能，整車在原車道內(nèi)穩(wěn)定行駛。

橫向偏離速度及偏離加速度可以反映整車在橫向控制過程中的舒適性，圖7 顯示了控制過程中整車的橫向偏離速度及偏離加速度，偏離速度為0.564 米/秒，偏離加速度為0.8268 米/秒2，系統(tǒng)控制策略有效，整個(gè)控制過程平穩(wěn)、順暢、舒適。

圖7 車輛偏離速度/偏離加速度

四、結(jié)語

本文針對(duì)客車車道保持功能控制策略進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了融合了車道偏離報(bào)警（LDW）、車道偏離抑制（LDP）及車道居中控制（LCC）功能的車道保持控制策略，并結(jié)合實(shí)車測(cè)試，測(cè)試結(jié)果有效證明了所提策略的可行性。該策略可以保證整車車道保持功能正常，且解決了系統(tǒng)功能開啟造成的駕乘體驗(yàn)問題，整車控制平穩(wěn)，轉(zhuǎn)向平順，駕駛員與乘客駕乘體驗(yàn)良好。