橫向控制系統(tǒng)在商用車領(lǐng)域的應用

張國芳 仲波 劉梟 倪一銘 楊河清

【摘? 要】文章闡述橫向控制系統(tǒng)的原理，對橫向控制系統(tǒng)中的感知系統(tǒng)以及執(zhí)行系統(tǒng)進行深度剖析，包括兩者之間的交互關(guān)系和感知系統(tǒng)對執(zhí)行系統(tǒng)的性能參數(shù)要求。通過標定測試開發(fā)出能夠滿足法規(guī)試驗要求的商用車。

【關(guān)鍵詞】感知系統(tǒng);執(zhí)行系統(tǒng);電動轉(zhuǎn)向;車道保持;二級階躍控制系統(tǒng)

中圖分類號：U463.6? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2024 ）05-0044-03

The Application of Lateral Control System in the Field of Commercial Vehicles

ZHANG Guofang，ZHONG Bo，LIU Xiao，NI Yiming，YANG Heqing

（Nanjing Iveco Automobile Co.，Ltd.，Nanjing 210000，China）

【Abstract】This article deeply analyzes the perception and execution systems in the lateral control system by understanding the principle of the lateral control system，as well as the interaction between the two，including the performance parameter requirements of the perception system for the execution system. Through calibration testing，commercial vehicles that can meet regulatory testing requirements are developed.

【Key words】perception system;execution system;electric steering;lane keeping;secondary step control system

隨著汽車智能化的發(fā)展和車輛自動化程度的增加，軟件汽車的概念也逐步被人們所認可。高級輔助智能駕駛系統(tǒng)ADAS是科技引領(lǐng)汽車未來的發(fā)展方向，攝像頭、雷達等先進傳感器相當于給汽車裝上了眼睛、腿腳，甚至是大腦，為行車安全增加了一道保障。用軟件控制代替駕駛員控制車輛，解放駕駛員雙手及雙腳的同時提高駕駛的舒適性和安全性，有效保障用戶用車安全。高級輔助智能駕駛系統(tǒng)ADAS組成如圖1所示。汽車智能駕駛感知系統(tǒng)是汽車的“眼睛”和“耳朵”，負責對汽車所處環(huán)境進行偵測，構(gòu)成了汽車系統(tǒng)感知層，并為高級輔助駕駛系統(tǒng)的決策層提供準確、及時、充分的依據(jù)。根據(jù)決策的結(jié)果進行路徑規(guī)劃，并對執(zhí)行系統(tǒng)進行控制請求，進而由執(zhí)行系統(tǒng)對汽車安全行駛做出準確判斷。軟件對汽車的操控主要包括對汽車的橫向和縱向控制，本文主要針對汽車的橫向控制在商用車領(lǐng)域的應用展開論述。

1? 商用車橫向控制的ADAS感知系統(tǒng)

橫向控制的原理是通過方向盤控制前輪轉(zhuǎn)角，實現(xiàn)車輛航向角的改變，從而控制汽車的橫向位移。由于車輛不能一直走直線，要適應路面的曲率，躲避坑洼、障礙物等，需要對車輛進行橫向控制。按照采用傳感器類型的不同，車輛的自動駕駛或者高級輔助駕駛中的橫向運動控制策略主要有非預瞄式和預瞄式兩種。非預瞄式橫向運動控制策略主要靠道路上安裝的車路協(xié)同設備，如通過磁引導式或線圈引導式實現(xiàn)自動駕駛。而預瞄式橫向運動控制策略主要模仿人類駕駛車輛的行為特性，以目標路徑上車輛行駛方向前方的某一點作為跟蹤目標，完成對規(guī)劃路徑的跟蹤行駛。

預瞄式控制策略適用于以視覺感知系統(tǒng)獲取路徑信息的車輛，該種策略符合人類的駕駛習慣，且能在高速行駛工況下取得較好的控制精度，因而在自動駕駛技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應用。目前能實現(xiàn)如上功能的橫向控制只有在L4級別的乘用車上開發(fā)此功能，而商用車ADAS系統(tǒng)主要還是在L3及以下的控制，包括LDW（車道偏離預警）和LKA（車道保持輔助）橫向控制。

LDW主要功能是在車輛偏離車道時，通過聲音、燈光、振動等方式發(fā)出報警信號，提醒駕駛員注意車輛的偏離情況，從而有效地降低交通事故發(fā)生，感知系統(tǒng)只要安裝攝像頭即可實現(xiàn)LDW功能。

LKA感知系統(tǒng)一般通過攝像頭和雷達2個傳感器來感知道路信息，融合規(guī)劃出行駛路徑，執(zhí)行機構(gòu)采用電動轉(zhuǎn)向EPS，ADAS系統(tǒng)通過CAN總線接收車輛當前車速、橫擺角率、方向盤扭矩等車輛信息，發(fā)送相應的橫向控制請求信號給EPS執(zhí)行相應的轉(zhuǎn)向控制。橫向控制請求方式包括扭矩控制與轉(zhuǎn)角控制兩種類型。EPS接收ADAS系統(tǒng)發(fā)送的轉(zhuǎn)向扭矩或轉(zhuǎn)角，同時接收整車的車身信息來計算執(zhí)行電機電流大小，最后實現(xiàn)向左轉(zhuǎn)向或向右轉(zhuǎn)向。商用車橫向控制系統(tǒng)LKA目前主要有車輛居中系統(tǒng)和車道偏離系統(tǒng)兩種控制形式，控制策略也大相徑庭，車道居中的EPS時刻都需要響應ADAS系統(tǒng)的橫向控制，而車道偏離糾偏只有在車輛無意識偏離接近到車道線時ADAS系統(tǒng)才會進行介入，給EPS發(fā)出請求角度或者扭矩的控制。兩者功能不同，對執(zhí)行器的參數(shù)標定也截然不同，兩者具體區(qū)別見表1。

2? 橫向控制的EPS電動轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng)

商用車由于車身長、質(zhì)量重、質(zhì)心高、方向盤轉(zhuǎn)向間隙大和需要的轉(zhuǎn)向力大，目前無法使用乘用車上的管柱C-EPS（管柱式電動助力轉(zhuǎn)向）。商用車的執(zhí)行系統(tǒng)采用EHPS（電控液壓助力轉(zhuǎn)向）、R-EPS（齒條式助力轉(zhuǎn)向）較多，EHPS（電控液壓助力轉(zhuǎn)向）是由液壓管路和電動泵組合，對電控單元的兼容性極差。目前車輛都需要配置ADAS高級輔助駕駛功能，無法實現(xiàn)對EHPS進行轉(zhuǎn)向控制，故R-EPS應用較為廣泛。R-EPS采用滾珠絲杠傳動循環(huán)球助力，傳動精度高，傳動效率高，并且可承受的橫向載荷大，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，圖中電機直接驅(qū)動齒條運動。R-EPS電動轉(zhuǎn)向主要功能包括基礎(chǔ)助力、保護功能以及高級功能，其中基礎(chǔ)助力包含了隨車速助力、阻尼補償以及回正功能，保護功能包括止點保護、齒條末端保護以及溫度保護功能，高級功能配合ADAS系統(tǒng)實現(xiàn)LKA車道保持以及APA自動泊車等功能。

EPS邏輯控制原理如圖3所示，其中基礎(chǔ)助力EPS控制器接收車速信號和方向盤扭矩信號，計算輸出扭矩指令控制電機，提供助力?；诓煌囁龠M行手感標定，低速時提供較大助力，高速時提供較小助力。止點保護作用是防止方向盤在轉(zhuǎn)向憋死的情況下，電機電流過大對電機造成損害，當電流過大并持續(xù)一段時間時，降低助力輸出。EPS在高級功能中作為執(zhí)行機構(gòu)，根據(jù)上層控制器給的目標力矩或者轉(zhuǎn)向角度指令或者轉(zhuǎn)角指令對電機進行力矩控制，通過將目標力矩和助力力矩合成疊加力矩，計算目標輸出電流，作為最終的電機電流。

3? 感知系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)之間的交互

商用車上感知系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)之間的交互都是通過CAN總線上的信號進行握手交互，即感知系統(tǒng)會采集執(zhí)行系統(tǒng)的狀態(tài)信號，如果執(zhí)行系統(tǒng)已經(jīng)滿足條件會發(fā)送等待請求信號給感知系統(tǒng)，感知系統(tǒng)根據(jù)道路信息、車輛信息滿足了橫向控制的觸發(fā)條件，即對執(zhí)行系統(tǒng)進行角度或者扭矩的控制請求，執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行過程中實時反饋執(zhí)行后的角度和扭矩大小，此閉環(huán)控制即成功完成一次握手。具體感知系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)的信號流如圖4和圖5所示。

商用車上層ADAS控制與EPS之間的交互握手包括LDW和LKA兩種方式，其中LDW指在車道偏離時LDW對EPS進行振動的請求，主要包括振動幅度和頻率的請求。EPS應將LDW振動幅度的最大值限制在標定值之內(nèi)，默認值為3N·m。如果EPS接收到時長為100ms無效的振動幅度請求，即請求的振動幅度大于閾值，EPS應發(fā)送信號提示系統(tǒng)無法響應，臨時故障。EPS應將LDW振動頻率的最大值限制在標定值之內(nèi)，默認值為25Hz。如果EPS接收到100ms無效的振動頻率請求，即請求的振動頻率大于閾值，EPS應發(fā)送信號提示系統(tǒng)無法響應，臨時故障。另外一種交互握手LKA，即滿足條件駕駛員未打轉(zhuǎn)向燈車輛偏離時，LKA對EPS進行扭矩或者角度的橫向控制，其中扭力桿扭矩正負值方向應當滿足ISO 8855的規(guī)定，正值方向應當向左，負值方向應當向右。另外當駕駛員手脫離方向盤靜止或行駛時，考慮到磁場影響，車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各個朝向下扭力桿扭矩數(shù)值應不大于0.2N·m。由于ADAS激活時，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的響應特性和駕駛員控制時有不同要求，故轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應能在ADAS激活過程中提供單獨的助力曲線以同駕駛員控制時的助力曲線區(qū)分開來。

4? 評價橫向控制的二級階躍控制系統(tǒng)時域分析法

評價車輛橫向控制的好壞是由二級階躍控制系統(tǒng)的相關(guān)指標來確定，橫向自動控制系統(tǒng)輸入信號是典型的階躍信號，此系統(tǒng)的時間響應由動態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)過程兩部分組成。動態(tài)過程是在LKA系統(tǒng)請求角度信號時，EPS輸出量從初始狀態(tài)到最終狀態(tài)的響應過程;穩(wěn)態(tài)過程是EPS輸出量隨著時間t趨于無窮時，系統(tǒng)輸出量角度誤差已經(jīng)控制在穩(wěn)態(tài)誤差范圍內(nèi)，故時域中評價系統(tǒng)的動態(tài)性能，通常以系統(tǒng)對單位階躍輸入信號的動態(tài)響應為依據(jù)，即評價系統(tǒng)的動態(tài)性能，規(guī)定了相關(guān)的評價指標。圖6給出了橫向控制二級階躍系統(tǒng)一次控制全過程，ADAS系統(tǒng)LKA功能對EPS請求轉(zhuǎn)向角度的單位階躍響應，EPS對角度信號的動態(tài)響應曲線，即單位階躍響應曲線。

LKA系統(tǒng)根據(jù)車輛信息發(fā)出目標角度請求，即通過CAN總線發(fā)送的轉(zhuǎn)角指令，以正負號區(qū)分左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)，EPS實際反饋角度即方向盤（轉(zhuǎn)向傳動裝置上）安裝的轉(zhuǎn)角傳感器測量并通過CAN總線反饋的方向盤轉(zhuǎn)動角度，目標角度和實際反饋角度之間在時域中存在的差異即評價系統(tǒng)的動態(tài)性能。評價系統(tǒng)的動態(tài)性能需要考慮以下幾個指標。

1）靜默時間Td。又可以理解為延遲時間，指CAN總線上開始發(fā)出目標角度指令的時刻到接收實際反饋角度開始產(chǎn)生變化的時刻之間的時間差，靜默時間與報文周期有關(guān)，為保證整個系統(tǒng)的響應時間，SAS角度傳感器的報文周期正常為20ms，靜默時間需要額外再加上報文周期。靜默時間表征系統(tǒng)初始階段的快慢。

2）上升時間Tr。又叫執(zhí)行時間，指實際反饋角度開始產(chǎn)生變化的時刻與反饋角度第1次達到90%目標值的時間差。上升時間是系統(tǒng)響應速度的一種度量，上升時間越短，說明系統(tǒng)的響應速度越快，提高響應速率即角速率越大，上升時間越短，但是會影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)時間和超調(diào)量，這時需要將EPS控制器調(diào)整到最佳的阻尼比狀態(tài)（最佳阻尼比0.707），既可以保證響應速度，也可以保證超調(diào)量。如果系統(tǒng)的靜摩擦越大，啟動力矩要求也越大，反應的時間慢，也可以通過前饋來補償這種靜摩擦。上升時間表征系統(tǒng)初始階段的快慢。

3）峰值時間Tp。響應的角度超過了穩(wěn)態(tài)值而達到第1個峰值所需要的時間。響應過程中，實際反饋角度超過目標角度的最大角度值就是峰值。峰值時間表征系統(tǒng)初始階段的快慢。

4）穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)時間Ts。與開始變化時刻之間的時間差，穩(wěn)態(tài)時刻是EPS相應的角度與請求值之間的偏差達到允許范圍的穩(wěn)態(tài)誤差，以后并一直保持在穩(wěn)態(tài)誤差范圍內(nèi)。穩(wěn)態(tài)誤差與響應的方向盤轉(zhuǎn)角角度有關(guān)，請求的轉(zhuǎn)向角度越大，穩(wěn)態(tài)誤差值越大。例如請求方向盤轉(zhuǎn)角50°，穩(wěn)態(tài)誤差要求小于1°。調(diào)節(jié)時間表征EPS系統(tǒng)動態(tài)過程的持續(xù)時間，從總體上反映了系統(tǒng)的快速性。

5）超調(diào)量Mp。EPS系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)反饋角度與目標角度存在的誤差，超調(diào)量表征EPS系統(tǒng)動態(tài)過程的穩(wěn)定性。

根據(jù)以上性能參數(shù)，表2列舉了商用車LKA系統(tǒng)對EPS系統(tǒng)角度控制時的性能指標，也決定了最終車輛是否能夠滿足GB/T 41796—2022商用車輛車道保持輔助系統(tǒng)性能要求及試驗方法。EPS在標定的過程中滿足了相關(guān)性能指標，然后結(jié)合LKA的標定進行聯(lián)調(diào)，最終能滿足法規(guī)和功能要求。

5? 結(jié)束語

本文基于對商用車的橫向控制系統(tǒng)進行分析，剖析了感知系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)以及相互關(guān)系，明確性能指標的要求對整個系統(tǒng)的影響。通過標定測試，完成了車輛整個橫向系統(tǒng)的開發(fā)驗證，最終滿足車輛的功能要求。

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（編輯? 楊凱麟）

收稿日期：2023-12-01