LKA系统控制策略研究

辛乾 芦凡 杨航

摘 要：首先完成了LKAS控制系统逻辑架构的构建，同时针对汽车侧向动力学的强非线性及参数时变特性，利用预瞄控制原理设计了转向控制算法，应用在车辆的车道保持控制系统中。通過Trucksim和Matlab联合仿真的初步验证，该算法能够实现不同车速下对车辆的良好循迹控制。

关键词：车道保持;联合仿真;预瞄控制

中图分类号：U462  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）21-95-03

Abstract： Firstly， the logic architecture of LKAS control system is constructed. At the same time， aiming at the strong nonlinearity and time-varying characteristics of vehicle lateral dynamics. Based on the preview control principle， a steering control algorithm is designed and applied to the lane keeping control system of vehicle. Through the preliminary verification of the joint simulation of Trucksim and Matlab， the algorithm can realize good tracking control for vehicles at different speeds.

Keywords： Lane Keeping Assistance System; Co-simulation; Preview control

CLC NO.： U462  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）21-95-03

前言

随着我国驾驶员数量和机动车保有量的迅速增加，因交通事故伤亡的人数也呈现上升趋势。欧美等发达国家曾对交通事故进行调查发现在已发生的交通事故中约80%的事故与驾驶员有关，其中由于驾驶员注意力不集中造成的交通事故占有很大比重[1]。美国国家公路交通安全管理局统计结果表明：约30%的交通事故由车辆追尾引发，约20%的交通事故由车辆驶出预定车道造成[2]。2008 年美国联邦公路局统计在重大交通事故中近50%与车辆驶出原车道有关[3]。

美国联邦公路局相关调查结果显示安装LDWS可把由车辆偏离车道引发交通事故的概率降低30%～70%[4]。故LKAS的开发对于提升车辆安全性意义重大。

1 设计目标

本策略用于车辆驾驶辅助中的车道保持系统（LKAS），该系统帮助驾驶员将车辆控制到当前道路中，通过获取车辆在道路里的位置信息等，实时监控车辆状态，并在需要时向控制器发送命令来调节车辆的横向位移。按照相关标准要求，该系统应能满足60km/h以上车速正常工作的要求。

2 LKAS系统的基本架构

车道保持系统主要由四部分组成：感知层、信息处理层、决策层和执行层。总体结构如图1所示：

感知层：即信息采集系统包括各种传感器和图像处理模块，是LKAS车道信号和车辆状态信号的来源;

信息处理层：接收感知层采集的各种信号并进行数据处理，得到车辆与车道线的相对位置关系，然后向决策层各模型传递处理后的信号;

决策层：主要由车道偏离预警算法、驾驶员操作状态辨识算法和车道保持主动控制算法三部分组成，该层通过判断车辆的运动状态和获取车辆位置信息确定是否向执行层发送命令，它决定LKAS 的工作状态;

执行层：执行决策层的命令，利用转向系统控制车辆运动，修正其运动轨迹使之回到原行驶车道。

3 LKAS系统控制算法

本文主要对决策层的控制算法进行讨论，其主要包含以下几个方面：

3.1 车道偏离预警

车道偏离预警工作过程如下图：

车道偏离预警方法为基于TLC（Time To Lane Crossing）的预警算法。TLC是指从汽车当前位置开始到汽车与车道线开始接触为止所需的运动时间。该方法基于未来特定时间内的车辆动力学模型做出有效假设，根据建立的车辆运动模型和对前方道路的正确识别，最后识别出汽车即将跨越道路边界的时间。当时间小于某一阈值时，触发系统进行声光报警，提醒驾驶员。

基于TLC的算法又可以分为纵向TLC与横向TLC，分别基于纵向距离、速度和横向距离、速度计算TLC值，由于TLC算法将车辆运动状态简化的认为在未来一定时间内维持不变，而实际车辆行驶过程中的运动状态是时刻变化的，尤其是车辆横向运动的不稳定性更加明显，为尽可能确保对车辆未来轨迹预测的准确性，本文采用依据纵向距离和速度的TLC计算方法。

实际的TLC计算过程中还要充分考虑道路的曲率半径，延伸方向，实际车道线宽度，车辆轨迹的曲率半径等时变参数，从而准确的计算出当前工况下的TLC值。

3.2 驾驶员操作状态辨识

LKAS执行预警命令或主动控制命令前须识别驾驶员操作状态，判断车辆当前偏离状态是不是驾驶员有意为之，避免人车冲突，避免影响人机友好性。驾驶员操作状态辨识主要依据如下两个信号，同时结合车辆状态进行判定。具体如下：

1）转向灯信号，当转向灯有信号且与车辆偏离方向一致时，认为驾驶员为有意识操作，不触发报警;

2）方向盘力，当电动助力转向系统的力矩传感器检测到的方向盘力矩大于某一阈值时，认为驾驶员为有意识操作车辆，此时即使车辆偏离当前车道线行驶，也不触发报警。

3.3 車道保持主动控制算法

在车道偏离预警启动后，若判断驾驶员并没有控制车辆，控制器将主动控制车辆回到车道中心线位置。此时根据车辆质心距离车道中心线的距离，以及横向稳定性要求，控制器将规划出当前时刻车辆到道路中心线的路径。控制过程中，基于路径偏差序列生成方向盘转角控制参数。

3.3.1 轨迹规划

采用如下路径算法：

上式中Y，X为规划的轨迹坐标，dx1、dx2、dy1、dy2、z1、z2为轨迹曲线的设置参数。通过不同的参数选择可对换道曲线的曲率半径、横向偏移量等进行参数化设置，根据车辆实际运行状态及工程经验进行设置。

3.3.2 转向控制算法

经过合理简化，建立车辆二自由度的单轨模型如下图所示：

根据车辆动力学模型，为了使车辆以最小的误差沿着期望的路径形式，建立期望的方向盘转角与预瞄误差、车速、预瞄距离以及车辆基本参数的函数如下：

上式中dpreview为预瞄距离，需要根据工程经验具体确定。

4 仿真效果

4.1 仿真模型的搭建

通过Trucksim对整车建立动力学模型，与simulink的预瞄控制算法进行联合仿真。仿真模型搭建如下所示：

给定参考轨迹，通过控制算法使得实际轨迹较好的跟踪参考轨迹，参考轨迹根据3.3.1中公式生成，具体的轨迹如下图所示：

4.2 仿真结果

设定的预瞄距离根据工程经验确定，车辆行驶速度为60km/h，各个预瞄点的权重值根据车辆的速度及预瞄距离确定，仿真结果如下所示：

5 总结与展望

1）控制策略整体满足了LKAS的功能需求，能较准确地判断车辆状态，驾驶员意图，并在必要时对转向系统进行控制保持车辆按当前车道行驶。

2）下一步拟对对EPS系统的动态响应特性进行研究，进一步优化前轮转角控制算法。

参考文献

[1] 王武宏，孙逢春等.道路交通系统中驾驶行为理论与方法[M].北京： 科学出版社，2001.

[2] Pomerleau D， Jochem T， Thorpe C， et al. Run-off-road collision avoi -dance using IVHS countermeasures[J].DOT HS，1999， 809（170）： 88.

[3] American Association of State Highway and Transportation Officials， Driving Down Lane-Departure Crashes： A National Priority [N]. Fatalities， 2008.

[4] Gonzalez-Mendoza M，Jammes B，Hernandez-Gress N，et al.A com -parison of road departure warning systems on real driving condi -tions[C]//Intelligent Transportation Systems，2004.Proceedings. The 7th International IEEE Conference on. 2004：349-354.