基于電動助力轉向的車道保持系統*

張海林，羅禹貢，江青云，李克強

(清華大學，汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084)

前言

據統計，近40%的致命交通事故是由于車道偏離造成的［1］。車道保持系統的功能在于能夠使車輛維持在正確的車道上，保證駕駛員的行車安全。

電動助力轉向(electric power steering，EPS)系統具有節能和結構簡單等一系列優點，基于EPS的車道保持系統能夠實現EPS系統的結構共用，降低車道保持系統設計成本。

在基于EPS的車道保持系統中，EPS既是常規助力轉向部件，又是車道保持執行部件。二者之間的協調控制是研究的關鍵。

文獻［2］和文獻［3］中研究了基于EPS的車道保持系統，但均未涉及EPS作為常規助力轉向部件與車道保持執行部件之間的協調問題。文獻［4］中為車道保持系統單獨設計了轉向機構，該機構無常規助力功能，不存在協調控制問題。

針對上述協調控制問題，提出一種綜合考慮跨道時間［1］與駕駛員操作行為判斷的車道保持協調控制方法。該方法結合了跨道時間計算與駕駛員操作狀態判斷方法。在此基礎上，搭建了車道保持模型、魔術輪胎模型、7自由度整車模型和EPS模型，并進行仿真。隨后在EPS實驗臺上進行車道保持協調控制硬件在環實驗。仿真及硬件在環實驗結果表明，所設計的車道保持協調控制方法能夠通過判斷駕駛員行為和車輛狀態，決定EPS是實現常規助力轉向還是響應來自車道保持控制器的命令，實現二者協調控制，確保行車安全。

1 基于EPS的車道保持系統總體結構

駕駛員在車輛行駛過程中擁有最高的優先級，因此在設計控制策略時必須考慮駕駛員的操作行為。通過綜合判斷跨道時間與駕駛員操作行為，決定EPS是工作在常規助力模式下，還是響應來自車道保持控制器的命令，實現協調控制。

基于上述思想，本文中建立了基于EPS的車道保持系統的總體結構，如圖1所示。虛線框內是車道保持控制系統。路面環境信息和駕駛員信息輸入給整車模型，經過計算后得到車輛的狀態參數。結合之前的路面信息和駕駛員輸入信息，通過綜合駕駛員行為和跨道時間來判斷車輛是否有發生車道偏離的危險。如果有發生車道偏離的危險，通過側向駕駛員模型計算得到轉角命令，再通過PID得到PWM信號，由助力電機執行，產生相應的前輪轉角，使車輛維持在車道線之間;如果沒有發生車道偏離的危險，EPS系統工作在常規助力模式下。

2 車道保持協調控制方法

在車道保持的過程中，首先須綜合各方面信息判斷車輛是否有偏離車道的危險，本文中通過判斷駕駛員操作行為與基于跨道時間的報警算法來判定是否有車道偏離的危險。

基于跨道時間(time to lane cross，TLC)的報警算法，是通過建立車輛運動模型，預測車輛的行駛軌跡，計算車輪接觸到車道邊緣所需要的時間，即跨道時間。當該時間小于特定閾值時，就進行報警。

車道保持協調控制算法流程如圖2所示。從圖2中可知，當駕駛員正在操作轉向盤時，駕駛員具有最高的優先級，此時EPS工作在常規助力模式下。當駕駛員未操作轉向盤時，此時若跨道時間大于閾值，則認為車輛未偏離車道，此時不實施輔助功能;若跨道時間小于設定閾值，則認為有車道偏離危險，通過側向駕駛員模型計算得到目標轉角，目標轉角與轉向盤實際轉角的差通過PID控制器后得到PWM信號，由助力電機來執行，使車輛維持在兩車道線之間。

從圖2可看出，駕駛員操作狀態判斷在車道保持協調控制中具有重要地位。本文中通過轉矩信號來判斷駕駛員的操作狀態，具體判斷流程見圖3。

系統首先從轉矩傳感器獲得轉矩信號，當轉矩大于設定閾值時，認為駕駛員正在操作車輛。當轉矩小于設定閾值時，如果轉矩小于閾值的時間大于某個設定的閾值，認為駕駛員未在操作車輛，否則認為駕駛員正在操作車輛。

3 車道保持系統仿真模型

在Matlab/Simulink環境下，搭建基于EPS的車道保持系統仿真模型，其框圖如圖4所示。

7自由度整車模型從EPS模型獲取前輪轉角，將回正力矩與車速傳遞給EPS模型;輔助模式判斷模型綜合駕駛員操作與跨道時間信息，決定EPS工作在常規助力模式還是車道保持模式。若系統處于車道保持模式，側向駕駛員模型計算得到目標轉向盤轉角，輸入給EPS模型，完成整個控制過程。

3.1 車輛模型

選取車輛縱向、側向、橫擺和4個車輪轉動總共7個自由度，建立7自由度整車模型。

整車模型如圖5所示，參數列于表1。

表1 7自由度整車模型參數含義

7自由度整車模型微分方程為

3.2 輪胎模型

采用魔術輪胎模型［5］，其一般公式為

式中:D為峰值因子;C為形狀因子;B為剛度因子;E為曲率因子;Sh為橫向補償量;Sv為縱向補償量;y(x)代表縱向力、側向力或回正力矩。

3.3 側向駕駛員模型

采用單點預瞄駕駛員模型［6-7］。模型示意圖見圖6。

圖6中xoy為固定坐標系，f(t)為預期的軌跡中心線方程，T為預瞄時間，y(t)為車輛當前坐標。

為跟蹤f(t)，最優的轉向盤轉角為

式中:δ為最優轉向盤轉角;i為轉向系傳動比;L為軸距;d為預瞄距離。

在車道保持控制過程中，若發生車道偏離，給定車道中心線及相關參數，通過上述側向駕駛員模型可以計算得到目標轉向盤轉角，根據目標轉向盤轉角與實際轉向盤轉角的差值，通過PID控制器后得到PWM信號，由助力電機執行，完成車道保持過程。

3.4 EPS 系統模型［8－9］

轉向管柱助力式EPS結構如圖7所示，EPS系統模型參數均標注于圖7中，參數含義列于表2。

表2 EPS模型參數含義

轉向系動力學方程為

直流電機的電壓方程為

電機的動力學方程為

綜合式(4)～式(6)便可對轉向系統動力學進行求解，得到相關參數，以便進一步求解。

4 車道保持硬件在環實驗平臺

在仿真基礎上，搭建硬件在環實驗平臺，如圖8所示。

硬件在環實驗平臺由Dspace系統、EPS實驗臺和電機驅動模塊組成。Dspace系統運行所搭建的基于EPS的車道保持系統模型。Dspace從EPS實驗臺采集轉矩和轉角信號，從電機驅動電路采集電流信號，輸入給系統內部正在運行的模型，經過一系列運算后，輸出PWM信號，驅動電機動作，改變前輪轉角，控制車輛行駛軌跡。

5 仿真與實驗結果分析

EPS系統中電動助力效果會隨車速的增大而減弱。為兼顧助力效果和車道保持效果，選擇車速工況為20km/h。

5.1 仿真結果分析

仿真工況1:直線行駛工況，車速20km/h，地面附著系數0.9，車道寬3.5m，跨道時間閾值3.5s。駕駛員轉角輸入、跨道時間和電機電壓情況如圖9所示。

由圖可見:從3～4.3s(虛線橢圓框部分)，存在駕駛員輸入，電機提供常規助力，電機電壓在3～4.3s之間呈現常規助力狀態;在4.3s之后，駕駛員沒有輸入，跨道時間小于3.5s，電機開始動作，調整車輛位置;跨道時間大于3.5s，電機基本不工作，不提供輔助功能。控制方法達到協調控制效果。

車輛質心軌跡控制結果如圖10所示。當車輛有偏離車道的危險時，系統進行接管，將車輛質心控制在車道中心線附近，確保車輛安全。

仿真工況2:彎道行駛工況，車速20km/h，地面附著系數0.9，車道寬3.5m，跨道時間閾值3.5s。

駕駛員轉角輸入、跨道時間和電機電壓情況如圖11所示。

由圖可見:從0～1.5s(虛線橢圓框部分)，存在駕駛員輸入，電機電壓呈現常規助力狀態;1.5s后，駕駛員沒有輸入，跨道時間小于3.5s，電機開始動作，調整車輛軌跡;跨道時間大于3.5s，電機基本不工作，無輔助功能。控制方法達到了協調控制效果。

車輛質心軌跡控制結果如圖12所示。

當車輛發生偏離時，系統能夠及時糾正車輛位置，保證行車安全，驗證了所設計的車道保持控制方法的有效性。

5.2 硬件在環實驗結果分析

硬件在環實驗過程中，駕駛員處于未操作狀態時，手完全脫離轉向盤;駕駛員處于操作狀態時，手扶在轉向盤上進行操作。

硬件在環工況1:直線行駛工況，車速20km/h，地面附著系數0.9，車道寬3.5m，跨道時間閾值3.5s。

硬件在環仿真實驗中車輛質心軌跡控制結果見圖13。由圖可見，當車輛發生車道偏離時，系統能夠將車輛調整到車道中心線附近，符合預期效果。

圖14示出硬件在環實驗過程中，車輛各參數的變化情況。由圖可見:從3.5～4.5s(虛線橢圓框部分)，轉矩超出了所設定的閾值，根據圖3判斷駕駛員處于操作狀態;4.5s后，轉矩小于所設定的閾值，并持續一定時間，根據圖3判斷駕駛員處于未操作狀態。從3.5～4.5s，駕駛員存在操作，此時EPS工作在常規助力模式，表現為電機存在助力電流。之后，駕駛員無操作，系統進入到車道保持階段，跨道時間小于設定閾值時，電機開始動作，通過改變前輪轉角糾正車輛位置;跨道時間大于設定閾值時，電機中幾乎沒有電流，系統無輔助功能。結果表明，所設計的控制方法達到了協調控制的效果。

硬件在環工況2:彎道行駛工況，車速20km/h，地面附著系數0.9，車道寬3.5m，跨道時間閾值3.5s。車輛質心軌跡控制結果如圖15所示。

在彎道行駛工況下，偏離車道情況發生時，系統能夠及時調整車輛位置，維持車輛在車道中心線附近，驗證了控制方法的有效性。

圖16示出硬件在環實驗過程中，車輛各參數的變化情況。由圖可見:從0.5～1.5s(虛線橢圓框部分)，轉矩超出了所設定的閾值，根據圖3判斷駕駛員處于操作狀態;1.5s后，轉矩小于所設定的閾值，并持續一定時間，根據圖3判斷駕駛員處于未操作狀態。從0.5～1.5s，駕駛員有操作，此時EPS工作在常規助力模式，表現為電機存在助力電流。1.5s后，駕駛員無操作，系統進入到車道保持階段，跨道時間小于設定閾值時，電機通電，改變前輪轉角，調整車輛軌跡;跨道時間大于設定閾值時，系統不提供輔助功能。驗證所設計的控制方法具有協調控制效果。

6 結論

針對基于電動助力轉向的車道保持系統中的協調控制問題，提出了一種綜合考慮跨道時間與駕駛員操作行為判斷的車道保持協調控制方法。在此基礎上，開發了車道保持綜合仿真平臺，對控制方法進行仿真，并針對相應的仿真工況進行了硬件在環實驗，得到如下結論。

(1)所設計的車道保持協調控制方法綜合了駕駛員操作狀態與車道偏離信息，能夠解決EPS作為常規助力轉向部件與車道保持執行部件之間的協調控制問題，同時保證駕駛員在駕駛過程中擁有最高的優先級，符合現實情況。

(2)通過整合側向駕駛員模型、7自由度車輛模型、魔術輪胎模型和EPS系統模型建立了完整的基于EPS的車道保持系統仿真模型。該模型能夠較好地模擬車道保持過程中車輛的動態特性。

(3)仿真和硬件在環實驗結果表明，所設計的車道保持協調控制方法能將車輛維持在兩車道線中間，保證行車安全，具有良好的控制效果。

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