基于EPS的車道保持輔助系統設計

郭洪強 陳慧 陳佳琛

（同濟大學，上海 201804）

主題詞：車道保持輔助 電動助力轉向 人機交互

1 前言

車道保持輔助（Lane Keeping Assistance，LKA）系統是典型的橫向先進駕駛員輔助系統（Advanced Driver Assistance System，ADAS）。電動助力轉向（Electric Power Steering，EPS）具有節能環保、符合駕駛輔助功能需求等優點，近年來在乘用車市場越來越多地替代液壓助力轉向[1]。隨著EPS的普及，越來越多的LKA系統以EPS作為其執行機構。

但是，如何更好地集成LKA和EPS的功能，提升車道保持性能的同時，又能達到正常助力轉向的目的，是必須解決的問題之一。文獻[2]綜合考慮跨道時間與駕駛員轉向操作進行協調控制，系統存在LKA前輪轉角控制模式和EPS常規助力模式的切換；文獻[3]建立了聯合預警算法，提高預警精度，并通過駕駛員操作辨識模型進行模式切換。轉向系統存在模式切換直接導致LKA開啟時轉向助力消失，存在安全隱患。文獻[4]設計了力矩疊加結構，在EPS助力力矩上疊加轉角控制力矩，但沒有考慮控制權限的轉移。

文獻[2]、文獻[3]將跨道時間和駕駛員轉向操縱作為LKA介入和退出的主要依據，對車道線檢測置信度等考慮較少。國際標準化組織（ISO）、國際自動機工程師學會（SAE）以及歐盟新車安全評鑒協會（Euro NCAP）的測試報告也指出，車道保持系統的輔助行為不應突然終止，應平緩退出[5-7]。Volvo設計的駕駛員超馳（Driver Steering Override，DSO）策略引入了隨駕駛員轉向力矩、道路曲率變化的比例因子，LKA力矩在駕駛員轉向時減小，但仍存在持續干擾的情況[8]。Cerone V等人設計的二自由度控制結構實現了自動車道保持和駕駛員操作的平滑切換，但系統狀態過于模糊，實現較為困難[9]。文獻[10]對LKA退出策略進行了設計，并利用主、客觀評價方法優化了策略參數，提高了LKA系統的接受度，但并未考慮如何基于EPS系統實現。

為解決上述問題，本文對基于EPS的LKA系統進行了設計。在EPS扭矩傳感器上疊加LKA輔助力矩，保證EPS助力功能始終開啟；設計了LKA狀態決策策略以及狀態切換過程，避免干擾駕駛員。本文在離線仿真和駕駛模擬器半實物仿真試驗的基礎上，進行道路試驗，結果表明該系統架構良好地集成了EPS功能和LKA功能，提高了系統的安全性和舒適性。

2 LKA控制策略

2.1 LKA系統架構

LKA系統可分為感知層、決策控制層和執行層三部分[11]，如圖1所示。感知層用于采集車道信息和車輛信息；決策控制層即車道保持輔助控制器，具體結構如圖2所示；執行層為EPS系統，傳統的EPS系統保留，保證了原車助力轉向功能的完整性和穩定性，虛擬駕駛員轉向力矩替代扭矩傳感器檢測到的駕駛員轉向力矩。該結構使得EPS助力功能始終開啟，無論LKA是否介入，駕駛員均可獲得轉向助力。感知層主要通過CAN總線獲得傳感器信息，決策控制層的車道保持輔助力矩控制如圖3所示。

圖1 LKA系統架構[11]

圖2 決策控制層結構

圖3 車道保持輔助力矩控制模塊組成

2.2 狀態決策策略

圖3中的狀態決策策略如圖4所示，LKA系統具有關閉、待機和介入3種狀態，狀態的轉換根據LKA激活條件和介入條件判斷進行。定義激活條件系數α和介入條件系數β，輔助系數γ為α和β的邏輯與，即開啟條件和介入條件同時滿足時，取γ=1（介入狀態），否則取γ=0（非介入狀態），γ直接影響車道保持輔助控制器輸出的力矩。

圖4 LKA系統狀態轉換策略

決策過程首先進行LKA開啟條件判斷，判斷流程如圖5所示，當LKA激活條件滿足時進行如圖6所示的LKA介入條件判斷，包括跨道時間判斷和車輛返回車道中心判斷。

圖5 LKA激活條件判斷流程

圖6 LKA介入條件判斷流程

2.2.1 LKA開關狀態判斷

LKA系統需要具有開關接口以保證駕駛員隨時可以開啟或關閉系統，避免系統對駕駛員持續產生干擾甚至引發事故。從人機交互裝置接收LKA系統的開關信號，如果駕駛員關閉LKA系統，則激活條件系數α=0。

2.2.2 車道線檢測質量判斷

由于實際道路車道線質量參差不齊，且傳感器車道線檢測能力有限，一側車道線短時丟失的情況時有發生。為避免LKA系統反復開關，當僅有一側車道線質量置信度符合要求時，系統會根據默認車道寬度計算得到另一側車道線。如果兩側車道線檢測置信度均低于設定的閾值，LKA進入關閉狀態。

持續檢測到有效車道線是LKA工作的前提，為了避免攝像頭檢測到人行橫道線等短距離車道線時系統誤作用，置信度高于閾值一定時間后才認為有效檢測到車道線。有效檢測到車道線的判定條件為：

式中，v為車速，tlane為有效檢測到車道線的持續時間，lthreshold為設定的閾值。

2.2.3 變道判斷

變道判斷考慮駕駛員力矩、轉向燈開關、車輛橫向偏移量等狀態，判斷流程如圖7所示。

圖7 變道判斷流程

駕駛員力矩判斷是為了避免LKA系統與駕駛員操作沖突，其判斷條件為：

式中，Tdriver(t)為駕駛員轉向力矩；MTthreshold為駕駛員轉向力矩積分閾值。

若式（2）成立，則認為駕駛員主動接管車輛，LKA系統進入變道待機狀態，調整激活條件系數α=0。

轉向燈開關信息通過CAN總線獲得，轉向燈開啟說明駕駛員主動進行變道，LKA系統進入變道待機狀態，避免對駕駛員的變道行為產生干擾。

車輛橫向偏移量大于設定閾值，約1/2車身已經偏出車道時應將車輛控制權交還給駕駛員，LKA系統同樣進入關閉狀態。

LKA系統進入變道狀態后，直到車輛再次回到車道中心線附近而且偏航角小于設定值時，均判定車輛處于變道過程，即LKA系統始終關閉。

2.2.4 跨道時間判斷

跨道時間（Time to Lane Crossing，TLC）指從當前位置運動至左前輪或右前輪觸及車道線為止所經歷的時間。考慮到LKA系統需要開啟時駕駛員未對轉向盤進行控制，即車輛直行，進行了簡化，如公式（3）所示：

式中，f(l)為傳感器輸出的基于車輛坐標系的車道線方程，其值為車輛正前方l距離處的橫向偏移量；tth為TLC的閾值；w為1/2車寬。

若f(tth·v)

2.2.5 車輛返回車道中心判斷

LKA系統作為輔助系統不會持續介入太久，如果以同一TLC閾值作為LKA系統介入和退出的條件，會出現LKA系統介入后TLC變大，LKA退出，隨后TLC又變小LKA再次介入，尤其在彎道中LKA易出現頻繁介入和退出。因此TLC條件僅作為LKA系統的介入條件，當LKA介入后，進行車輛返回車道中心判斷，如果車輛橫向偏移量和偏航角均小于設定閾值，則認為車輛返回車道中心，調整β=0。

綜上，狀態決策的LKA系統開啟條件判斷與介入條件判斷包含多個狀態，由多個判斷流程組成，采用Stateflow進行建模可以清晰地表達各信號、條件以及狀態之間的邏輯關系。

2.3 車道跟隨控制器

車道自動跟隨控制器的結構原理如圖8所示，可分為橫向位置控制器和轉向盤轉角控制器。

圖8 車道自動跟隨控制

2.3.1 橫向位置控制

橫向位置控制器根據車道線識別模塊得到的道路信息及車輛位置信息對車輛進行控制，包含基于橫向偏移量的PD反饋控制和基于曲率的前饋控制兩部分。由于偏航角反映橫向速度的大小，即橫向偏移量的微分，考慮到進行微分運算可能導致的穩定性問題，因而采用對橫向偏移量和偏航角的P控制：

式中，θr為保持車道所需要的目標轉角；y為車輛相對于當前車道的橫向偏移量；Ψ為偏航角；K為前方道路曲率；ky、kΨ、kR分別為根據車輛結構參數設計的控制增益，可以依據車速進行調整。

為了避免轉向盤轉速過高導致危險，θr的變化斜率受到限制；同時，為了避免LKA系統介入的瞬間目標轉角與實際轉角相差過大導致轉速過快，在LKA系統未介入時令目標轉角等于實際轉角。

2.3.2 轉向盤轉角控制

將橫向位置控制器計算得到的目標轉角θr與轉角傳感器測得的實際轉向盤轉角θ作差，得到轉角誤差e，從而計算得到車道跟隨力矩Tha。轉向盤轉角控制器可依據轉角閉環系統性能指標要求進行設計，亦可采用PID控制器，其輸出為：

式中，kp為比例項系數；ki為積分項系數；kd為微分項系數。

kp、ki、kd可依據車速調整，以適應不同車速工況；積分項對消除轉角跟蹤穩態誤差具有重要意義，為了消除積分飽和的負面效應，同時可以快速消除穩態誤差，為積分項單獨設定了飽和值，積分項達到飽和值后不再增加。

2.4 輸出力矩決策單元

為了便于對系統狀態轉換的過渡過程進行設計，輸出力矩決策單元采用文獻[8]提出的LKA力矩疊加結構。根據工作狀態和虛擬車道跟隨力矩獲得車道保持輔助力矩Tlka=Tha·γ。輸出力矩決策單元的輸入γ和Tha，輸出為Tlka。當γ=1時，LKA系統輸出輔助力矩Tlka即為虛擬車道跟隨駕駛員力矩Tha；當γ=0時，車道保持系統輸出的輔助力矩Tlka為零。

由于LKA系統從正常工作退出到待機或關閉狀態通常是由于駕駛員主動轉向引起，此時駕駛員會緊握轉向盤，因而保證在LKA系統從正常工作退出到關閉狀態過程中車道保持輔助力矩退出得平穩、順暢尤為重要，避免駕駛員轉向手感不適甚至駕駛恐慌。為了達到上述目的，輔助系數γ的變化率受到限制，如圖9所示。

同時，在輔助系數γ從1降為0的過程中，車輛位置的變化可能導致車道跟隨力矩Tha的波動，從而使輸出的輔助力矩Tlka波動，導致駕駛員手感不佳。如圖9所示，采用選擇模塊在輔助系數γ從1降為0時切換到記憶模塊存儲的Tha值，保證輸出的輔助力矩Tlka在狀態切換過程中線性變化，從而保證駕駛員的轉向手感舒適。

3 離線仿真與半實物仿真

為了對控制器的性能進行測試驗證，降低測試成本并提高安全性，本文通過Simulink仿真測試了車道保持性能，通過駕駛模擬器半實物仿真完善了人機交互相關的控制策略。

3.1 離線仿真

3.1.1 仿真模型

離線仿真結構如圖10所示，車輛動力學仿真軟件提供車輛模型與車道線檢測信息，車道保持輔助控制器以及EPS系統模型在Simulink中搭建，車道線檢測質量、轉向燈信號等仿真輸入也由Simulink實現。

圖10 離線仿真結構

3.1.2 離線仿真結果

車速70 km/h直線道路仿真結果如圖11所示，車輛逐漸偏離車道，第12 s時介入條件滿足，輔助系數γ由0調整為1，此時車輛偏出車道中心線約0.7 m，LKA系統開始介入。轉向盤轉角變化率受到限制，轉角平穩變化，車輛平緩返回車道中心線附近，此后，LKA系統主動平緩退出。

圖11 直道LKA系統介入仿真結果

車速70 km/h時LKA系統在彎道中的仿真測試結果如圖12所示，車輛橫向偏移量0.2 m時LKA系統即介入。測試彎道包含左轉彎和右轉彎，最小曲率半徑200 m，在LKA系統控制下車輛返回車道中心線附近，橫向偏移量控制在0.09 m以內。

3.2 駕駛模擬器半實物仿真

基于駕駛模擬器的試驗平臺同基于實車的試驗平臺相比具有變量可控、安全性高、試驗成本低等優點，因此本文選擇在駕駛模擬器上完善人機交互相關策略，如圖13所示。利用虛擬交通場景軟件搭建各式場景并即時顯示；轉向反力模擬設備通過反力電機模擬真實的駕駛手感；快速原型控制器內實時運行LKA控制算法。

圖12 彎道LKA系統介入仿真結果

圖13 固定基座駕駛模擬器

為了驗證本文設計的LKA系統退出過程不對駕駛員產生干擾，在駕駛模擬器上進行了對比試驗：駕駛員分別在LKA系統開啟和關閉的狀態下不開啟轉向燈進行變道超車操作，并記錄對比駕駛員轉向力矩、轉向盤轉角和車輛橫向偏移量。試驗結果如圖14所示，兩種情況下轉向盤轉角與橫向偏移量變化過程接近，LKA系統退出時扭矩傳感器值沒有明顯波動，駕駛員接管過程平穩，LKA系統未對駕駛員變道產生明顯干擾，驗證了LKA系統退出過程設計的合理性。

圖14 LKA開啟/關閉情況下的變道對比

4 實車道路試驗

4.1 試驗平臺

道路試驗在如圖15所示的試驗平臺上進行，試驗車為一款B級車。車輛安裝了單目攝像頭以檢測車道線；控制器采用快速原型控制器；為了最大限度地保留原車EPS控制器的功能，對EPS扭矩傳感器信號進行了替代，通過在原扭矩傳感器信號上疊加輔助力矩值得到虛擬駕駛員轉向力矩，EPS控制器會根據虛擬駕駛員轉向力矩、車速及助力曲線控制EPS電機力矩，符合圖1的系統結構。常見的EPS扭矩傳感器輸出信號有模擬電壓信號和單邊半字節傳輸協議信號等，通過對原信號解析獲得扭矩傳感器真實輸出，疊加LKA輔助力矩后輸出給原車EPS控制器，從而實現轉向介入。

圖15 實車試驗平臺

4.2 試驗結果

直道測試結果如圖16所示，車輛偏出車道過程中LKA系統可以及時介入使車輛保持在車道中心，車輛最大橫向偏移量達到0.72 m后平穩減小，5 s后車輛回到車道線中心。由于實車的轉向盤小轉角跟蹤效果難以如仿真一樣理想，車輛返回車道中心耗時較仿真要長。

圖16 實車LKA系統直道介入試驗結果

5 結束語

本文設計的力矩疊加架構可以將電動助力轉向功能與車道保持輔助功能良好地集成在一起，提高了人機交互的安全性和舒適性。但如何選擇最優的控制參數，以及實現駕駛員個性化自適應有待進一步研究。