基于車道偏離閥值提高LKAS性能研究

吳成偉　馮嘉欣　王華　馮軍　李宇緯　柯忠澤

摘 要：隨著汽車工業的發展，客戶對車輛的需求逐漸由功能向性能轉變。車道保持等智能駕駛功能漸漸得到應用及推廣，但目前性能方面還有一定的可提升空間。為了提高車道保持輔助的駕駛性能，本文闡述車道保持輔助的激活閥值設置，根據車輛的行駛路線規劃及其時時路況動態推薦輔助模式，推薦相對適合路況的車道保持輔助模式。經過理論分析及實車測試數據表明，結合車輛狀態及其道路工況信息、推薦最優車輛保持模式，駕駛員參考推薦模式、根據駕駛員熟悉的路況、及其駕駛員的精神狀態進行選駕駛模式，能提高車輛駕駛的性能。

關鍵詞：智能駕駛 車道保持輔助 駕駛性能 閥值

A Research on Improving Properties of LKAS Driver based on Threshold Value

Wu Chengwei，Feng Jiaxin，Wang Hua，Feng Jun，Li Yuwei，Ke Zhongze

Abstract：With the development of the automobile industry， customer demand for vehicles has gradually shifted from function to performance. Intelligent driving functions such as lane keeping are gradually being applied and promoted， but there is still room for improvement in performance. In order to improve the performance of lane keeping assisted driving， this article describes the setting threshold of the road deviation line， based on the vehicle's driving route planning and real-time road conditions， dynamically recommending the lane keeping assist mode， which is relatively suitable for road conditions. The theoretical analysis and actual vehicle test show that it can improve the driving performance of the vehicle， to choose the drive mode by combining vehicle status and road conditions information， recommending the optimal vehicle retention mode， the recommended mode working as reference for driver or according to the drivers familiar road conditions， and considering the drivers mental state.

Key words：intelligent drive lane， lane keeping assistance， driving performance， threshold

1 引言

當被動安全技術發展到一定的程度后，再難以有大幅度的提高。為了繼續提高車輛的安全系數、降低車輛發生事故的傷亡率，主動安全成為重要途徑，在汽車自動防撞系統（automatic collision avoidance system）、車道保持輔助系統（Lane Keeping Assistance簡稱LKAS）[2]的研究及應用最為突出。主動安全主要依賴車輛智能控制模塊，國際上關于功能安全等級主要執行ISO 26262標準，智能駕駛等級引用美國工程師學會（society of automotive engineers， SAE）起草的J3016（TM）及美國國家公路安全管理局（national highway traffic safety administration，NHTSA）起草的自動駕駛分級，國家工信部2020年3月份提出《汽車駕駛自動化分級》，2021由國家市場監督管理局與國家標準化管理委員會發布GB T 40429-2021，這些都是從安全等級及自動化程度分解，ISO 11270：2014主要是對功能的定義及規范說明。按J3016（TM）及ISO 11270：2014標準分解，LKAS處在L2的自動駕駛級別，在性能上沒有相關的明確定義。

國內外學者對LKAS進行了相關研究，文獻[2]從扭矩疊加考慮控制權限的轉移，未考慮對LKAS接入控制的頻次影響進行研究，文獻[3]從主觀上對LKAS性能進行評價，未涉及到性能設計的設置邏輯，文獻[4]從駕駛員的疲勞進行辨識，未從降低駕駛員疲勞速度進行研究，現公開發表的學術性論文研究，未根據時時工況關聯LKAS分析。而全球各國不同的車道，道路寬度都有一定范圍的波動，如中國道路寬度在3.0m到3.75m之間、日本道路規格寬度在2.75m到3.75m、意大利道路規格寬度在2.5m到3.75m、美國道路標記寬度在2.6m到4.2m、澳大利亞道路規格寬度理想為3.5m[5]，各國間車道的寬度存在差異，且是范圍值。因此，結合道路寬度對LKAS性能的研究有重要的意義。

為了進一步提高LKAS的性能，解決LKAS設置固定在發生車道偏離時所需要的時間參數，緩解輔助駕駛在此性能上受到的限制，本文對LKAS的車道偏離閥值進行了系統分析?；谙到y采集車輛所處車道中的相對位置及路況、導航系統提供的車輛行駛在當前公路等級為參考信息，以LKAS的車道偏離激活閥值為研究對象，提高車輛的駕駛性能。

2 車道保持輔助系統介紹

2.1 車道保持輔助系統基本概念

車道保持輔助系統屬于智能駕駛輔助系統中的一種，主要從主動安全去做相應的開發及應用。參考SAEJ3016分類，LKAS功能屬于L2自動化級別。LKAS研究的目的是為了降低駕駛員片刻分神導致車輛偏離行駛軌道的風險。LKAS設定車輛在車道的相對位置的模型，主要借鑒于車道偏離預警系統的規范。車道偏離臨界線及其設置區域。如圖1所示。

LKAS在車道偏離預警的基礎上進行升級應用，增加中間形式區域輔助模式，在最早輔助線及最晚輔助線區間內設置車輛偏離輔助激活閾值，車輛偏離至閾值線，并無抑制限制條件時LKAS功能啟動。

2.2 車道保持輔助系統控制策略

本文以某款車型為例，LKAS采集的基本信息為車輛與車道邊界相對位置、車輛橫向速度，在綜合參數達到LKAS觸發的閥值時，且無抑制的參數信號，系統提供輔助轉向扭矩。從整車的狀態進行編寫控制策略，車輛在接收到抑制請求、車輛的行駛速度不在觸發的策略范圍內、滿足駕駛員優先的狀態下，LKAS發送糾正扭矩請求收到抑制不能激活，系統功能組成如圖2所示。

車輛與車道邊界相對位置控制策略，是通過車輛特定部位與車道邊界之間的橫向距離、偏離與速度為基數，如式（1）所示。

TTLC= （1）

式（1）中TTLC為發生車道偏離所需要的時間、D為通過車輛特定部位與車道邊界之間的橫向距離、v為車輛偏離速度。

車輛的車道輔助控制策略扭矩加載，輔助閥值激活后，控制模塊發扭矩請求給電動助力轉向系統，控制策略如圖3所示。

Mdri;駕駛員施加的扭矩;

Mlks;車道保持輔助請求的扭矩;

MlksRes;經過幅值和梯度限制后的扭矩;

Mconv;經過傳統轉向盤助力后的電動助力轉向扭矩;

f1（M，dM）;限制LKAS請求扭矩幅值和梯度的函數;

f2（M）;傳統的轉向盤助力函數。

2.3 車道保持輔助系統性能

LKAS性能主要為安全性及平順性。車道保持輔助系統的安全性能，主要體現在減少駕駛員片刻分神導致車輛偏離行駛的軌道能力，其主要表現在駕駛員分神后，車輛位置滿足觸發車道保持閾值時，車道保持功能輔助控制車輛不跑出車道的能力。平順性體現為輔助扭矩對駕駛員的干預，使其方向盤對駕駛員的反饋扭矩波動。

3 車道保持輔助功能觸發閾值

3.1 選用道路的研究對象

LKAS控制模型設置觸發的閥值為變量。本文主要以車輛行駛速度狀態與車道信息為研究對象，車道參考《路線設計規范》JTG D20-2017，設計車速與車道寬度如表1所示。

3.2 提高道路保持性能分析

駕駛員分神后，LKAS控制車輛不跑出車道的能力。根據式（1），在相同的工況下，車輛與車道邊界之間的橫向距離起到關鍵因素。車輛與車道邊界之間的橫向距離如式（2）所示。

D= （2）

式（2）中，W車道線為兩邊車道線距離，W外為車輛外側靠近車道線的部位與車道中間距離。

優化駕駛車輛的舒適性，本文以駕駛員優先的原則，降低LKAS請求的扭矩幅度，提高方向盤反饋給駕駛員扭矩的平順性。

優化駕駛車輛的安全性能，根據車輛當前及行程規劃的路況，推薦駕駛員相應的車道保持模式，從而相應的提高車輛駕駛性能及安全性能。

LKAS性能中，TTLC起到優化駕駛車輛的舒適性及其安全性能關鍵參數。相應行程車輛計劃行駛道路寬度為可預知的變量，車輛橫向速度為不可預知的變量，結合式（1）及式（2）。參考車輛計劃行駛的車道寬度，設置LKAS的觸發閾值，能起到兼顧車輛安全性及舒適的途徑。

3.3 分析模型建立

模型分析道路寬度參數，參考《路線設計規范》JTG D20-2017，下限設置為3.0m，上限選用3.75m。車輛直線行駛能力，參考某主流車企的規范，在平坦、硬實、干燥的清潔道路上以80Km/h行駛100m，跑偏不大于一米。車輛尺寸參考某車型參數，車輛寬度1.861m，車輛長度4.986m，軸距2.870m，前輪距1.6m，車輪規格215/55/R17。

車輛從車道中間跑出車道的時間如式（3）所示。

D= （3）

式（3）中W車為車輛寬度。

根據案例車型尺寸、車輛直線行駛的能力及其道路寬度范圍進行模擬分析，車道寬度與駕駛員分神的時間容量曲線如圖4所示。

根據參考車型參數、車輛跑偏的控制水平及擬定參考路況，通過模擬分析數據圖4形體現，以80Km/h車速直線在車道中心行駛的車輛，車輛直線行駛能力在本文參考的跑偏量下，從駕駛員分神不對車輛進行橫向控制，車輛保持原車速行駛的工況下，車輛跑出車道的時間變量為2.56秒到2.25秒區間。LKAS的激活閥值TTLC設置峰值時，能提高車輛的安全系數，在彎道頻繁的路況及其駕駛員精神充沛的情況下，設置的最小車道寬度的TTLC值，確保一定安全系數的情況下，降低車道保持激活頻率，提高駕駛舒適性能。

4 實車性能測試

試驗根據某車型進行實車測試，測試路況為高架快速道路。同一路段往、回行程分別兩種LKAS模式。車輛行駛的測試過程中，駕駛員不對車輛進行橫向控制，只做防止車輛失效接管準備，車輛的橫向控制接近以LKAS控制，模擬駕駛員分神的駕駛狀態下進行數據采集，車輛的測試及信號采集如5所示。

LKAS觸發信息采集如圖6所示，弱輔助模式下LKAS閾值打開23次、激活工作累計時間211秒、占總時間48.3%，強輔助模式下LKAS閾值打開6次、激活工作累計時間381秒、占總時間91.5%。LKAS閥值相應的輔助臨線如圖7所示。

經過實車試驗及信號采集數據進行分析，通過調整LKAS的臨線為激活閥值，可以達到車輛控制靠近車道中間行駛或降低LKAS對駕駛員干擾效果。

5 結語

通過數據模型分析，并經某車型實測測試數據體現，基于LKAS閾值合理的設計及推薦輔助模式，能提高車輛的駕駛性能，此總結分析的優化方法，能為后續分析提供實例基礎。

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