LKAS功能標定車輛狀態(tài)排查與問題分析

湯傳軍

LKAS功能標定車輛狀態(tài)排查與問題分析

湯傳軍

（尼得科（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215129）

轉向系統(tǒng)的車道保持輔助系統(tǒng)（LKAS）功能作為高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）功能的基礎功能模塊，對車輛的高級自動駕駛功能的實現有重要的意義。LKAS功能是實現車輛橫向功能的基本功能需求，良好的車輛轉向性能是保證良好的LKAS功能的基礎，因此，在對車輛的LKAS功能進行標定前，有必要對車輛狀態(tài)進行排查驗收，對存在的不良現象進行問題分析，提供優(yōu)化方案，確保車輛的基本性能可以滿足LKAS功能標定的需求，進而滿足ADAS功能要求的需求。

車道保持輔助系統(tǒng)功能；標定；狀態(tài)排查；問題分析

高級輔助駕駛系統(tǒng)（Advanced Driving Assis- tance System, ADAS）主要通過安裝在汽車上的距離傳感器、圖像感知傳感器等設備來監(jiān)測感知車輛周圍的環(huán)境并收集數據。ADAS系統(tǒng)可以對靜、動態(tài)物體進行識別、偵測與追蹤，通過內部運算與分析，能有效增加汽車駕駛的舒適性與安全性，降低交通事故發(fā)生的可能性[1]。電動助力轉向系統(tǒng)（Electric Power Steering System, EPS）作為車輛橫向控制的主流產品，是橫向控制功能實現的關鍵系統(tǒng)。EPS可以實現和ADAS相關的車道保持功能（Lane Keeping Assist System, LKAS）、車道偏離預警功能（Lane Departure Warning System, LDWS）、自動泊車功能（Auto Parking Assist, APA）以及自適應巡航功能（Adaptive Cruise Control, ACC）等。LKAS功能是保證實現車輛橫向功能的基本功能需求，良好的車輛轉向性能是保證良好的LKAS功能的基礎，因此，在對車輛的LKAS功能進行標定前，有必要對車輛狀態(tài)進行排查驗收，對存在的不良現象進行問題分析，提供優(yōu)化方案，確保車輛的基本性能可以滿足LKAS功能標定的需求，進而滿足ADAS功能要求。

1 LKAS功能概述

LKAS功能主要通過環(huán)境感知傳感器識別本車相對于車道中央的位置，如果駕駛員無意間偏離車道，則應向駕駛員發(fā)出警告或通過自動轉向干預使車輛重新回到車道內[2]。LKAS一般包括三項子功能：車道偏離預警、車道偏離預防（Lane Departure Prevention System, LDPS）和車道居中控制（Lane Centering Control, LCC）[3]。

LKAS功能的硬件架構主要有傳感器、控制器和執(zhí)行器。LKAS主要是依靠前視多功能攝像頭進行車道線感知，除了視覺感知以外，LKAS還需要通過ECS獲得車速信號，通過EPS獲得方向盤轉角、轉矩信號。LKAS功能一般依靠視覺感知實現，LKAS控制器通常集中在前視多功能攝像頭內，LKAS控制系統(tǒng)可以分為感知層、決策控制層和執(zhí)行層三個部分，LKAS控制系統(tǒng)架構見圖1。

圖1 LKAS控制系統(tǒng)架構圖

感知層主要用于采集車道信息及車輛信息；決策控制層基于LKAS輔助力矩及真實駕駛員轉向力矩生成虛擬駕駛員請求轉向力矩；執(zhí)行層主要為EPS系統(tǒng)，并采用虛擬駕駛員轉向力矩替代了扭矩傳感器檢測到的駕駛員轉向力矩。LKAS最主要的執(zhí)行器是EPS轉向器，通過EPS可實現車輛的橫向運動控制及駕駛員手部的方向盤抖動預警。

2 LKAS標定車輛狀態(tài)排查

2.1 LKAS標定車輛狀態(tài)排查的目的

配備ADAS功能車輛的轉向系統(tǒng)性能標定一般可以分為兩部分：一是基礎轉向性能的標定，另一個是高級功能LKAS功能的標定。LKAS功能標定通常是在基礎性能標定驗收合格后，在基礎軟件上，通過標定LKAS上層的控制參數來實現符合功能要求的LKAS性能。

在實際標定過程中通常會存在由于車輛狀態(tài)不合格或者基礎轉向性能變化導致車輛性能不能滿足LKAS標定要求，因此有必要在對車輛LKAS性能標定前，對車輛基本狀態(tài)進行驗收、排查，為LKAS標定工作提前識別可能影響LKAS功能實現的潛在風險，排除故障，方便后期標定工作順利進行。

2.2 LKAS標定車輛狀態(tài)排查的流程

首先要對車輛的基本狀態(tài)進行排查，包括車輛四輪定位參數、輪胎狀態(tài)以及其他影響車輛安全行駛狀態(tài)等。

（1）將車輛開到四輪定位儀上，檢查車輛四輪定位參數是否符合要求，若不符合要求需重新做四輪定位，使其符合要求；

（2）檢查車輛輪胎花紋、胎壓等輪胎狀態(tài)是否符合要求，若不符合要求需要更換新的輪胎或者給輪胎充氣，使其符合要求；

（3）其他影響車輛安全行駛狀態(tài)的檢查，若存在影響安全性能的故障問題，必須排除故障，直到滿足安全行駛狀態(tài)，才可以進行標定工作。

與轉向能力相關的LKAS調校車輛的關鍵狀態(tài)排查：

（1）車輛直行能力排查。使車輛行駛在平直的瀝青道路上，排查不同車速條件下車輛的直行能力，車輛直行能力應滿足主機廠關于跑偏量的限制；

（2）車輛轉向力水平排查：主要包括轉向力水平和轉向力左右一致性排查。車輛行駛在平直的瀝青道路上，排查不同車速下的轉向力大小和轉向力左右一致性；

（3）LKAS功能打開，初始EPS軟件維持車輛在車道中心線行駛的能力排查；

（4）LKAS功能打開，初始EPS軟件在不同車速條件下控制車輛通過彎道的能力。

2.3 LKAS功能狀態(tài)排查結果

LKAS功能狀態(tài)排查存在問題如下：

（1）車輪升起時，緩慢操作方向盤，通過中點時存在力矩突變，手力突然變重；

（2）車輛左右力矩不對稱；

（3）車輛直行時，車輛很難維持在車道中心線行駛；

（4）連續(xù)過彎時，方向盤存在連續(xù)擺動，且有時很難通過彎道。

3 LKAS標定車輛存在問題分析

問題1主要是由于0車速時增加了BWS控制引起的；問題2主要是由扭桿的力矩偏移和車輛狀態(tài)不良造成的；問題3和問題4主要是由車輛左右力矩不對稱引起的。

3.1 過中點時力矩突變問題分析

使車輛前輪懸空，斷開轉向器外拉桿與轉向節(jié)連接處的球頭連接，全行程打轉向時，能容易感覺到回程輕，過中點的去程時能感覺到力矩變重，通過方向盤中點時存在力矩突變的現象，優(yōu)化前轉向力水平時序圖和角力圖如圖2、圖3所示。

圖2 優(yōu)化前轉向力水平時序圖

圖3 優(yōu)化前轉向力水平角力圖

分別對轉向系統(tǒng)進行如下測試：

（1）IG ON, Engine off 工況下，不帶EPS助力測試，由于摩擦力矩太大的影響，沒有顯示出力矩突變現象；

（2）IG ON, Engine on工況下，分別關閉ACR, BWS, DMP, FRIC, SAT功能，對系統(tǒng)的轉向力水平進行評價和測試，最后發(fā)現關閉BWS時，方向盤通過中點力矩突變的現象消失。通過進一步查看軟件參數，發(fā)現0車速下設置了BWS；關閉0車速下的BWS輸出，在前輪懸空離地，斷開轉向外拉桿時的力矩突變現象消失，優(yōu)化后的轉向力水平時序圖和角力圖如圖4、圖5所示。

圖4 優(yōu)化后轉向力水平時序圖

圖5 優(yōu)化后轉向力水平角力圖

3.2 車輛左右力矩不對稱

標定車輛在原地轉向工況下方向盤手力基本對稱，隨車速的增加，左右轉向力矩差逐漸變大。

挑選一套性能參數良好，精度控制較好的轉向器和轉向管柱總成，對車輛轉向系統(tǒng)進行零部件交叉排查。

左右力矩不對稱問題排查程序及結果：

（1）檢查車輛四輪地位參數，確定其在車輛設計標準范圍內；

（2）更換轉向系統(tǒng)總成，檢查確認左右力矩不對稱問題是否有改善，確認結果有明顯的改善；

（3）單獨更換轉向器總成，檢查確認左右力矩不對稱問題是否有改善，確認結果沒有明顯改善；

（4）單獨更換為性能參數較好的轉向管柱總成，檢查確認左右力矩不對稱問題是否有改善，確認結果有明顯改善。

通過對轉向系統(tǒng)進行性能排查，初步斷定為轉向管柱對轉向力矩性能的影響。

對更換管柱前后的標定車輛進行原地狀態(tài)下中間位置的方向盤力矩偏移量測量，力矩偏移量測量測試結果如表1、表2所示。

表1 更換管柱前力矩偏移量測試結果

表2 更換管柱后力矩偏移量測試結果

通過多次試驗測試，發(fā)現：更換管柱前，方向盤在中間位置的力矩偏移量為[0.05, 0.13] Nm，更換管柱后，方向盤在中間位置的力矩偏移量為[0.06, 0.08] Nm。轉向力矩左右不一致問題可以基本確定為轉向管柱的扭矩傳感器標定偏移問題。

通過提高對轉向系統(tǒng)供應商的扭矩傳感器標定范圍，將扭矩傳感器下線監(jiān)測的限定范圍控制在0.1 Nm以下，改善該問題。

3.3 LKAS車道保持功能性問題

LKAS功能狀態(tài)排查時存在的問題3和問題4，車輛直行時，車輛很難維持在車道中心線行駛和連續(xù)過彎時，方向盤存在連續(xù)擺動，且有時很難通過彎道，這兩個問題主要是攝像頭端LKAS控制算法的問題。

車輛直行的接受標準是車輛中心（黑點）在±0.2 m以內，目前存在的問題是，車輛中心與車道中心線的頻移距離大于0.2 m，例如偏離車道中心線0.3 m，直行狀態(tài)下，在車道線內不停的修訂方向盤。車輛直行不居中問題示意圖如圖6所示。

圖6 車輛直行不居中問題示意圖

車輛通過連續(xù)彎道時，當車輛與預瞄位置存在偏差，因系統(tǒng)響應延遲及方向盤轉速過快，功能糾偏響應時產生超調，導致方向盤震蕩，且無收斂趨勢。車輛通過連續(xù)彎道時出現方向盤振蕩如圖7所示。

圖7 車輛通過連續(xù)彎道時方向盤振蕩

針對直線行駛時的車道居中性問題，可通過加大對應轉角偏差的反饋力矩控制，但此改變會加重彎道方向盤振蕩問題；針對通過連續(xù)彎道時方向盤振蕩的問題，可通過減小對應轉角偏差下的反饋力矩，降低超調量，但此修改會導致直線不居中性明顯。以上兩種問題優(yōu)化存在矛盾的問題，需要在實際調校優(yōu)化工程中，多次調校迭代，選擇最優(yōu)的參數，并嘗試增加新的控制功能，來實現良好的LKAS車道保持功能。

4 LKAS車輛標定優(yōu)化對策

在對LKAS 功能進行標定前，首先需要對車輛的轉向性能進行開環(huán)調校，確定不同速度段下轉向扭矩相對于車速的增益系數。60 km/h時，不同力矩增益系數的表現如表3所示。根據不同力矩增益系數下的車輛表現，最終確定60 km/h時的力矩增益系數0.88。

表3 不同力矩增益系數的表現（60 km/h）

綜合考慮車輛性能表現和功能安全法規(guī)的要求，基于60 km/h時的基礎力矩Gain值，確定 20 km/h，40 km/h，80 km/h，100 km/h，120 km/h，140 km/h車速下的基礎Gain值，如表4所示。

表4 不同車速下的力矩增益值

4.1 直行居中性能優(yōu)化

車輛居中新能的優(yōu)化可以通過以下對策進行優(yōu)化：

（1）對車輛四輪參數進行控制，保證車輛的直行能力；

（2）對轉向系統(tǒng)的機械摩擦進行摩擦補償，減小轉向系統(tǒng)的死區(qū)響應時間，提高轉向系統(tǒng)對小扭矩的響應性；

（3）增加LCK（Lane Center Keeping）功能，通過增加居中請求扭矩，優(yōu)化車輛的居中能力。

4.2 連續(xù)彎道方向盤超調振蕩優(yōu)化

LKAS控制器的控制邏輯框圖如圖8所示。

圖8 車輛通過連續(xù)彎道時方向盤振蕩

通過解析LKAS控制器的控制邏輯和對問題數據的分析，發(fā)現LKAS請求扭矩的周期振蕩是引起方向盤振蕩的主要原因，針對LKAS控制邏輯存在的問題，有如下優(yōu)化方案：

（1）優(yōu)化方向盤轉角差預估邏輯，減小請求扭矩的振蕩；

（2）提高LKAS阻尼控制對請求扭矩振蕩的抑制作用；

（3）減小通過彎道時LKAS控制的前饋力矩，同時增加糾偏力矩，保證過彎能力。

車輛通過連續(xù)彎道時方向盤振蕩優(yōu)化效果如圖9所示。

5 結論

本文首先介紹了LKAS功能的基本概念以及LKAS功能車輛標定前車輛狀態(tài)排查的目的和排查流程，重點對用于LKAS功能標定的車輛狀態(tài)進行排查的方法和問題分析思路進行了詳細論述，并針對排查發(fā)現的問題給出了相應的優(yōu)化方案。本文中提到的排查流程和針對問題提出的優(yōu)化方案對LKAS功能調校準備有一定的指導意義。有利于快速鎖定問題現象，縮短LKAS調校周期。

圖9 車輛通過連續(xù)彎道時方向盤振蕩優(yōu)化效果

[1] 胡成豐.車載毫米波雷達總體方案及信號處理關鍵技術研究[D].西安:西安電子科技大學,2020.

[2] 馬駿昭.側向駕駛輔助系統(tǒng)發(fā)展現狀及技術趨勢[J].汽車實用技術,2020,45(14):20-23.

[3] 李進,劉洋洋,胡金芳.人機協同下輔助駕駛系統(tǒng)的車道保持控制[J].機械工程學報,2018,54(2):169-175.

Vehicle Status Check and Analysis for LKAS Function Calibration

TANG Chuanjun

( Nidec Suzhou Company Limited, Suzhou 215129, China )

Lane keeping assist system (LKAS) function is the basic function module of advanced driving assistance system(ADAS) function, it places a significance role for the realization of the advanced automatic driving function of the vehicle. The LKAS function is the basic functional requirement for realizing the lateral control of the vehicle control. Good steering performance of the vehicle is the basis for ensuring a good LKAS function. Therefore, before calibrating the LKAS function of the vehicle, it is necessary to check and validate the vehicle status. Analyze the problem issues and provide optimization solutions to ensure that the basic performance of the vehicle can meet the needs of LKAS calibration, and then meet the needs of ADAS function requirements.

Lane keeping assist system function; Calibration; Status check; Problem analysis

U471.15

A

1671-7988(2023)03-54-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.010

湯傳軍（1988—），男，碩士，工程師，研究方向為車輛動力學控制及應用、電動助力轉向系統(tǒng)設計開發(fā)、ADAS功能的設計與開發(fā)以及車載電機的控制與應用，E-mail:tangchuanjun.good@163.com。