張海林，羅禹貢，江青云，李克強

(清華大學，汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京 100084)

前言

據(jù)統(tǒng)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(tǒng)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(zhuǎn)向(electric power steering，EPS)系統(tǒng)具有節(jié)能和結(jié)構(gòu)簡單等一系列優(yōu)點，基于EPS的車道保持系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)EPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)共用，降低車道保持系統(tǒng)設計成本。

在基于EPS的車道保持系統(tǒng)中，EPS既是常規(guī)助力轉(zhuǎn)向部件，又是車道保持執(zhí)行部件。二者之間的協(xié)調(diào)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(tǒng)，但均未涉及EPS作為常規(guī)助力轉(zhuǎn)向部件與車道保持執(zhí)行部件之間的協(xié)調(diào)問題。文獻［4］中為車道保持系統(tǒng)單獨設計了轉(zhuǎn)向機構(gòu)，該機構(gòu)無常規(guī)助力功能，不存在協(xié)調(diào)控制問題。

針對上述協(xié)調(diào)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(xié)調(diào)控制方法。該方法結(jié)合了跨道時間計算與駕駛員操作狀態(tài)判斷方法。在此基礎上，搭建了車道保持模型、魔術(shù)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(xié)調(diào)控制硬件在環(huán)實驗。仿真及硬件在環(huán)實驗結(jié)果表明，所設計的車道保持協(xié)調(diào)控制方法能夠通過判斷駕駛員行為和車輛狀態(tài)，決定EPS是實現(xiàn)常規(guī)助力轉(zhuǎn)向還是響應來自車道保持控制器的命令，實現(xiàn)二者協(xié)調(diào)控制，確保行車安全。

1 基于EPS的車道保持系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

駕駛員在車輛行駛過程中擁有最高的優(yōu)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(guī)助力模式下，還是響應來自車道保持控制器的命令，實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。

基于上述思想，本文中建立了基于EPS的車道保持系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。虛線框內(nèi)是車道保持控制系統(tǒng)。路面環(huán)境信息和駕駛員信息輸入給整車模型，經(jīng)過計算后得到車輛的狀態(tài)參數(shù)。結(jié)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(fā)生車道偏離的危險。如果有發(fā)生車道偏離的危險，通過側(cè)向駕駛員模型計算得到轉(zhuǎn)角命令，再通過PID得到PWM信號，由助力電機執(zhí)行，產(chǎn)生相應的前輪轉(zhuǎn)角，使車輛維持在車道線之間;如果沒有發(fā)生車道偏離的危險，EPS系統(tǒng)工作在常規(guī)助力模式下。

2 車道保持協(xié)調(diào)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(xié)調(diào)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(zhuǎn)向盤時，駕駛員具有最高的優(yōu)先級，此時EPS工作在常規(guī)助力模式下。當駕駛員未操作轉(zhuǎn)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(cè)向駕駛員模型計算得到目標轉(zhuǎn)角，目標轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向盤實際轉(zhuǎn)角的差通過PID控制器后得到PWM信號，由助力電機來執(zhí)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(tài)判斷在車道保持協(xié)調(diào)控制中具有重要地位。本文中通過轉(zhuǎn)矩信號來判斷駕駛員的操作狀態(tài)，具體判斷流程見圖3。

系統(tǒng)首先從轉(zhuǎn)矩傳感器獲得轉(zhuǎn)矩信號，當轉(zhuǎn)矩大于設定閾值時，認為駕駛員正在操作車輛。當轉(zhuǎn)矩小于設定閾值時，如果轉(zhuǎn)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(tǒng)仿真模型

在Matlab/Simulink環(huán)境下，搭建基于EPS的車道保持系統(tǒng)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(zhuǎn)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(guī)助力模式還是車道保持模式。若系統(tǒng)處于車道保持模式，側(cè)向駕駛員模型計算得到目標轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)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(cè)向、橫擺和4個車輪轉(zhuǎn)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(shù)列于表1。

表1 7自由度整車模型參數(shù)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(shù)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(cè)向力或回正力矩。

3.3 側(cè)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(yōu)的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角為

式中:δ為最優(yōu)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角;i為轉(zhuǎn)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(fā)生車道偏離，給定車道中心線及相關參數(shù)，通過上述側(cè)向駕駛員模型可以計算得到目標轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，根據(jù)目標轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的差值，通過PID控制器后得到PWM信號，由助力電機執(zhí)行，完成車道保持過程。

3.4 EPS 系統(tǒng)模型［8－9］

轉(zhuǎn)向管柱助力式EPS結(jié)構(gòu)如圖7所示，EPS系統(tǒng)模型參數(shù)均標注于圖7中，參數(shù)含義列于表2。

表2 EPS模型參數(shù)含義

轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學進行求解，得到相關參數(shù)，以便進一步求解。

4 車道保持硬件在環(huán)實驗平臺

在仿真基礎上，搭建硬件在環(huán)實驗平臺，如圖8所示。

硬件在環(huán)實驗平臺由Dspace系統(tǒng)、EPS實驗臺和電機驅(qū)動模塊組成。Dspace系統(tǒng)運行所搭建的基于EPS的車道保持系統(tǒng)模型。Dspace從EPS實驗臺采集轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角信號，從電機驅(qū)動電路采集電流信號，輸入給系統(tǒng)內(nèi)部正在運行的模型，經(jīng)過一系列運算后，輸出PWM信號，驅(qū)動電機動作，改變前輪轉(zhuǎn)角，控制車輛行駛軌跡。

5 仿真與實驗結(jié)果分析

EPS系統(tǒng)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(jié)果分析

仿真工況1:直線行駛工況，車速20km/h，地面附著系數(shù)0.9，車道寬3.5m，跨道時間閾值3.5s。駕駛員轉(zhuǎn)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(guī)助力，電機電壓在3～4.3s之間呈現(xiàn)常規(guī)助力狀態(tài);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(diào)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?？刂品椒ㄟ_到協(xié)調(diào)控制效果。

車輛質(zhì)心軌跡控制結(jié)果如圖10所示。當車輛有偏離車道的危險時，系統(tǒng)進行接管，將車輛質(zhì)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(shù)0.9，車道寬3.5m，跨道時間閾值3.5s。

駕駛員轉(zhuǎn)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(xiàn)常規(guī)助力狀態(tài);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(diào)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(xié)調(diào)控制效果。

車輛質(zhì)心軌跡控制結(jié)果如圖12所示。

當車輛發(fā)生偏離時，系統(tǒng)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(huán)實驗結(jié)果分析

硬件在環(huán)實驗過程中，駕駛員處于未操作狀態(tài)時，手完全脫離轉(zhuǎn)向盤;駕駛員處于操作狀態(tài)時，手扶在轉(zhuǎn)向盤上進行操作。

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

硬件在環(huán)仿真實驗中車輛質(zhì)心軌跡控制結(jié)果見圖13。由圖可見，當車輛發(fā)生車道偏離時，系統(tǒng)能夠?qū)④囕v調(diào)整到車道中心線附近，符合預期效果。

圖14示出硬件在環(huán)實驗過程中，車輛各參數(shù)的變化情況。由圖可見:從3.5～4.5s(虛線橢圓框部分)，轉(zhuǎn)矩超出了所設定的閾值，根據(jù)圖3判斷駕駛員處于操作狀態(tài);4.5s后，轉(zhuǎn)矩小于所設定的閾值，并持續(xù)一定時間，根據(jù)圖3判斷駕駛員處于未操作狀態(tài)。從3.5～4.5s，駕駛員存在操作，此時EPS工作在常規(guī)助力模式，表現(xiàn)為電機存在助力電流。之后，駕駛員無操作，系統(tǒng)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(zhuǎn)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(tǒng)無輔助功能。結(jié)果表明，所設計的控制方法達到了協(xié)調(diào)控制的效果。

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

在彎道行駛工況下，偏離車道情況發(fā)生時，系統(tǒng)能夠及時調(diào)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(huán)實驗過程中，車輛各參數(shù)的變化情況。由圖可見:從0.5～1.5s(虛線橢圓框部分)，轉(zhuǎn)矩超出了所設定的閾值，根據(jù)圖3判斷駕駛員處于操作狀態(tài);1.5s后，轉(zhuǎn)矩小于所設定的閾值，并持續(xù)一定時間，根據(jù)圖3判斷駕駛員處于未操作狀態(tài)。從0.5～1.5s，駕駛員有操作，此時EPS工作在常規(guī)助力模式，表現(xiàn)為電機存在助力電流。1.5s后，駕駛員無操作，系統(tǒng)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(zhuǎn)角，調(diào)整車輛軌跡;跨道時間大于設定閾值時，系統(tǒng)不提供輔助功能。驗證所設計的控制方法具有協(xié)調(diào)控制效果。

6 結(jié)論

針對基于電動助力轉(zhuǎn)向的車道保持系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)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(xié)調(diào)控制方法。在此基礎上，開發(fā)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(huán)實驗，得到如下結(jié)論。

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

(2)通過整合側(cè)向駕駛員模型、7自由度車輛模型、魔術(shù)輪胎模型和EPS系統(tǒng)模型建立了完整的基于EPS的車道保持系統(tǒng)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(tài)特性。

(3)仿真和硬件在環(huán)實驗結(jié)果表明，所設計的車道保持協(xié)調(diào)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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