孟醒，甘海云，嚴(yán)英

基于虛擬場景的車道保持輔助系統(tǒng)仿真測試*

孟醒，甘海云*，嚴(yán)英

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222）

輔助駕駛技術(shù)已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注。文章為了對(duì)輔助駕駛技術(shù)的功能進(jìn)行驗(yàn)證，以車道保持輔助系統(tǒng)為例，利用IPG CarMaker仿真軟件，構(gòu)建車輛模型，添加傳感器檢測車道線及車輛周圍的環(huán)境，搭建了虛擬的道路測試場景，通過IPGMoive觀察仿真動(dòng)畫，IPGControl觀察仿真結(jié)果并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析，完成了一次完整的仿真測試，最終驗(yàn)證了車道保持系統(tǒng)的功能，證明了仿真試驗(yàn)相對(duì)于實(shí)車測試極大地降低了發(fā)生危險(xiǎn)的可能性，并且可以提升測試的效率，縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，降低測試成本。

輔助駕駛；虛擬場景；車道保持；仿真測試

前言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，輔助駕駛及自動(dòng)駕駛技術(shù)已成為發(fā)展趨勢，輔助駕駛技術(shù)不僅能減少由于駕駛員人為因素導(dǎo)致的交通事故，也能降低交通擁堵程度。該項(xiàng)技術(shù)核心問題是功能可靠性[1-2]。如表1所示，自2016年起至2018年，全球已發(fā)生了近10起由于自動(dòng)駕駛導(dǎo)致的交通事故，所以對(duì)輔助駕駛系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證是必要的。目前，常用的駕駛輔助系統(tǒng)包括自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（ACC）、前碰撞預(yù)警系統(tǒng)（FCWS）、自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)（AEB）、車道偏離預(yù)警系統(tǒng)（LDWS）、車道保持輔助系統(tǒng)（LKAS）等等。本文選取LKAS車道保持輔助系統(tǒng)進(jìn)行以功能驗(yàn)證為目的的仿真測試[3]。

表1 2016-2018年全球自動(dòng)駕駛交通事故

1 車道保持輔助系統(tǒng)及控制策略

1.1 車道保持輔助系統(tǒng)

車道保持輔助系統(tǒng)是一種高級(jí)主動(dòng)安全系統(tǒng)，在輔助駕駛領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用。目前，在多數(shù)中高檔汽車已配備車道保持輔助系統(tǒng)，車道保持輔助系統(tǒng)同時(shí)也逐漸在低端車輛上裝配。在與車道線有關(guān)的輔助駕駛系統(tǒng)里，包括車道偏離預(yù)警系統(tǒng)和車道保持輔助系統(tǒng)。

車道偏離預(yù)警系統(tǒng)通過安裝在車輛上的攝像頭采集當(dāng)前車道內(nèi)的車道線，經(jīng)過圖像處理后，將圖像信息轉(zhuǎn)化成車輛在當(dāng)前車道的位置信息，提前預(yù)測車輛是否將要偏離原來的車道。當(dāng)系統(tǒng)判定車輛將偏離車道線以外時(shí)，車道偏離預(yù)警系統(tǒng)及時(shí)向駕駛員發(fā)出警報(bào)信號(hào)，提醒駕駛員控制車輛行駛方向，保證行駛安全性[4]。

車道保持輔助系統(tǒng)是車輛偏離預(yù)警系統(tǒng)的進(jìn)一步功能擴(kuò)展，在車道偏離預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了對(duì)剎車、轉(zhuǎn)向和動(dòng)力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。如果駕駛員開啟了轉(zhuǎn)向燈，則車道保持輔助系統(tǒng)會(huì)判定出駕駛員將要變更車道，此時(shí)，車道保持輔助系統(tǒng)暫時(shí)關(guān)閉。在無轉(zhuǎn)向指示燈的情況下，當(dāng)汽車即將駛離當(dāng)前車道時(shí)，且駕駛員還未對(duì)即將偏離車道的車輛進(jìn)行回歸控制，則系統(tǒng)會(huì)在快要駛離車道之前通過適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向干預(yù)校正車輛的位置，主動(dòng)控制器將自行控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使車輛回歸原車道[5]。此外，駕駛員也可以隨時(shí)操控系統(tǒng)，如在緊急情況下可以有意駛離行車道，避免發(fā)生交通事故。

1.2 控制策略

車道保持輔助系統(tǒng)的特性可以通過與橫向偏移相關(guān)的輔助力矩來描述。圖1是車道保持輔助系統(tǒng)的控制策略圖，車道保持輔助系統(tǒng)的輔助力矩的計(jì)算是以系統(tǒng)識(shí)別車道的信息和一些車輛自身行駛動(dòng)態(tài)參數(shù)（如車速）為基礎(chǔ)的[6]?？刂破魍ㄟ^定位的輸入?yún)?shù)和偏移量計(jì)算所需的轉(zhuǎn)向阻力矩，用來校正實(shí)際行駛軌跡與理想行駛軌跡的偏差。為了使駕駛員能夠隨時(shí)接管對(duì)車輛的控制，也應(yīng)當(dāng)測量駕駛員的轉(zhuǎn)向阻力矩，如果駕駛員的轉(zhuǎn)向阻力矩超出限值，則應(yīng)降低對(duì)車道保持輔助力矩的影響，車輛的特性要同帶傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向助力裝置的車輛相同[7]。

圖1 車道保持輔助系統(tǒng)控制策略圖

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 仿真工具

CarMaker是一種乘用車車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件，主要用于車輛部件開發(fā)、控制器開發(fā)和整車開發(fā)。在汽車V流程開發(fā)過程中，必要經(jīng)過對(duì)模型、軟件、控制器、車輛的仿真測試，CarMaker在V流程開發(fā)過程中具有廣泛的應(yīng)用范圍。CarMaker主要由兩部分組成，一部分是CarMaker界面工具欄CIT。主要包括圖形用戶界面GUI（Graphical User Interface），提供了CarMaker所有的功能界面；虛擬儀表，顯示踏板和車輛狀態(tài)等信息；IPGContral，是一種可視化工具，可以觀察所選擇的輸出變量，如速度、加速度等；IPGMoive，在仿真時(shí)實(shí)時(shí)地顯示3D動(dòng)畫。另一部分是虛擬車輛環(huán)境VVE（Virtual Vehicle Environment），是整個(gè)仿真的核心，主要包括CarMaker的可執(zhí)行文件、控制軟件，如CarMaker for Simulink和一些外部模型。

2.2 場景搭建

本文搭建了一種直線道路的測試場景，天氣晴朗，風(fēng)速不大于10m/s，路面干燥平整，峰值制動(dòng)力系數(shù)大于0.9，一系列的道路參數(shù)，包括道路長度、寬度、道路邊界線寬度，如表2所示。車輛在道路中心行駛，車輛中心偏移道路中心線的距離不超過1.5m。

表2 場景參數(shù)

2.3 車輛模型

本文構(gòu)建的車輛模型參數(shù)如表3所示，車輛類型為三廂五座乘用車，汽車的整備質(zhì)量為1194kg，車輛的長、寬、高分別為4.186m、1.741m、1.445m，軸距為2.590m，前輪距1.522m，后輪距1.510m，發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率為81kw，最大扭矩為152Nm。

表3 車輛基本參數(shù)

2.4 傳感器模型

車道保持輔助系統(tǒng)是基于車道標(biāo)志線識(shí)別來確定車道的。系統(tǒng)對(duì)于車道識(shí)別的預(yù)測較高，除了要識(shí)別沿某個(gè)確定方向上的車道標(biāo)識(shí)線以外，還要求能識(shí)別車輛相對(duì)車道中央的偏離程度、車輛在車道中的方位以及前方行駛路段的幾何形狀信息，此外，還必須識(shí)別左右兩側(cè)車道的邊界，否則無法根據(jù)車道中央進(jìn)行調(diào)節(jié)。本文添加了一種CMOS傳感器作為攝像單元，集成了圖像處理組件與調(diào)節(jié)器組件，其中圖像處理組件對(duì)視覺信息進(jìn)行準(zhǔn)備、分析和解讀。

2.5 控制方法

由于車道保持輔助系統(tǒng)的作用，當(dāng)最小車速為55km/h時(shí)，最大助力轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩是2Nm，圖2是模型車輛的轉(zhuǎn)向輔助力矩的計(jì)算方法。車道保持輔助系統(tǒng)的控制算法為PID控制，車輪的偏向角和偏距作為控制器的輸入，控制器輸出的信號(hào)與預(yù)設(shè)的路徑曲率信號(hào)合并為目標(biāo)曲率信號(hào)，通過Simulink中的常數(shù)模塊使信號(hào)變?yōu)橐粋€(gè)常量，再利用飽和度模塊對(duì)輸出常量進(jìn)行限值，最后的輸出結(jié)果即為轉(zhuǎn)向輔助力矩。

圖2 LKAS轉(zhuǎn)向輔助力矩計(jì)算方法

2.6 仿真結(jié)果分析

圖3為試驗(yàn)車輛sRoad的圖像。sRoad即交通對(duì)象沿道路中心的縱向位置。從圖中可以看出試驗(yàn)車輛行駛的時(shí)間為19s，隨著時(shí)間的增加，車輛的縱向位移為335m。

圖3 試驗(yàn)車輛sRoad

圖4 試驗(yàn)車輛tRoad

圖4為試驗(yàn)車輛tRoad的圖像。tRoad即交通對(duì)象基于道路中心線的橫向位置。從圖中可以看出車輛初始位置在道路中心，第4s時(shí)車輛開始向左偏移，第6s時(shí)，車輛最大偏移量為1.4m，此后向右偏移，到達(dá)第11s時(shí)，偏移道路中心右側(cè)最遠(yuǎn)距離為1.4m，之后回到道路中心位置。

圖5是試驗(yàn)車輛的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩。第4s時(shí)，車輛開始向左偏移，轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩立即從0變?yōu)樽畲笾担骄鶠?.7Nm，之后逐漸減小，到第6s時(shí)，車輛向左的偏移量最大，開始向右偏移，轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩開始為負(fù)，并逐漸增大，第11s時(shí)，平均最大為0.7Nm，隨后減小到0，12s至16s期間出現(xiàn)了小波動(dòng)。16s后，車輛回到道路中心，不發(fā)生偏移，轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定為0。

圖5 試驗(yàn)車輛轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩

圖6至圖8分別是車輛向左偏移、向右偏移和回到道路中心的3D仿真圖。圖中黃色區(qū)域?yàn)閭鞲衅骺梢愿兄降姆秶?，紅色和綠色的直線是傳感器可以檢測到的邊界車道線。

圖6 試驗(yàn)車輛向左偏移

圖7 試驗(yàn)車輛向右偏移

圖8 試驗(yàn)車輛回到道路中心

3 結(jié)論

本文利用CarMaker軟件，完成了一次基于的虛擬場景的車道保持輔助系統(tǒng)功能測試，通過分析仿真結(jié)果，驗(yàn)證了車道保持輔助系統(tǒng)的功能，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)車輛偏離了檢測到的車道線時(shí)，可以在有限的范圍內(nèi)使車輛回歸到原車道。驗(yàn)證了功能的可靠性。通過這樣的仿真試驗(yàn)，可以提升ADAS仿真的效率和精度，節(jié)約測試成本，縮減測試周期，為車輛開發(fā)也帶來了極大的便利。

[1] 賀勇,王春香,董永坤.基于PRESCAN的汽車自動(dòng)駕駛仿真[J].電腦知識(shí)與技術(shù), 2012, 8 (33): 8047-8049.

[2] 黃楊成.基于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車道偏離輔助系統(tǒng)的研究[D].安徽:合肥工業(yè)大學(xué),2017.

[3] 陸鵬.車道保持系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)研究[D].內(nèi)蒙古自治區(qū):內(nèi)蒙古大學(xué),2017.

[4] 唐叩祝.車道偏離預(yù)警與保持控制系統(tǒng)仿真及試驗(yàn)研究[D].安徽:合肥工業(yè)大學(xué),2018.

[5] 金寧.基于EPS系統(tǒng)的人-車-路閉環(huán)車道保持輔助系統(tǒng)的研究[D].湖南:湖南大學(xué),2017.

[6] Benine-Neto,A, Scalzi,S and Mammar,S et al. Dynamic Controller for Lane Keeping and Obstacle Avoidance Assistance System [C].Intelligent Transportation System, 2010 13th International IEEE Conference.

[7] 王沛然,常連玉.基于改進(jìn)駕駛員模型的車道保持控制模型[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),2018,28(7):13-18.

Simulation test of lane keeping assist system based on virtual scene*

Meng Xing, Gan Haiyun*, Yan Ying

( Tianjin Vocational and Technical normal University, Tianjin 300222 )

Assisted driving technology has received increasing attention. In order to verify the function of the assisted driving technology, taking the lane keeping assist system as an example, the IPG CarMaker simulation software is used to construct the vehicle model, add sensors to detect the lane line and the environment around the vehicle, and construct a virtual road test scene. Observing the simulation animation through IPGMoive, IPGControl observes the simulation results and analyzes the results to complete a simulation test. Finally, it verified the function of the lane keeping system. It proves that the simulation test greatly reduces the possibility of danger compared to the actual vehicle test, and can improve the efficiency of the test, shorten the system development cycle, and reduce the test cost.

Assisted driving; Virtual scene; Lane keeping; Simulation test

V323.19

B

1671-7988(2019)24-34-04

V323.19

B

1671-7988(2019)24-34-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.011

孟醒，在讀碩士研究生，就讀于天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)智能車路協(xié)同和安全技術(shù)國家地方聯(lián)合工程中心。

甘海云，博士，教授，就職于天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，研究方向：智能汽車控制系統(tǒng)開發(fā)和測試。

基于封閉園區(qū)及開放道路的L4級(jí)智能網(wǎng)聯(lián)汽車研發(fā)及示范運(yùn)行，項(xiàng)目編號(hào)18ZXZNGX00230。