董婷

基于改進(jìn)預(yù)瞄駕駛員模型的車道保持系統(tǒng)

董婷

（1.長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710018；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心汽車工程研究院，天津 300300）

為提高車輛行駛的主動(dòng)安全性，基于改進(jìn)的單點(diǎn)預(yù)瞄最優(yōu)曲率駕駛員模型，提出車道保持控制方法，并搭建Simulink控制模型，結(jié)合dSPACE ModelDesk/MotionDesk進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的模型能夠消除橫向偏差，更好地跟隨目標(biāo)路徑，使車輛保持在車道中心附近行駛。

駕駛員模型；車道保持；橫向控制；目標(biāo)路徑

前言

目前主動(dòng)安全技術(shù)成為全球的研究重點(diǎn)，其中車道保持輔助系統(tǒng)作為一項(xiàng)重要技術(shù)，對(duì)車輛實(shí)現(xiàn)橫向主動(dòng)干預(yù)，在車輛發(fā)生偏離時(shí)主動(dòng)控制車輛回正到車道內(nèi)，并保持在車道中心附近行駛，提高了車輛的行駛安全性。

常用的車道保持控制方法都是通過(guò)輸入車輛-道路的橫向位置偏差，利用各種反饋算法設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。Marino等設(shè)計(jì)嵌套PID控制器，通過(guò)輸入橫向位移誤差輸出橫擺角速率，從而實(shí)現(xiàn)車道跟蹤[1]；Bae通過(guò)輸入車道曲率和質(zhì)心側(cè)偏角控制前輪轉(zhuǎn)角變化率實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤[2]。

除此之外，單點(diǎn)預(yù)瞄駕駛員模型[3]應(yīng)用甚廣，較與其他算法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)算量小，因此本文基于改進(jìn)的單點(diǎn)預(yù)瞄駕駛員模型，將車輛當(dāng)前狀態(tài)以及預(yù)瞄位置處的橫向偏差作為控制器的輸入，得出理想的最優(yōu)側(cè)向加速度，根據(jù)側(cè)向加速度誤差得到目標(biāo)方向盤轉(zhuǎn)角，再對(duì)方向盤轉(zhuǎn)角誤差進(jìn)行PID控制，從而輸出控制力矩以保證車輛在車道中心附近行駛。

1 車道保持控制器設(shè)計(jì)

本文結(jié)合預(yù)瞄跟隨原理與PID控制方法進(jìn)行車輛的橫向運(yùn)動(dòng)控制研究，完成橫向控制器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)車道保持的目的，系統(tǒng)由橫向位置控制器和轉(zhuǎn)角控制器串聯(lián)而成，如圖1所示。

圖1 車道保持控制器

橫向位置控制器實(shí)現(xiàn)預(yù)瞄和跟隨兩個(gè)過(guò)程，以車輛偏航角、目標(biāo)行駛軌跡、車速等參數(shù)作為控制器輸入，輸出目標(biāo)方向盤轉(zhuǎn)角。其中預(yù)瞄距離是影響跟隨效果的主要因素，采用單點(diǎn)預(yù)瞄構(gòu)建基于改進(jìn)的最優(yōu)預(yù)瞄駕駛員模型的橫向位置控制器。轉(zhuǎn)角控制器通過(guò)對(duì)方向盤轉(zhuǎn)角誤差進(jìn)行PID控制，從而輸出車道跟隨力矩。

2 改進(jìn)最優(yōu)單點(diǎn)預(yù)瞄駕駛員模型

單點(diǎn)預(yù)瞄最優(yōu)曲率駕駛員模型從數(shù)學(xué)上將控制理論、車輛和駕駛員特性等參數(shù)融合在一起，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、跟隨精度較高，能很好地模擬駕駛員行為。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，我們認(rèn)為駕駛員對(duì)道路軌跡的跟蹤就是對(duì)目標(biāo)路徑橫向位移誤差的跟蹤，跟蹤目的是使車輛的行駛軌跡與目標(biāo)路徑的誤差最小，即遵循“最小誤差原則”，如圖2所示。

圖2 駕駛員模型

假設(shè)汽車當(dāng)前時(shí)刻在y方向做勻加速運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)預(yù)瞄時(shí)間T后，車輛的實(shí)際橫向位移為：

期望行駛的目標(biāo)路徑的側(cè)向位移為：fe=f(t+T)

根據(jù)“最小誤差原則”，在時(shí)間T之后車輛的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與期望軌跡一致，即：

聯(lián)立（1）、（2）式，得到最優(yōu)側(cè)向加速度：

其中，y為預(yù)瞄橫向誤差，y=()()，可通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到。

在圖2中，P點(diǎn)(X(),Y())為預(yù)瞄點(diǎn)坐標(biāo)，C點(diǎn)是車輛中心，坐標(biāo)為(X(),Y())，則：

方向盤轉(zhuǎn)角與車輛側(cè)向加速度的關(guān)系為：

其中，G為汽車的側(cè)向加速度對(duì)方向盤轉(zhuǎn)角的穩(wěn)態(tài)增益，與車速的關(guān)系是：

式中：L為軸距，I是轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比，K為穩(wěn)定性因數(shù)，一般取0.002～0.004s2/m2。

本文考慮駕駛員的反應(yīng)滯后因素，在傳統(tǒng)最優(yōu)預(yù)瞄加速度駕駛員模型的基礎(chǔ)上，考慮加速度反饋環(huán)節(jié)，對(duì)方向盤轉(zhuǎn)角進(jìn)行修正，從而得到改進(jìn)的預(yù)瞄駕駛員模型[4]，如圖3所示。

圖3 改進(jìn)的單點(diǎn)預(yù)瞄駕駛員模型

駕駛員的反應(yīng)滯后包括神經(jīng)反應(yīng)滯后（exp(-ts)）和動(dòng)作反應(yīng)滯后（1/(1+ts)）兩類，其中t表示神經(jīng)反應(yīng)滯后時(shí)間，一般取0.2～0.4s，動(dòng)作反應(yīng)滯后時(shí)間t取0.05～0.2s。

3 轉(zhuǎn)角控制器

橫向控制器的設(shè)計(jì)需要將方向盤轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為對(duì)車輛的輸入，才能控制車輛的行駛。即轉(zhuǎn)換為車道跟隨力矩，作為電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輸入信號(hào)。

本文的轉(zhuǎn)角控制器采用PID控制方法，通過(guò)對(duì)方向盤轉(zhuǎn)角誤差e進(jìn)行PID控制，輸出車道跟隨力矩為t，實(shí)現(xiàn)對(duì)方向盤轉(zhuǎn)角的跟蹤控制。

4 仿真與分析

基于Matlab/Simulink軟件搭建車道保持的控制器模型，并結(jié)合dSPACE ModelDesk/MotionDesk軟件設(shè)置道路場(chǎng)景進(jìn)行聯(lián)合仿真，模擬駕駛員無(wú)意識(shí)駕駛車輛偏離至左右側(cè)車道線的場(chǎng)景工況，觀察車輛是否可以回正至車道中心，以驗(yàn)證控制器模型的有效型。

4.1 控制器模型參數(shù)的獲取

方向盤轉(zhuǎn)角反饋系數(shù)K、K、K需要在仿真過(guò)程中根據(jù)控制效果進(jìn)行調(diào)整，由于系統(tǒng)具有一定的魯棒性，可以在較大范圍內(nèi)取值都能達(dá)到較好的控制效果。

4.2 車道保持效果驗(yàn)證

圖4 直線道路路徑跟蹤軌跡

圖5 直線道路跟蹤位置誤差

圖6 直線道路跟蹤航向角誤差

圖7 曲線道路路徑跟蹤軌跡

圖8 曲線道路跟蹤位置誤差

圖9 曲線道路跟蹤航向角誤差

本文選取試驗(yàn)車速為72km/h左右，試驗(yàn)道路分別選擇四車道白色實(shí)線直線道路與曲率半徑500m的四車道曲線道路，設(shè)置車輛模擬駕駛員脫離方向盤不干預(yù)車輛控制直至LKA控制偏離車輛回正至車道中心附近行駛一段時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果如圖4-圖9所示。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)Simulink與dSPACE ModelDesk/MotionDesk聯(lián)合仿真，證明改進(jìn)的單點(diǎn)預(yù)瞄駕駛員模型能夠較穩(wěn)定地控制汽車進(jìn)行軌跡跟蹤，實(shí)現(xiàn)車道保持的功能。

（2）采用側(cè)向加速度誤差反饋的方式，對(duì)駕駛員模型中側(cè)向加速度增益失配進(jìn)行了補(bǔ)償，有效地修正了方向盤轉(zhuǎn)角。根據(jù)車速變化不斷更新側(cè)向加速度穩(wěn)態(tài)增益值實(shí)現(xiàn)了駕駛員模型橫向位置的控制。

（3）本文中只驗(yàn)證了直線及曲線道路下改進(jìn)駕駛員模型的有效性，后續(xù)應(yīng)該分析該控制方法對(duì)不同車速以及不同道路曲率的魯棒性。

[1] R Marino,S Scalzi,G Orlando,M Netto.A Nested PID Steering Control for Lane Keeping in Vision Based Autonomous Vehilcles [C].Proceedings of the American Control Conference,2009: 2885- 2890.

[2] Il Bae,Jin Hyo Kim,Shiho Kim. Steering Rate Controller based on Curvature of Trajectory for Autonomous Driving Vehicles[C]. Intelli -gent Vehicles Symposium (IV), IEEE, 2013: 1381-1386.

[3] 郭孔輝.駕駛員—汽車閉環(huán)系統(tǒng)操縱運(yùn)動(dòng)的預(yù)瞄最優(yōu)曲率模型[J].

[4] 丁海濤,郭孔輝,李飛等.基于加速度反饋的任意道路和車速跟隨控制駕駛員模型[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2010,46（10）:116-120.

Lane Keeping System Based on Improved Preview Driver Model

Dong Ting

( 1.Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710018; 2.CATARC Automotive Engineering Research Institute Co., Ltd., Tianjin 300300 )

In order to fundamentally improve the active safety of vehicle driving, based on the improved single-point preview optimal curvature driver model, the lane keeping control method is proposed, and the Simulink control model is built for simulation experiments with dSPACE ModelDesk/MotionDesk. The simulation results show that the improved model can eliminate the lateral deviation and better follow the target path, so that the vehicle can keep driving near the center of the lane.

Driver model; Lane keeping; Lateral control; Target path

U471.3

A

1671-7988(2019)24-143-03

U471.3

A

1671-7988(2019)24-143-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.046

董婷，女，碩士研究生，就讀于長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院車輛工程專業(yè)，主要研究方向?yàn)橹悄茌o助駕駛技術(shù)。