汪選要,王其東,高振剛,王家恩

(1.合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，合肥 230009； 2.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，淮南 232001)

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基于人機(jī)共駕的車道偏離防避控制*

汪選要1，2,王其東1，2,高振剛1,王家恩1

(1.合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，合肥 230009； 2.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，淮南 232001)

提出了兩層駕駛員轉(zhuǎn)向預(yù)測(cè)模型，基于駕駛員視覺(jué)預(yù)瞄信息的第一層體現(xiàn)了路徑跟蹤特性，基于神經(jīng)肌肉動(dòng)力學(xué)模型的第二層體現(xiàn)了駕駛員轉(zhuǎn)向操作特征，采用CarSim/Simulink對(duì)比了不同狀態(tài)駕駛員的路徑跟蹤性能。設(shè)計(jì)了車道偏離防避系統(tǒng)(LDAS)的期望橫擺角速度觀測(cè)器和轉(zhuǎn)角PID控制器。建立了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等效動(dòng)力學(xué)模型，并基于滑模理論設(shè)計(jì)了LDAS的魯棒轉(zhuǎn)矩控制器。由于車輛偏離車道程度與預(yù)瞄點(diǎn)的側(cè)向偏移量和駕駛員力矩的關(guān)系不能精確描述，故基于模糊控制理論設(shè)計(jì)了LDAS人機(jī)共駕模糊控測(cè)器。進(jìn)行了基于CarSim/Simulink的仿真和基于CarSim/LabVIEW RT的硬件在環(huán)試驗(yàn)，對(duì)比了駕駛員、LDAS控制器和人機(jī)共駕糾正車輛偏航的能力。結(jié)果表明，所提出的人機(jī)共駕策略能及時(shí)糾正車輛偏航，使之恢復(fù)到正常車道，并保證從人機(jī)共駕到駕駛員控制切換過(guò)程的平順性。

車道偏離；駕駛員模型；人機(jī)共駕；共控系數(shù)

前言

在無(wú)人駕駛技術(shù)無(wú)法保證絕對(duì)可靠的前提下，輔助駕駛技術(shù)是智能車發(fā)展的重要組成部分，根據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，約有50%的交通事故是因?yàn)檐囕v偏離正常的行駛車道引起的，究其原因主要是駕駛員心神煩亂、注意力不集中或疲勞駕駛，因此希望通過(guò)研究輔助駕駛技術(shù)來(lái)提高駕駛安全性，特別是通過(guò)主動(dòng)安全技術(shù)阻止交通事故的發(fā)生。

車道偏離預(yù)警系統(tǒng)(lane departure warning system, LDWS)在駕駛員無(wú)意識(shí)(駕駛員未打轉(zhuǎn)向燈)偏離原車道時(shí)發(fā)出警報(bào)，或轉(zhuǎn)向盤開(kāi)始震動(dòng)以提醒駕駛員目前車輛偏航的狀況，為駕駛員提供更多的反應(yīng)時(shí)間，從而大大減少了因車輛偏離車道引發(fā)的碰撞事故。而基于跨道時(shí)間(time to lane crossing, TLC)的輔助決策成為了車道偏離預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵，如果TLC閾值選取得過(guò)于保守會(huì)導(dǎo)致預(yù)警系統(tǒng)誤報(bào)警[2-3]，嚴(yán)重影響駕駛員的駕駛心情。車道偏離識(shí)別算法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]。

與LDWS類似的系統(tǒng)是車道偏離防避系統(tǒng)(lane departure avoidance system, LDAS)[6]。LDAS最常用的轉(zhuǎn)向執(zhí)行器為基于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(electric power steering, EPS)系統(tǒng)的電機(jī)，文獻(xiàn)[7]中基于EPS實(shí)現(xiàn)了車道保持控制，并解決了EPS部件與車道保持執(zhí)行部件之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題。文獻(xiàn)[8]～文獻(xiàn)[10]中將線控轉(zhuǎn)向作為L(zhǎng)DAS和車道保持輔助系統(tǒng)(lane keeping assistance system, LKAS)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，但線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)成本高?？赏ㄟ^(guò)差動(dòng)制動(dòng)控制[11-12]或差動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制產(chǎn)生橫擺力矩糾正車輛恢復(fù)到正常車道，但差動(dòng)制動(dòng)會(huì)影響乘坐舒適性，而差動(dòng)驅(qū)動(dòng)比較適合輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

人機(jī)共駕需要執(zhí)行器轉(zhuǎn)向與駕駛員轉(zhuǎn)向的疊加，LDAS人機(jī)控制權(quán)重的分配成為了關(guān)鍵。文獻(xiàn)[13]中基于復(fù)合Lyapunov函數(shù)和線性矩陣不等式等理論提出了LDAS切換控制策略，算法比較復(fù)雜。文獻(xiàn)[14]中提出了一個(gè)觸覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)駕駛員和轉(zhuǎn)向執(zhí)行器共同控制轉(zhuǎn)向盤。文獻(xiàn)[15]中建立了人-車-路閉環(huán)車道保持系統(tǒng)模型，基于預(yù)瞄控制并通過(guò)人機(jī)協(xié)調(diào)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)LKAS的人機(jī)協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)[16]中基于駕駛員模型識(shí)別駕駛員的意圖來(lái)最小化LKAS控制器的干預(yù)，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)調(diào)控制。

上述方法沒(méi)有實(shí)時(shí)在線考慮駕駛員的狀態(tài)，文獻(xiàn)[17]中基于人機(jī)主權(quán)分配模塊設(shè)計(jì)了LDAS的LPV/H∞轉(zhuǎn)角控制器和2階滑模轉(zhuǎn)矩控制器，且設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向控制器時(shí)考慮了駕駛員特性，但其人機(jī)權(quán)重分配比較復(fù)雜，為了在線協(xié)調(diào)從LDAS人機(jī)共駕到駕駛員駕駛模式平滑切換，還須進(jìn)一步研究駕駛員不同狀態(tài)下人機(jī)權(quán)重的分配。本文中提出了反映駕駛員生理與心理特征的車道保持神經(jīng)肌肉動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)向模型，基于PID控制和滑?？刂评碚撎岢鯨DAS的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)控制，基于模糊控制理論設(shè)計(jì)人機(jī)共駕的共控系數(shù)模糊控制器，并基于CarSim/Simulink仿真和CarSim/LabVIEW RT硬件在環(huán)仿真驗(yàn)證LDAS人機(jī)共駕性能。

1 駕駛員轉(zhuǎn)向模型

基于駕駛員神經(jīng)肌肉特性的道路預(yù)瞄跟蹤控制器的駕駛員閉環(huán)轉(zhuǎn)向模型如圖1所示。道路跟蹤層根據(jù)視覺(jué)預(yù)瞄信息通過(guò)路徑跟蹤自動(dòng)轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)車輛側(cè)向位置控制，但這不能反映駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖，因此通過(guò)內(nèi)環(huán)體現(xiàn)駕駛員轉(zhuǎn)向行為神經(jīng)肌肉的反應(yīng)特性，從而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償轉(zhuǎn)向角誤差或?qū)喬チΦ臄_動(dòng)抑制。為體現(xiàn)駕駛員輸出力矩的限制引入了飽和環(huán)節(jié)。

圖1 駕駛員轉(zhuǎn)向模型

1.1 道路跟蹤層

由圖1可見(jiàn)，駕駛員轉(zhuǎn)向模型通過(guò)視覺(jué)獲得預(yù)瞄區(qū)域的道路信息。圖中：LDRV為車輛縱軸預(yù)瞄點(diǎn)相對(duì)期望路徑的側(cè)向偏移量，m；ADRV為車輛縱軸至預(yù)瞄點(diǎn)與期望路徑之間的誤差區(qū)域面積，m2。道路跟蹤控制器輸出的駕駛員期望轉(zhuǎn)角為

δd=-(KL×LDRV+KA×ADRV)

(1)

式中KL和KA為控制器增益，KL=5，KA=10。預(yù)瞄距離對(duì)駕駛員模型的車道跟蹤性能影響很大，設(shè)定簡(jiǎn)單的預(yù)瞄距離觀測(cè)器ls=vxt-8，其中：ls為預(yù)瞄距離，m，lsmin=10m，lsmax=18m；vx為車速，m/s；t為時(shí)間，t=1s。通過(guò)車速縱向控制來(lái)消除道路曲率的變化對(duì)車道跟蹤性能的影響，即道路曲率較大時(shí)降低車輛速度，這也符合實(shí)際駕駛情況。

1.2 駕駛員特性層

文獻(xiàn)[18]中提出了以駕駛員神經(jīng)肌肉動(dòng)力學(xué)模型來(lái)表示駕駛員的轉(zhuǎn)向控制特性，反應(yīng)延時(shí)是人類神經(jīng)系統(tǒng)固有的認(rèn)知行為特性，取決于多方面因素，例如年齡、心理和生理狀態(tài)等。一般駕駛員的反應(yīng)延時(shí)時(shí)間τd=0.15～0.3s[19]，如圖1所示，加入微分校正環(huán)節(jié)，設(shè)定時(shí)間常數(shù)tc=τd。駕駛員肌肉動(dòng)力學(xué)特性采用彈簧阻尼模型等效，其中kd和cd分別表示彈簧剛度和阻尼系數(shù)，反映了肌肉的固有剛度和阻尼。這些特定的駕駛員神經(jīng)肌肉屬性參數(shù)可體現(xiàn)駕駛員年齡、心理和生理等特征。

1.3 基于CarSim/Simulink仿真

以駕駛員模型A和B分別模擬駕駛員不同的心理和生理狀態(tài)，駕駛員模型A處于疲勞駕駛狀態(tài)，τd=0.3s，kd=5N·m/rad，cd=0.7N·m/(rad/s)；駕駛員模型B的注意力高度集中并且精力充沛，τd=0.15s，kd=100N·m/rad，cd=1N·m/(rad/s)。車輛模型為C-Class, Hatchback 2012，跟蹤路徑如圖2所示，兩次90°轉(zhuǎn)彎，右轉(zhuǎn)彎半徑為200m，左轉(zhuǎn)彎半徑為100m。路面附著系數(shù)0.85，縱向車速如圖3所示。分別以駕駛員A和B跟蹤期望路徑，路徑跟蹤

圖2 跟蹤路徑

圖3 參考車速

側(cè)向偏移量如圖4所示，由于第2個(gè)彎道曲率半徑較小，而車速超過(guò)了60km/h后，駕駛員A和B雖然都能通過(guò)左轉(zhuǎn)彎彎道，但駕駛員A的最大偏移量達(dá)到了0.56m，路徑跟蹤精度較差，而駕駛員B的最大偏移量為0.19m，具有較高的路徑跟蹤精度。由此可以得出，隨著肌肉同步收縮的增加和反應(yīng)時(shí)間的縮短，路徑跟蹤精度也隨著增加，同時(shí)降低了側(cè)向加速度和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的抖動(dòng)，分別如圖5和圖6所示。

圖4 側(cè)向偏移量

圖5 側(cè)向加速度

圖6 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角

2 車道偏離輔助控制器

基于車道跟蹤運(yùn)動(dòng)學(xué)模型[20]設(shè)計(jì)LDAS期望橫擺角速度：

(2)

式中：yL為預(yù)瞄點(diǎn)側(cè)向偏移量，m；v為車輛質(zhì)心速度，m/s；β為車輛質(zhì)心側(cè)偏角，rad；Δψ為方向角誤差，rad；γ為車輛橫擺角速度，rad/s。假設(shè)橫擺角速度γ作為控制輸入。由于狀態(tài)變量v，β和Δψ均未知，令q=v(β+Δψ)，式(2)可轉(zhuǎn)換為

(3)

式中：狀態(tài)向量x=[yL,q]T；系統(tǒng)輸入u=γ；系統(tǒng)輸出向量y=[yL,q]T。

根據(jù)式(2)，期望橫擺角速度可由下式確定：

γd=-[v(β+Δψ)+KyL]/ls，K>0

(4)

(5)

式(5)為一卡爾曼濾波器，因此對(duì)于測(cè)量信號(hào)的噪聲具有很好的濾波作用。

(6)

(7)

2.1 轉(zhuǎn)角PID控制器

轉(zhuǎn)向控制示意圖如圖7所示，根據(jù)跟蹤目標(biāo)路徑的期望橫擺角速度γd與實(shí)際橫擺角速度γ之差，由PID控制器輸出期望的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角為

(8)

式中：Δγ=γd-γ；控制器參數(shù)整定為Kp=10，Ki=0.15，Kd=0.02。預(yù)瞄距離對(duì)LDAS控制器的車道跟蹤性能影響也很大，設(shè)定簡(jiǎn)單的預(yù)瞄距離觀測(cè)器ls=vxt-15，lsmin=5m，lsmax=18m，t=1s，通過(guò)縱向車速控制來(lái)消除道路曲率的變化對(duì)車道跟蹤性能的影響。

圖7 轉(zhuǎn)向控制示意圖

2.2 滑模轉(zhuǎn)矩控制器

EPS系統(tǒng)的主要作用是提供助力減輕駕駛員負(fù)擔(dān)(提高舒適性)并增加轉(zhuǎn)向“路感”。基于EPS系統(tǒng)還可進(jìn)一步開(kāi)發(fā)輔助駕駛功能，如圖8所示，LDAS和LKAS就是基于EPS系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。本文中LDAS是基于管柱助力EPS系統(tǒng)，減速比為N的減速機(jī)是LDAS的執(zhí)行器。Ta為轉(zhuǎn)向柱上的LDAS輔助力矩，令Td為駕駛員力矩，δsw為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，Jsw為轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，csw為轉(zhuǎn)向柱阻尼，ksw為轉(zhuǎn)向柱剛度；令δm為電機(jī)轉(zhuǎn)角，Jm為電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，cm為電機(jī)軸阻尼，km為電機(jī)軸剛度；令mr為齒條的當(dāng)量質(zhì)量，cr為齒條的當(dāng)量阻尼，kr為齒條的當(dāng)量剛度，rp為小齒輪分度圓半徑，xr為齒條位移，F(xiàn)r為作用到齒條上的外力。轉(zhuǎn)向柱上的轉(zhuǎn)矩方程、電機(jī)輸出軸上的轉(zhuǎn)矩方程、齒條上的力方程和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型參數(shù)數(shù)值詳見(jiàn)文獻(xiàn)[17]。

圖8 集成LDAS功能的EPS系統(tǒng)

EPS系統(tǒng)減速機(jī)為一對(duì)嚙合的蝸輪蝸桿副，在理想情況下，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和摩擦均忽略不計(jì)。顯然，蝸輪蝸桿副中轉(zhuǎn)矩Tm(t)和Ta(t)，轉(zhuǎn)角δm(t)和δsw(t)，角速度ωm(t)和ωsw(t)，蝸桿的頭數(shù)z1和蝸輪的齒數(shù)z2存在如下關(guān)系：

(9)

因此可把轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、黏性阻尼、剛度、轉(zhuǎn)矩和角位移從蝸輪蝸桿副的一側(cè)折算到另一側(cè)。從而可得出減速機(jī)輸入軸折算到轉(zhuǎn)向管柱的下列各參數(shù)：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量N2Jm，黏性阻尼系數(shù)N2cm，扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)N2km，轉(zhuǎn)矩NTm，角位移δm/N。則折算后，轉(zhuǎn)向柱上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jeq=Jsw+N2Jm，等效阻尼系數(shù)ceq=csw+N2cm，轉(zhuǎn)管柱上的等效剛度為

由此可得轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等效動(dòng)力學(xué)模型的狀態(tài)方程：

(10)

其中B1=[0,e,0,0]T

(11)

通過(guò)控制使式(11)的運(yùn)動(dòng)限制于滑模面S=0，c為固定增益，由于未知參數(shù)和駕駛員力矩等擾動(dòng)，為了鎮(zhèn)定不確定性，令

Ta=-Masign(S),Ma>0

(12)

定義Lyapunov函數(shù)來(lái)分析Δδsw穩(wěn)定性：

Ta/Jeq]≤-Ma|S|/Jeq+|f(·)‖S|

(13)

Ma>max(|f(·)|)/Jeq

(14)

因此，式(13)和式(14)意味著對(duì)于一正的標(biāo)量ξ，有

(15)

從而S在有限時(shí)間內(nèi)收斂于零，而轉(zhuǎn)向角誤差Δδsw通過(guò)所指定的參數(shù)c趨向于零。為使滑?？刂破鲗?shí)現(xiàn)連續(xù)控制，用一個(gè)連續(xù)函數(shù)近似替代非連續(xù)的切換函數(shù)：

(16)

3 LDAS人機(jī)共駕策略

圖9 人機(jī)共控結(jié)構(gòu)框圖

LDAS與LKAS兩個(gè)系統(tǒng)主要不同點(diǎn)是后者連續(xù)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)車道保持而前者基于跨道閾值等臨界條件才激活。圖9為L(zhǎng)DAS人機(jī)共駕控制結(jié)構(gòu)圖，基于閾值設(shè)定的危險(xiǎn)準(zhǔn)則使得人機(jī)共控系數(shù)α介于0與1之間動(dòng)態(tài)切換。由于基于預(yù)瞄點(diǎn)側(cè)向偏移量yL和駕駛員力矩Td與車輛偏離車道程度的關(guān)系不能精確描述，而模糊控制理論是解決這一問(wèn)題的有效途徑。在系統(tǒng)運(yùn)行中，不斷檢測(cè)預(yù)瞄點(diǎn)側(cè)向偏移量yL和駕駛員力矩Td，再根據(jù)模糊控制規(guī)則，對(duì)人機(jī)共控系數(shù)α進(jìn)行在線調(diào)整。

人機(jī)共駕模糊控制器的輸入為預(yù)瞄點(diǎn)側(cè)向偏移量yL和駕駛員力矩Td，輸出為人機(jī)共控系數(shù)α[21]。yL∈[-0.4,0.4]m，Td∈[-6,6]N·m。yL和Td模糊子集均設(shè)為{NB,NM,Z,PM,PB}，分別代表側(cè)向偏移量和駕駛員力矩的負(fù)大、負(fù)中、零、正中、正大5個(gè)狀態(tài)。共控系數(shù)α∈[0,1]，模糊子集為{Z,S,M,L,XL}，分別代表共控系數(shù)零、小、中、大、較大5個(gè)狀態(tài)。模糊控制器輸入隸屬度函數(shù)分別如圖10和圖11所示，輸出隸屬度函數(shù)如圖12所示。人機(jī)共駕模糊規(guī)則如表2所示，該模糊控制規(guī)則為駕駛員行為和車輛位置提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的描述。

圖10 yL的隸屬度函數(shù)

圖11 Td的隸屬度函數(shù)

圖12 α的隸屬度函數(shù)

表2 共控系數(shù)的模糊規(guī)則表

4 LDAS人機(jī)共駕仿真

為了評(píng)價(jià)所提出的LDAS人機(jī)共駕的性能，基于CarSim/Simulink仿真驗(yàn)證所提出控制策略的有效性。仿真的車輛模型為E-Class/Sedan，道路模型為Alt3 from FHWA，跟蹤路徑如圖13所示，路面附著系數(shù)μ=0.85，彎道的曲率半徑近似為155m，道路曲率如圖14所示。車輛由直道進(jìn)入彎道，車速設(shè)定為90km/h，從道路模型200m處開(kāi)始仿真。設(shè)定LDAS滑模轉(zhuǎn)矩控制器參數(shù)：c=6，Ma=10。模擬駕駛員由于疲勞駕駛或注意力不集中沒(méi)有意識(shí)到前方彎道雙手離開(kāi)了轉(zhuǎn)向盤3.5s，然后駕駛員和LDAS控制器獨(dú)自和共同糾正車輛恢復(fù)到正常車道。駕駛員模型A模擬疲勞駕駛的駕駛員，駕駛員模型B模擬注意力高度集中的駕駛員，通過(guò)駕駛員A和B仿真LDAS人機(jī)共駕性能，駕駛員A的輸出力矩Td∈[-6,6]N·m，駕駛員B的輸出力矩Td∈[-9,9]N·m。

圖13 跟蹤路徑

圖14 道路曲率

駕駛員力矩Td如圖15所示，跨道距離dDLC如圖16所示，駕駛員A失去了對(duì)車輛的控制，車輛嚴(yán)重偏離了車道，駕駛員B最小跨道距離為0.29m，也能糾正車輛恢復(fù)到正常車道，LDAS控制器最小跨道距離為0.56m，LDAS+A最小跨道距離為0.55m，LDAS+B最小跨道距離為0.61m。可以得出不管駕駛員是疲勞駕駛狀態(tài)還是注意力高度集中狀態(tài)，人機(jī)共駕均能糾正車輛恢復(fù)到正常車道。如果車輛偏離車道駕駛員不接管轉(zhuǎn)向盤LDAS控制器也能糾正車輛恢復(fù)到正常車道，從而保證了車輛的行駛安全性。

圖15 駕駛員力矩

圖16 跨道距離

轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角如圖17所示，很明顯，駕駛員B雖能糾正車輛恢復(fù)到正常車道，但轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角出現(xiàn)了嚴(yán)重的抖動(dòng)，無(wú)法保證車輛的乘坐舒適性。

圖17 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角

人機(jī)共駕的共控系數(shù)如圖18所示，駕駛員A在9.4s之后共控系數(shù)α恢復(fù)到0.3左右，整個(gè)人機(jī)糾正過(guò)程耗時(shí)5.9s；而駕駛員B在8.15s之后共控系數(shù)α恢復(fù)到0.3左右，整個(gè)人機(jī)糾正過(guò)程耗時(shí)4.65s。此后駕駛員擁有更多的轉(zhuǎn)向控制權(quán)，從而實(shí)現(xiàn)了LDAS從人機(jī)共駕到駕駛員控制平滑切換。

圖18 人機(jī)共控系數(shù)

LDAS控制器的輔助力矩和共控力矩分別如圖19和圖20所示，注意力高度集中的駕駛員B的輔助力矩和共控力矩均小于駕駛員A，這也符合人機(jī)共駕的設(shè)計(jì)目標(biāo)，相當(dāng)于通過(guò)共控系數(shù)“讀懂”駕駛員意圖，驗(yàn)證了LDAS人機(jī)共駕模糊控制器的有效性。橫擺角速度如圖21所示，側(cè)向加速度如圖22所示，很明顯對(duì)于駕駛員B獨(dú)自糾正車輛恢復(fù)到正常車道，橫擺角速度和側(cè)向加速度出現(xiàn)了很嚴(yán)重的抖動(dòng)，無(wú)法保證車輛的乘坐舒適性，而基于LDAS，LDAS+A和LDAS+B整個(gè)糾正過(guò)程均平穩(wěn)過(guò)渡，超調(diào)量較小，均能使車輛平順的通過(guò)彎道，保證了車輛的乘坐舒適性，驗(yàn)證了所提出的人機(jī)共駕控制策略的有效性。

圖19 輔助力矩

圖20 共控力矩

圖21 橫擺角速度

圖22 側(cè)向加速度

5 硬件在環(huán)試驗(yàn)

通過(guò)CarSim/LabVIEW RT硬件在環(huán)臺(tái)架試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證控制策略的可行性，硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)采用的機(jī)箱為NI PXIe-1071，數(shù)據(jù)采集卡為PXIe-6361，控制器為PXIe-8840，CAN卡為PXI-8512/2。通用型交流伺服系統(tǒng)和減速器用來(lái)給轉(zhuǎn)向管柱施加實(shí)時(shí)負(fù)載。為實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)LDAS試驗(yàn)，基于某車型的EPS系統(tǒng)自行開(kāi)發(fā)的控制器替代原裝的控制器，硬件在環(huán)試驗(yàn)控制結(jié)構(gòu)圖如圖23所示。

圖23 硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)

硬件在環(huán)試驗(yàn)條件同上，3.6s人機(jī)共駕介入，跨道距離如圖24所示，最小值為0.28m；轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角如圖25所示，最大值為55°；輔助力矩和共控力矩分別如圖26和圖27所示，輔助力矩最大值為15.4N·m，而共控力矩最大值則為7.7N·m，由于駕駛員的合理介入減小了輔助力矩；駕駛員力矩如圖28所示，在3.6s意識(shí)到車輛即將偏離車道，迅速施加了一個(gè)高達(dá)7.5N·m左右的糾正力矩；側(cè)向加速度如圖29所示，側(cè)向加速度最大值為0.75g，輪胎側(cè)向力已處于非線性區(qū)；橫擺角速度如圖30所示，橫擺角速度最大值為16.6°/s。綜上可見(jiàn)，所提出的LDAS人機(jī)共駕控制策略能夠及時(shí)糾正車輛恢復(fù)到正常車道，避免了駕駛員由于疲勞駕駛或注意力不集中沒(méi)有意識(shí)到前方出現(xiàn)彎道而出現(xiàn)的車道偏離事故。

圖24 跨道距離

圖25 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角

圖26 輔助力矩

圖27 共控力矩

圖28 駕駛員力矩

圖29 側(cè)向加速度

圖30 橫擺角速度

6 結(jié)論

基于駕駛員預(yù)瞄點(diǎn)的側(cè)向偏移量和預(yù)瞄區(qū)域面積，并考慮駕駛員的神經(jīng)肌肉特性建立了路徑跟蹤駕駛員轉(zhuǎn)向模型，根據(jù)車速調(diào)整駕駛員的預(yù)瞄距離，并基于CarSim/Simulink仿真驗(yàn)證了駕駛員處于疲勞駕駛狀態(tài)和注意力高度集中狀態(tài)的路徑跟蹤性能。

設(shè)計(jì)了LDAS期望橫擺角速度觀測(cè)器，并基于期望值與實(shí)際值之差設(shè)計(jì)了LDAS轉(zhuǎn)角PID控制器，整定了PID控制器參數(shù)。建立了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等效動(dòng)力學(xué)模型，并基于滑模理論設(shè)計(jì)了不依賴于駕駛員力矩和輪胎回正力矩等不確定條件的LDAS魯棒轉(zhuǎn)矩控制器。

由于預(yù)瞄點(diǎn)的側(cè)向偏移量和駕駛員力矩與車輛偏離車道程度的關(guān)系不能精確描述，所以設(shè)計(jì)了LDAS人機(jī)共駕模糊控測(cè)器，并確定了模糊控制規(guī)則，并基于CarSim/Simulink和CarSim/LabVIEW RT硬件在環(huán)仿真對(duì)比了人機(jī)共駕的糾正車輛恢復(fù)到正常車道的能力，結(jié)果表明，所提出的車輛偏離車道人機(jī)共駕控制策略能及時(shí)糾正車輛恢復(fù)到正常車道，并能保證切換過(guò)程的平順性。本文中僅進(jìn)行硬件在環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證，今后尚須進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)。

[1] VAA T, PENTTINEN M, SPYROPOULOU I. Intelligent transport systems and effects on road traffic accidents: state of the art[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems,2007,1(2):81-88.

[2] MAMMAR S, GLASER S, NETTO M. Time to line crossing for lane departure avoidance: A theoretical study and an experimental setting[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems,2006,7(2):226-241.

[3] ZHOU Y, XU R, HU X F, et al. A lane departure warning system based on virtual lane boundary[J]. Journal of Information Science & Engineering,2008,24(1):293-305.

[4] HONG T, KWON J, LEE K, et al. Development of a driver’s intention determining algorithm for a steering system based collision avoidance system[C]. SAE Paper 2013-01-0054.

[5] LEE J, YI K. Development of a coordinated strategy of steering torque overlay and differential braking for unintended lane departure avoidance[C]. SAE Paper 2012-01-0281.

[6] 黃智,吳乙萬(wàn),劉劍,等.高速車輛車道偏離輔助控制研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2013,49(22):157-163.

[7] 張海林,羅禹貢,江青云,等.基于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的車道保持系統(tǒng)[J].汽車工程,2013,35(6):526-531.

[8] KATZOURAKIS D, ALIREZAEI M, KAZEMI R, et al. Shared control for road departure prevention[C]. IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics(SMC), October 9-12,2011, Anchorage, Alaska, USA,2011:1037-1043.

[9] ROSSETTER E J, GERDES J C. Lyapunov based performance guarantees for the potential field lane keeping assistance system[J]. Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Transactions of the ASME,2006,128(3):510-522.

[10] DOUMIATI M, SENAME O, DUGARD L, et al. Integrated vehicle dynamics control via coordination of active front steering and rear braking[J]. European Journal of Control,2013,19:121-143.

[11] PILUTTI T, ULSOY G, HROVAT D. Vehicle steering intervention through differential braking[C]. Proceedings of the American Control Conference, Jun 21-23,1995, Seatle,WA, USA,1995:1667-1671.

[12] LEE J, CHOI J, YI K, et al. Lane-keeping assistance control algorithm using differential braking to prevent unintended lane departures[J]. Control Engineering Practice,2014,23:1-13.

[13] ENACHE N M, MAMMAR S, NETTO M, et al. Driver steering assistance for lane-departure avoidance based on hybrid automata and composite Lyapunov function[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems,2010,11(1):28-39.

[14] MULDER M, ABBINK D, BOER E. The effect of haptic guidance on curve negotiation behavior of young, experienced drivers[C]. IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics(SMC), October 12-15,2008,Singapore,2008:804-809.

[15] LOUAY S, PHILIPPE C, FABIEN C. Shared steering control between a driver and an automation: Stability in the presence of driver behavior uncertainty[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems,2013,14(2):974-983.

[16] SENTOUH C, DEBERNARD S, POPIEUL J, et al. Toward a shared lateral control between driver and steering assist controller[C]. Analysis, Design, and Evaluation of Human-Machine Systems, September 1-3, 2010, Université de Valenciennes et du Hainaut Cambrésis, France,2010:404-409.

[17] 談東奎,陳無(wú)畏,王家恩,等.基于人機(jī)共享和分層控制的車道偏離輔助系統(tǒng)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2015,51(22):98-110.

[18] PICK A J, COLE D J. Neuromuscular dynamics in the driver vehicle system[J]. Vehicle System Dynamics,2006,44(S1):624-631.

[19] BOLIA P, WEISKIRCHER T, MüLLER S. Driver steering model for closed-loop steering function analysis[J]. Vehicle System Dynamics,2014,52(Supplement):16-30.

[20] SOUALMI B, SENTOUH C, POPIEUL J, et al. Automation-driver cooperative driving in presence of undetected obstacles[J]. Control Engineering Practice,2014,24:106-119.

[21] MERAH A, HARTANI K, DRAOU A. A new shared control for lane keeping and road departure prevention[J]. Vehicle System Dynamics,2015,54(1):1-16.

“汽車輕量化技術(shù)與產(chǎn)品巡展-北汽福田站”成功舉辦

2017年6月28-29日，由汽車輕量化技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟(以下簡(jiǎn)稱“輕量化聯(lián)盟”)主辦、北汽福田汽車股份有限公司承辦的“汽車輕量化技術(shù)與產(chǎn)品巡展-北汽福田站”活動(dòng)在福田研究總院舉辦。中汽學(xué)會(huì)副秘書長(zhǎng)、輕量化聯(lián)盟秘書長(zhǎng)張寧，吉林大學(xué)教授、輕量化聯(lián)盟專家委主任王登峰，北汽福田副總裁陳青山、研究總院常務(wù)副院長(zhǎng)張志亮、副院長(zhǎng)高巖等領(lǐng)導(dǎo)出席巡展活動(dòng)，湯臣汽車零部件、凌云股份、中材汽車復(fù)合材料、杰事杰新材料、北汽模塑、大葉智能科技、彭瑞信息技術(shù)、亞威創(chuàng)科源、鑫精合等9家企業(yè)攜近40件輕量化零部件參展。

本次巡展活動(dòng)由中汽學(xué)會(huì)輕量化研究部部長(zhǎng)、輕量化聯(lián)盟副秘書長(zhǎng)楊潔主持，張寧秘書長(zhǎng)、張志亮常務(wù)副院長(zhǎng)致辭，參展的展品涉及工程塑料后尾門、動(dòng)力電池包上蓋、3D打印、輕量化管路、復(fù)合材料板簧、載重汽車輕量化制動(dòng)器、載重汽車輕量化輪轂等輕量化零件和技術(shù)。在進(jìn)行產(chǎn)品展示的同時(shí)，還安排了特邀專家和參展企業(yè)的技術(shù)交流報(bào)告，特別邀請(qǐng)了中汽學(xué)會(huì)技術(shù)部副部長(zhǎng)趙立金、吉林大學(xué)教授王登峰分別就節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖、車身參數(shù)化輕量化技術(shù)在商用車中的應(yīng)用進(jìn)行了交流。各參展企業(yè)結(jié)合攜帶的零部件，圍繞載重汽車底盤懸架關(guān)鍵零部件輕量化制造技術(shù)、壓鑄車身零部件設(shè)計(jì)與性能測(cè)試、3D打印技術(shù)、復(fù)材部件的精準(zhǔn)化聯(lián)合仿真和輕量化精益設(shè)計(jì)、復(fù)合材料在商用車的應(yīng)用、激光切割技術(shù)等分別做了詳細(xì)的報(bào)告。

本次巡展活動(dòng)吸引了福田商用車超過(guò)150名相關(guān)工程師的參與，在福田研究院先行技術(shù)部、材料工程所以及相關(guān)專業(yè)部門的大力支持下，取得了預(yù)期效果，受到活動(dòng)參與各方的好評(píng)。

Man-machine Shared Driving Based Lane Departure Avoidance Control

Wang Xuanyao1,2, Wang Qidong1,2, Gao Zhengang1& Wang Jiaen1

1.SchoolofAutomotiveandTrafficEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009;2.SchoolofMechanicalEngineering,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001

A two layer driver steering prediction model is proposed, in which the first layer embodies path following characteristic based on driver visual previewed information, the second layer reflects driver’s steering behaviors based on driver neuromuscular model, and the path tracking performances of driver in different states are compared by using CarSim/Simulink. The desired yaw rate observer and the steering wheel angle PID controller in LDAS are designed and the equivalent dynamics model for steering system is established, with robust torque controller of LDAS designed based on sliding mode theory. Due to the relationship of the degree of lane departure with the lateral offset of previewed point and driver torque can’t accurately be described, the fuzzy controller for man-machine shared driving in LDAS is designed based on fuzzy control theory. A simulation with CarSim/Simulink and a hardware-in-the-loop test with CarSim/LabVIEW RT are conducted to compare the rectification ability of vehicle in lane departure by driver, LDAS controller and man-machine shared driving respectively. The results show that the proposed control strategy for man-machine shared driving can timely rectify lane departure and make vehicle back to normal lane, while ensuring smooth switching from man-machine shared control to driver control.

lane departure; driver model; man-machine shared driving; shared control coefficient

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.07.018

*國(guó)家自然科學(xué)基金(51175135和51405004)資助。

汪選要，副教授，博士研究生，E-mail:xuanyaowang@126.com。

原稿收到日期為2016年7月20日，修改稿收到日期為2016年9月2日。