基于前饋和反饋控制的車道保持輔助系統(tǒng)標(biāo)定流程

陳有輝、韋圓盛、鄧榮興、廖尉華、林智桂

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007）

0 引言

在關(guān)于交通事故的統(tǒng)計(jì)調(diào)查中，由于駕駛員的無意識(shí)車道偏離引發(fā)的交通事故占據(jù)了很大的比例[1]?，F(xiàn)代汽車已不僅僅是一個(gè)純機(jī)械的產(chǎn)品，其能夠借助傳感器和控制芯片，實(shí)現(xiàn)一定程度的車輛自動(dòng)控制，幫助駕駛員保持自身和道路周圍參與者的安全[2]。高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)中，車道保持輔助系統(tǒng)是車輛橫向控制功能的主要組成部分，可以有效實(shí)現(xiàn)車輛在車道中心的平穩(wěn)行駛[3]。

由于每款車型的車身尺寸不同，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的響應(yīng)和傳感器的感知信號(hào)不同，使用相同的橫向控制邏輯時(shí)，需要對(duì)不同的車型進(jìn)行匹配調(diào)試。針對(duì)基于反饋和前饋控制的車道保持輔助系統(tǒng)，規(guī)定一定流程的標(biāo)定方法，有助于快速匹配調(diào)試車型，在短時(shí)間內(nèi)驗(yàn)證車型的適配能力，充分發(fā)揮橫向控制算法的車道輔助保持效果，保障駕駛員的車輛和人身安全。

1 反饋因子標(biāo)定

車道保持輔助系統(tǒng)的反饋模型，一般常見的是基于PID 因子控制的誤差控制模型，因此標(biāo)定反饋系數(shù)需要標(biāo)定模型的PID 因子。其中，彎道的標(biāo)定優(yōu)先級(jí)大于直道，所以需要在標(biāo)定彎道的PID 因子之后再標(biāo)定直道的PID 因子。同時(shí)，標(biāo)定彎道的PID 因子時(shí)需要避免影響直道的性能，因此在后期，若又調(diào)節(jié)了彎道的PID 因子，需要重新進(jìn)行直道PID 因子的標(biāo)定。

反饋控制系統(tǒng)的誤差輸入一般包括航向角度偏差和航向角度偏差變化速率（圖1）。根據(jù)道路條件的不同，一般設(shè)置彎道和直道兩套控制參數(shù)；再根據(jù)車輛所處車道的位置不同，一般設(shè)置路中和近車道線兩套控制參數(shù)。

圖1 航向角度偏差示意圖

1.1 彎道反饋因子的標(biāo)定

彎道PID 因子執(zhí)行具體的標(biāo)定操作時(shí)，需要一條車道線清晰、無側(cè)傾角且曲率較小的彎道（圖2）。駕駛車輛以70 km/h 的速度感受過彎表現(xiàn)，根據(jù)車輛的反饋標(biāo)定彎道路中航向角度偏差，彎道近車道線航向角度偏差，彎道路中航向角度偏差速率，以及彎道近車道線航向角度偏差速率的P 和D 因子。

圖2 固定曲率的彎道

彎道的標(biāo)定需要根據(jù)車輛行駛在車道中的相對(duì)位置而確定兩套標(biāo)定流程。當(dāng)車輛行駛在彎道路中靠近車道中心線時(shí)，反饋模型使用路中PID 參數(shù)進(jìn)行車輛的控制；而當(dāng)車輛行駛在彎道的一側(cè)（相對(duì)更靠近車道線時(shí)），反饋模型使用近車道線的PID 參數(shù)進(jìn)行車輛的控制。具體標(biāo)定反饋模型中彎道PID因子的流程如下。

1.1.1 彎道路中參數(shù)的標(biāo)定

如圖3所示，將車輛沿彎道的中心線行駛，主動(dòng)打偏方向使車輛偏向于車道邊緣（偏離0.3 m以內(nèi)），感受車輛回饋扭矩。同時(shí)，根據(jù)回饋扭矩的大小、方向盤抖動(dòng)速率和車輛行駛的軌跡，來調(diào)節(jié)彎道路中航向角度偏差，以及彎道路中航向角度偏差速率的P和D 因子。

圖3 車道邊緣與路中的判定

1.1.2 彎道近車道線參數(shù)的標(biāo)定

將車輛沿車道中心線行駛，主動(dòng)打偏方向使車輛偏向于車道邊緣（偏離0.3 m 以上），感受車輛回饋扭矩。同時(shí)，根據(jù)回饋扭矩的大小、方向盤抖動(dòng)速率和車輛行駛的軌跡，并參考對(duì)應(yīng)的彎道路中參數(shù)，來調(diào)節(jié)彎道近車道線航向角度偏差，以及彎道近車道線航向角度偏差速率的P 和D 因子。

1.2 直道反饋因子的標(biāo)定

根據(jù)反饋模型的執(zhí)行原理，PID 因子一般在直道條件下發(fā)揮更大的作用，所以先標(biāo)定彎道的PID 因子，再標(biāo)定直道的PID 因子，以發(fā)揮直道條件下反饋參數(shù)的決定性作用。直道PID 因子的標(biāo)定過程需要一條車道線清晰且無側(cè)傾角的直線道路，用于標(biāo)定直道路中航向角度偏差，直道近車道線航向角度偏差,直道路中航向角度偏差速率，以及直道路中航向角度偏差速率的P 和D 因子。

與彎道的標(biāo)定操作類似，直道的標(biāo)定也需要根據(jù)車輛行駛在車道中的相對(duì)位置而確定兩套標(biāo)定流程。當(dāng)車輛行駛在筆直道路中靠近車道中心線時(shí)，反饋模型使用路中PID 參數(shù)進(jìn)行車輛的控制；當(dāng)車輛行駛在直道的一側(cè)（相對(duì)更靠近車道線時(shí)），反饋模型使用近車道線的PID 參數(shù)進(jìn)行車輛的控制。具體標(biāo)定反饋模型中直道PID 因子的流程如下。

1.2.1 直道路中參數(shù)的標(biāo)定

將車輛沿直道的中心線行駛，主動(dòng)打偏方向使車輛偏向于車道邊緣（偏離0.3 m 以內(nèi)），感受車輛回饋扭矩。同時(shí)，根據(jù)回饋扭矩的大小、方向盤抖動(dòng)速率和車輛行駛的軌跡，并參考對(duì)應(yīng)的彎道路中參數(shù)，來調(diào)節(jié)直道路中航向角度偏差，以及直道路中航向角度偏差速率的P 和D 因子。

1.2.2 直道近車道線參數(shù)的標(biāo)定

將車輛沿直道的中心線行駛，主動(dòng)打偏方向使車輛偏向于車道邊緣（偏離0.3 m 以上），感受車輛回饋扭矩。同時(shí)，根據(jù)回饋扭矩的大小、方向盤抖動(dòng)速率和車輛行駛的軌跡，并參考對(duì)應(yīng)的直道路中參數(shù)，來調(diào)節(jié)直道近車道線航向角度偏差，以及直道近車道線航向角度偏差速率的P 和D 因子。

2 前饋因子標(biāo)定

需要事先標(biāo)定好反饋模型中彎道和直道的PID 因子，之后才可以標(biāo)定前饋模型中的參數(shù)因子。由于前饋控制通常只在彎道條件下發(fā)揮作用，直道環(huán)境中無法執(zhí)行前饋因子的標(biāo)定，因此需要選取車道線清晰且滿足曲率梯度要求的固定曲率彎曲道路若干，作為前饋控制模型參數(shù)標(biāo)定的準(zhǔn)備條件。

前饋控制模型的參數(shù)標(biāo)定之前，首先關(guān)閉反饋模型的控制輸出（在反饋模型中將PID 系數(shù)置為0），然后以70 km/h 的速度駕駛車輛過彎，感受控制中只有前饋時(shí)的過彎表現(xiàn)。將車輛在某一條固定曲率的彎道中沿車道中心線平穩(wěn)行駛，然后脫手觀察車輛的過彎情況。如果車輛轉(zhuǎn)向于彎道內(nèi)側(cè)，說明前饋扭矩過大，則調(diào)小此彎道曲率段對(duì)應(yīng)的前饋因子；如果車輛轉(zhuǎn)向于彎道外側(cè)，說明前饋扭矩不足，則調(diào)大此彎道曲率段對(duì)應(yīng)的前饋因子。之后更換另一條固定曲率的彎道，依次標(biāo)定完成各曲率段對(duì)應(yīng)的前饋因子。最后，更改車輛的行駛速度，標(biāo)定各速度段的前饋因子。

3 結(jié)束語

對(duì)于由反饋和前饋控制的車道保持輔助系統(tǒng)，都可以借鑒本文中的標(biāo)定流程進(jìn)行匹配調(diào)試。在具體的標(biāo)定過程中，需要根據(jù)測(cè)試場(chǎng)地的道路限制，選取合適的固定曲率的彎道。在連續(xù)彎道或者曲率變化的場(chǎng)地中，則需要結(jié)合前饋和反饋控制的影響因素，進(jìn)行細(xì)致的調(diào)節(jié)。