基于視覺感知的某純電動(dòng)車輛車道保持系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李敬斌

（江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

隨著智能輔助駕駛技術(shù)不斷進(jìn)步，車道保持系統(tǒng)（Lane Keeping System，LKS）在某些國(guó)外品牌車型應(yīng)用越來越多，由于車道線檢測(cè)、路徑跟蹤以及主動(dòng)轉(zhuǎn)向等關(guān)鍵技術(shù)尚不成熟，純電動(dòng)整車的匹配及驗(yàn)證能力還不充分，使得國(guó)內(nèi)自主品牌的應(yīng)用車型較少，同時(shí)，作為智能輔助駕駛L3級(jí)目標(biāo)必經(jīng)階段，進(jìn)行車道保持系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)研究，提升系統(tǒng)整車匹配能力對(duì)于最終攻關(guān)純電動(dòng)汽車智能輔助駕駛L3級(jí)目標(biāo)具有顯著的促進(jìn)作用。

本文涉及的車道保持系統(tǒng)是基于純電動(dòng)車輛機(jī)器視覺感知，并在具有主動(dòng)轉(zhuǎn)向功能的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)。系統(tǒng)通過獲取車身狀態(tài)和車路相對(duì)位置信息，對(duì)駕駛員駕駛狀態(tài)與意圖進(jìn)行判斷，當(dāng)車輛即將偏離車道且駕駛員無操作時(shí)，車道保持系統(tǒng)通過電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)糾正車輛的偏離行為，防止車輛跑偏，避免發(fā)生橫向碰撞事故。

1 車道保持系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本車道保持系統(tǒng)采用基于目標(biāo)轉(zhuǎn)角控制方案，通過設(shè)計(jì)車道保持人機(jī)交互控制策略和模式切換策略，最終逐步實(shí)現(xiàn)面向高速公路、小曲率彎道等特定工況下的自動(dòng)駕駛的車道保持功能。車道保持系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示，主要包括以下幾點(diǎn)。

圖1 車道保持系統(tǒng)示意圖

1）感知層：①主要由各類傳感器組成，進(jìn)行車輛狀態(tài)參數(shù)采集，包括方向盤轉(zhuǎn)角、車速和橫擺角速度等信號(hào)；②外部傳感器進(jìn)行周圍環(huán)境的檢測(cè)，主要是對(duì)車道線的識(shí)別的簡(jiǎn)單處理；③還有其他傳感器負(fù)責(zé)對(duì)駕駛員是否介入車輛控制的監(jiān)測(cè)。最后基于這些信息進(jìn)行車路相對(duì)位置檢測(cè)和估計(jì)。

2）決策層：基于車輛狀態(tài)和駕駛員動(dòng)作監(jiān)測(cè)（如駕駛員的力矩、踏板信號(hào)等），判斷駕駛模式是繼續(xù)處于車道保持模式還是退出此模式。當(dāng)監(jiān)測(cè)到駕駛員介入時(shí)，交還車輛控制權(quán)給駕駛員。

3）控制層：主要依據(jù)感知層獲得的信號(hào)進(jìn)行處理，基于模型預(yù)測(cè)控制（MPC）算法計(jì)算糾正車輛偏差所需要的理想轉(zhuǎn)角。

4）執(zhí)行層：主要由電機(jī)控制器、電機(jī)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)組成。當(dāng)處于車道保持時(shí)，電機(jī)控制器基于理想轉(zhuǎn)角控制電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角跟蹤。

車道保持系統(tǒng)總流程圖如圖2所示。車道保持系統(tǒng)激活時(shí)，感知層利用各種傳感器獲取車身狀態(tài)參數(shù)以及進(jìn)行周圍環(huán)境檢測(cè)（主要包含車道線檢測(cè)），從而通過計(jì)算獲取車輛與道路之間的相對(duì)位置。決策層依據(jù)感知層的信息，進(jìn)行模式判斷，判定車輛行駛狀態(tài)。當(dāng)判定車輛處于車道保持工況時(shí)，當(dāng)發(fā)生車輛偏離，控制層能根據(jù)感知和決策層所得到的偏差，通過合適的控制算法獲取合適的控制信號(hào)（期望轉(zhuǎn)角）?？刂菩盘?hào)傳遞給轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng)，主動(dòng)控制方向盤轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的控制，實(shí)現(xiàn)車道保持功能。

圖2 車道保持系統(tǒng)總流程圖

2 硬件設(shè)計(jì)方案

車道保持系統(tǒng)硬件主要由視覺感知單元（視覺傳感器）、車身狀態(tài)傳感器和方向盤轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)矩傳感器、車道保持控制器、主動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及與車輛狀態(tài)信號(hào)連接的網(wǎng)關(guān)組成，車道保持系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 車道保持系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

2.1 視覺感知單元設(shè)計(jì)

視覺感知單元（視覺傳感器）主要由攝像頭圖像采集器、圖像處理器、MCU控制核心組成，采用基于單目攝像頭的目標(biāo)識(shí)別方案，能夠提供車道線、前方車輛、路標(biāo)標(biāo)志、前方光源等相關(guān)信息，見圖4。

圖4 視覺傳感器的組成

視覺感知單元主要功能是獲取足夠的機(jī)器視覺系統(tǒng)要處理的最原始圖像。圖像傳感器是視覺檢測(cè)的核心部件，主要作用是將鏡頭所成的圖像轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出，并對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，依據(jù)目標(biāo)物特征提取目標(biāo)；圖像存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)待處理的圖像文件等；MCU是進(jìn)行運(yùn)算的核心部件單元，采用Freescale的Qorivva MPC560xP微控制器設(shè)計(jì)。

2.2 車道保持控制器設(shè)計(jì)

車道保持控制器使用ControlBase_VT，對(duì)傳感器信號(hào)和執(zhí)行器信號(hào)進(jìn)行集中管理，對(duì)所設(shè)計(jì)的控制算法進(jìn)行快速驗(yàn)證，它支持硬件在環(huán)測(cè)試、臺(tái)架測(cè)試和實(shí)車測(cè)試。MCU采用MC9S12XEP100，底層驅(qū)動(dòng)庫(kù)為SimuQuest公司的QuantiPhi，無縫集成入Matlab/Simulink環(huán)境中，可將車道保持系統(tǒng)的程序代碼一鍵自動(dòng)生成，在控制器中燒寫程序后，可進(jìn)行快速仿真和實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證，見圖5。

圖5 硬件模塊圖

ControlBase_VT硬件接線圖見圖6。ControlBase_VT的通信模塊提供4路CAN總線、1路LIN和1路K線。4路CAN總線均為高速CAN總線，其傳輸速率可達(dá)1Mb/s。

圖6 ControlBase_VT硬件接線圖

2.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件按照AUTOSAR架構(gòu)設(shè)計(jì)，車道保持軟件算法主要涵蓋車道線檢測(cè)模塊、橫向控制模塊以及人機(jī)交互模塊。車道線檢測(cè)模塊主要基于機(jī)器視覺對(duì)車輛前方的道路車道線進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別，確定車輛所要行駛的路線。橫向控制模塊基于MPC算法采用橫擺角速度閉環(huán)控制得到期望方向盤轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的橫向控制。人機(jī)交互模塊主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛員行為的監(jiān)測(cè)，及時(shí)進(jìn)行車輛控制權(quán)的切換。

2.3.1 車道線檢測(cè)模塊

車道線檢測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

圖7 車道線檢測(cè)控制邏輯流程圖

1）采集車輛環(huán)境圖像信息。

2）根據(jù)車輛環(huán)境圖像信息確定消失線位置、感興趣區(qū)域、匹配的車道線寬度的最大值和最小值。

3）根據(jù)消失線位置、匹配的車道線寬度的最大值和最小值在感興趣區(qū)域內(nèi)進(jìn)行邊緣檢測(cè)并搜索滿足車道線特征搜索條件的特征點(diǎn)。

4）對(duì)滿足車道線特征搜索條件的特征點(diǎn)往消失線以及預(yù)設(shè)的兩條車道水平線上進(jìn)行投影，并在消失線上尋找消失點(diǎn)。

5）根據(jù)消失點(diǎn)位置進(jìn)行反向搜索，提取車道邊界線的特征點(diǎn)，并根據(jù)車道邊界線的特征點(diǎn)確定車道線。

6）根據(jù)車道線建立帶狀區(qū)域，并利用置信度約束車道線位置和寬度。

2.3.2 橫向控制模塊

橫向控制模塊分為信號(hào)接收模塊和方向盤轉(zhuǎn)角計(jì)算模塊兩個(gè)子模塊。其中，信號(hào)接收模塊執(zhí)行CAN信號(hào)接收功能，接收來自環(huán)境感知層的車輛相對(duì)于預(yù)瞄點(diǎn)的位置及方位偏差信號(hào)，以及接收車身傳感器采集的車輛橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角信號(hào)。方向盤轉(zhuǎn)角計(jì)算模塊基于MPC（模型預(yù)測(cè)控制）控制器設(shè)計(jì)，以信號(hào)接收模塊的接收信息為輸入，MPC控制器輸出追隨理想道路中心線所需的橫擺角速度，經(jīng)過PID控制后得出所需的前輪轉(zhuǎn)角θ，再轉(zhuǎn)化為理想方向盤轉(zhuǎn)角θ后作為模塊的輸出。

橫向運(yùn)動(dòng)控制算法仿照駕駛員的行為方式在即將經(jīng)過的前方道路中心線中獲取道路位置信息，稱之為預(yù)瞄距離和預(yù)瞄點(diǎn)的選取；預(yù)瞄距離就好比是駕駛員向前方觀察路徑時(shí)所觀察的距離，而預(yù)瞄點(diǎn)就是在預(yù)瞄距離處所獲取的位于道路中心線上的路點(diǎn)，并以此分析預(yù)瞄點(diǎn)到期望軌跡的橫向偏差。通過當(dāng)前車輛位置相對(duì)于預(yù)瞄點(diǎn)處的橫向位置偏差和方位角偏差以及車身傳感器的數(shù)據(jù)，通過MPC控制算法，就可以得出使車輛追隨理想道路中心線所需的理想橫擺角速度。對(duì)橫擺角速度理想值θ和實(shí)際值θ的偏差進(jìn)行PID控制，并根據(jù)車輛逆動(dòng)力學(xué)模型得出前輪轉(zhuǎn)角在每個(gè)控制周期所應(yīng)當(dāng)?shù)玫降淖藨B(tài)修正值（理想值）θ。將這一前輪轉(zhuǎn)角理想值由弧度制轉(zhuǎn)化為角度值后，再經(jīng)過傳動(dòng)比轉(zhuǎn)化，就可以得到使車輛追隨理想道路中心線所需的方向盤轉(zhuǎn)角值，橫向控制邏輯流程圖如圖8所示。

圖8 橫向控制邏輯流程圖

2.3.3 人機(jī)交互模塊

對(duì)于配置有智能輔助駕駛系統(tǒng)的車輛，需要設(shè)計(jì)一定的人機(jī)交互進(jìn)行車道保持的進(jìn)入和退出模式切換。

2.3.3.1 進(jìn)入車道保持狀態(tài)判斷

當(dāng)車輛處于非車道保持狀態(tài)時(shí)，可通過一個(gè)開關(guān)量進(jìn)行切換進(jìn)入車道保持狀態(tài)，進(jìn)入車道保持狀態(tài)判斷邏輯流程圖如圖9所示。

圖9 進(jìn)入車道保持狀態(tài)判斷邏輯流程圖

為了保證順利平穩(wěn)且安全地進(jìn)入車道保持狀態(tài)，需添加一些限制條件。

1）需要保證車路相對(duì)姿態(tài)偏差在一定范圍內(nèi)，這樣可以防止方向盤實(shí)際值與期望值相差過大而導(dǎo)致進(jìn)入車道保持模式時(shí)轉(zhuǎn)向速度過大，車輛不穩(wěn)定且調(diào)整時(shí)間過長(zhǎng)。

2）當(dāng)車速較大時(shí)，若路況不好或其他不可控因素等，進(jìn)入車道保持模式是不安全的，低速下進(jìn)入車道保持模式，會(huì)讓人在心理上有安全感。

3）當(dāng)有信號(hào)觸發(fā)，且其他條件滿足時(shí)，進(jìn)入車道保持狀態(tài)。當(dāng)沒有信號(hào)觸發(fā)時(shí)，無法進(jìn)入車道保持狀態(tài)，進(jìn)入車道保持狀態(tài)判斷見表1。

表1 進(jìn)入車道保持狀態(tài)判斷

從圖9可知，只要任意一個(gè)條件沒有達(dá)到要求，就無法進(jìn)入車道保持模式，要進(jìn)入保持車道保持模式，需要檢測(cè)所有條件是否都滿足，只有當(dāng)所有條件都滿足才可以進(jìn)入車道保持狀態(tài)。

2.3.3.2 退出車道保持狀態(tài)判斷

當(dāng)車輛處于車道保持時(shí)，對(duì)駕駛員和車輛狀態(tài)的監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義，判斷駕駛員對(duì)車輛的操作是主觀需求接管車輛還是錯(cuò)誤操作，車輛是否變道、是否穩(wěn)定、EPS是否接受上層信號(hào)控制等來決定是否繼續(xù)車道保持，由于所有這些信號(hào)重要度都一樣且是并列關(guān)系，所以只要有一個(gè)符合車道保持退出判定條件，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)立即退出，并通知人來接管車輛。

通常通過對(duì)方向盤施加轉(zhuǎn)矩來操控車輛的橫向運(yùn)動(dòng)，通過制動(dòng)或油門控制車輛的縱向運(yùn)動(dòng)，本文駕駛員監(jiān)測(cè)主要有駕駛員作用在方向盤上的轉(zhuǎn)矩信號(hào)T和轉(zhuǎn)矩持續(xù)時(shí)間t，人工制動(dòng)信號(hào)Ped_state以及縱向加速度信號(hào)a，再?zèng)Q定是否退出車道保持模式。而車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要有是否變道信號(hào)LaneChanging、EPS狀態(tài)信號(hào)EPS_state、橫擺角速度ω與側(cè)向加速度a以及持續(xù)時(shí)間t，退出車道保持狀態(tài)判斷邏輯流程圖如圖10所示。

圖10 退出車道保持狀態(tài)判斷邏輯流程圖

1）當(dāng)發(fā)出轉(zhuǎn)向信號(hào)（打開轉(zhuǎn)向燈）時(shí)，認(rèn)為進(jìn)入變道模式，退出車道保持模式，轉(zhuǎn)向信號(hào)對(duì)車道保持狀態(tài)判斷見表2。

表2 轉(zhuǎn)向信號(hào)對(duì)車道保持狀態(tài)判斷

2）EPS_state信號(hào)表示EPS是否響應(yīng)上層控制信號(hào)，值為0代表響應(yīng)，值為1代表不響應(yīng)，此時(shí)無法進(jìn)行車道保持，應(yīng)立即退出此模式并通知駕駛員接管，EPS狀態(tài)信號(hào)對(duì)車道保持狀態(tài)判斷見表3。

表3 EPS狀態(tài)信號(hào)對(duì)車道保持狀態(tài)判斷

3）橫擺角速度、橫縱向的加速度是表征車輛穩(wěn)定性的參數(shù)，當(dāng)這些值過大時(shí)認(rèn)為車輛已經(jīng)超出車道保持的控制范圍，應(yīng)通知駕駛員接管車輛并退出車道保持模式。但為了防止噪聲干擾和瞬時(shí)的路面沖擊而造成誤判，故給每一項(xiàng)都增加一個(gè)時(shí)間閾值，橫擺角速度、縱向加速度、橫擺加速度對(duì)車道保持狀態(tài)判斷見表4～表6。

表4 橫擺角速度對(duì)車道保持狀態(tài)判斷

4）檢測(cè)到人工制動(dòng)信號(hào)，當(dāng)制動(dòng)信號(hào)Ped_state=0，此時(shí)處于踩下踏板狀態(tài)，所以退出車道保持模式；當(dāng)沒有人工制動(dòng)時(shí)，Ped_state=1，對(duì)車道保持模式無影響，人工制動(dòng)信號(hào)對(duì)車道保持狀態(tài)判斷見表7。

表5 縱向加速度對(duì)車道保持狀態(tài)判斷

表7 人工制動(dòng)信號(hào)對(duì)車道保持狀態(tài)判斷

5）系統(tǒng)從傳感器中采集獲得駕駛員操縱方向盤轉(zhuǎn)矩T，當(dāng)T大于一定閾值T時(shí)，且T持續(xù)時(shí)間t大于閾值時(shí)間t時(shí)，則認(rèn)為駕駛員有接管車輛的請(qǐng)求，此時(shí)系統(tǒng)退出車道保持模式，當(dāng)T小于閾值T時(shí)，則認(rèn)為駕駛員沒有控制車輛的主觀需要。

為消除傳感器的噪聲干擾與對(duì)習(xí)慣使用小力矩操作方向盤的駕駛行為進(jìn)行誤判，根據(jù)多次試驗(yàn)與駕駛員開車習(xí)慣進(jìn)行合理地調(diào)整轉(zhuǎn)矩閾值T，在此處選擇T=1.5Nm。同時(shí)為防止駕駛員的短時(shí)間誤操作或者路面對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的短時(shí)大沖擊而造成誤判，或因系統(tǒng)響應(yīng)過慢，當(dāng)需要接管時(shí)有頓挫感過度不平順，選擇合適的時(shí)間閾值t=0.2s。方向盤轉(zhuǎn)矩信號(hào)對(duì)車道保持狀態(tài)判斷見表8。

表8 方向盤轉(zhuǎn)矩信號(hào)對(duì)車道保持狀態(tài)判斷

從退出車道保持狀態(tài)判斷邏輯流程圖可知，只要有一個(gè)退出車道保持的條件達(dá)到要求，就立刻退出車道保持模式，并提醒駕駛員接管，要繼續(xù)保持車道保持模式，則需要檢測(cè)所有條件是否滿足，只有當(dāng)所有條件都滿足時(shí)才可以繼續(xù)保持車道保持模式。

表6 橫向加速度對(duì)車道保持狀態(tài)判斷

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于純電動(dòng)車輛提供一種車道保持系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，提高了駕駛的舒適性，提升了系統(tǒng)在純電動(dòng)平臺(tái)匹配能力，為后續(xù)車輛運(yùn)動(dòng)控制、環(huán)境融合檢測(cè)、基于知識(shí)決策等智能駕駛關(guān)鍵技術(shù)的突破奠定了基礎(chǔ)，對(duì)最終攻關(guān)純電動(dòng)汽車智能輔助駕駛L3級(jí)目標(biāo)具有顯著的促進(jìn)作用。