基于虚拟行驶环境下的汽车车道保持技术研究

陆孟雄

（常州信息职业技术学院，江苏 常州 213164）

基于虚拟行驶环境下的汽车车道保持技术研究

陆孟雄

（常州信息职业技术学院，江苏 常州 213164）

随着汽车智能化驾驶技术的不断发展，以汽车车道保持技术为核心的汽车智能辅助驾驶研究成为无人驾驶技术的研究重点。从关键技术来看，汽车车道保持系统是建立在视觉传感器检测基础上，利用图像识别与汽车智能化转向控制技术来实现对车道的准确控制。基于试验场地的局限，以实车试验其成本相对较高，周期较长，且存在较多危险性，而利用虚拟行驶环境来模拟汽车车道保持技术具有较高的实用性。

虚拟技术；车道保持；视觉模拟；汽车智能化

随着汽车数量的增长，各类交通事故发生率也在增长。从造成事故因素来看，一方面是汽车保有量的增加，以及道路设施安全系统的不完善所致，另一方面与驾驶人及行人安全意识不足有关，特别是驾驶人因走神、困倦及不良驾驶习惯等原因，成为引发突发事故的主要因素。基于此，从优化汽车智能化技术上来辅助驾驶人来提升驾驶安全性就显得尤为重要。虚拟环境下汽车车道保持技术，从人、车、环境三方相互作用关系上，利用视觉图形图像混合建模技术来构建车道场景，分别从转向力感分析、力矩反馈以及虚拟场景车道线检测、驾驶员意图识别等方面来创建一个仿真环境，以实现对虚拟环境下系统有效性的全面测试。

1 虚拟行驶环境下仿真平台及架构

虚拟行驶环境是基于仿真软件平台来实现对车道保持系统的测试。通常情况下，利用后视镜上的车载数字摄像设备来获取道路信息，并从车道线检测上来形成车道线形状、位置，借助于车道保持控制器来进行采集和处理，调整汽车方向盘、车速等来实现对处理行驶状态的安全操纵。其功能模块主要有：一是汽车动力学模块，以满足不同车辆车型的仿真实验；二是信息采集模块，以获取汽车行驶过程中的周边环境数据；三是智能化仿真平台，通过对采集信息的处理，反馈到控制器，并有控制器来操纵汽车行驶状态。具体来讲，HostPc主机是虚拟车道保持技术的核心，其功能由软件测试环境数据、道路信息、车辆信息、传感器及主车参数信息等；dSpace是高速处理器，能够根据视觉传感器模块及测距模块，来进行数据处理，并通过输出油门信号、制动信号来调整车速及行驶轨迹；驾驶员模拟器是对驾驶环境进行模拟的设备，其主要功能是通过环形屏幕来优化油门、制动、力矩方向盘等设备，实现对车辆状态的模拟；Embedded是扩展模块，主要连接摄像系统、显示系统，为驾驶员提供人机交互界面。

2 虚拟环境下视觉传感技术

利用虚拟环境来替代真实测试环境，视觉传感器是实现虚拟场景建模与仿真的重要技术。车道保持系统中的环境感知的精度与可靠性，关系到整个虚拟行驶技术的有效性，因此在搭建虚拟环境汽车车道保持系统时，需要从虚拟环境图像生成，虚拟场景置信度分析两方面来完成。

2.1 视觉传感系统模拟技术

虚拟场景下的场景建模与渲染，需要利用视觉传感器来获取真实场景信息，再通过三维图形学技术来进行场景处理，最终构建虚拟场景图像。如在数字成像系统中有场景、光学系统、传感器及图像处理单元，场景是对真实环境进行光谱辐射的量化表示，以模拟真实环境的辐射亮度、谱密度等信息；光学系统是利用光学镜片或镜片组，以通过调整光通量、焦距、透射率等属性来实现对图像的采集；CCD为电荷耦合单元，主要是满足光信号向电信号的转换；图像处理单元是对CCD单元的电信号进行处理，以满足虚拟影像场景建模需要。

2.2 虚拟行驶环境置信度分析

在虚拟环境下对视觉感知信息来说容易受到外界环境的干扰，从而影像虚拟环境真实度。在车道保持系统视觉感知中，通常需要从虚拟场景获取的信息进行真实性分析，来提高虚拟环境的有效性。从图像信息构成来看，像素点是由图像处理算法来获得和提取的，虚拟环境下影响视觉图像的因素有两类，一方面是对底层图像特征的提取完整度，如图像的亮度、颜色等；另一方面是图像上层特征的真实性。因此在进行置信度检验上，需要对虚拟环境与真实场景进行一致性对比，然后通过图像混合建模方法来对虚拟场景进行分析，得出图像真实程度。以车道标识牌、信号灯识别为例，对于图像处理单元所获取的信号，可以归为两类，一类是基于颜色特征的图像像素，另一类是基于亮度为特征的像素。颜色特征像素与亮度特征像素在整个图像色彩与亮度描述中具有全局特征，在进行计算处理时，并不关注色彩、亮度像素的位置，而是关注不同颜色、亮度像素所占的比例。通过真实场景下拍摄的图像颜色、亮度像素比例，与虚拟场景获得的图像颜色、亮度像素比例进行处理，来获得足够的置信度。

3 虚拟环境下转向力感技术

在虚拟环境下进行车道保持技术研究，需要从人、车、环境之间相互关系的识别中来动态调整方向盘力感模块，确保汽车行驶状态安全性。转向力感在汽车车道保持系统中具有关键作用，在真实环境中，汽车方向盘与转向系统直接连接，方向盘可以从转向论的变化中感知路面的作用。但对于虚拟环境来说，转向系统需要从模拟传统车辆行驶的转向力感中来感知行驶环境。

3.1 转向力感的功能及影响因素

转向系统从功能上看有两点，一点是利用方向盘来改变车辆转向状态，另一点是从轮胎与路面的作用力中向驾驶人提供转向力反馈力矩，即转向力感。由于影响转向力感的因素较多，如不同轮胎与路面的摩擦力不同，不同摩擦系数下所产生的的摩擦阻力矩不同，还有传动系统与转向系统之间的润滑程度不同，以及不同车速、不同道路曲率变化、车辆载荷等都可能影响转向力感。

3.2 力矩反馈模型及验证

由于影响力矩反馈大小的因素较多，在本研究中对转向助力系统设定为理想状态，电机控制、传动机构仅对轮胎力、方向盘的力矩大小有关，由此来构建转向系统力矩反馈模型。当然，还要考虑助力情况下轮胎的反馈力矩，特别是当车速变大时，其轮胎回正力由轮胎垂向力、侧向力、回正力共同作用，当车速降低时，回正力主要有轮胎与路面摩擦力构成，而轮胎可以视为弹簧系统，即当转向系统出现小的角度时，所释放的力矩通过转盘传递给轮胎，而轮胎通过弹性回正力自动处理。为了对力矩反馈模型的仿真效果进行验证，可以从虚拟力矩反馈模型与真实车辆技术参数进行对照分析。当原地转向时，方向盘转向力矩反馈结果主要由前轴侧偏角引起；车速在60km/h以下时，转向力感与实车相关数据基本吻合，说明具有良好的模拟真实性。

3.3 驾驶员意图识别

从虚拟行驶环境中，对于驾驶员自身意图的识别是避免频繁报警，增强车辆行驶稳定性的重要内容。驾驶员作为自动控制系统的最高等级者，既要强调驾驶员对汽车行驶状态的监控，又要避免对汽车车道保持的干扰。本研究中将通过制动踏板、油门踏板的开度，以及方向盘转角、指向灯状态等来识别驾驶员主要意图，以有效实现对车辆的自动控制。如当驾驶员对指示灯进行开启时，其意图可能要进行变道或转弯；利用方向盘上设定的力矩阀值，来判断驾驶员的转向意图；利用制动踏板力矩，来判断驾驶员对车辆状态的控制意图；利用油门踏板开度来识别是否要改变汽车运行速度等。

3.4 对车道保持力矩的控制

在车道保持力矩控制上，基于驾驶员心理或生理变化，从改变方向盘力矩大小上，以驶回车道方向为“省力”模式。因此在设计车道保持力矩上，要从力矩的方向性来控制方向盘的转动状态。如当车辆向左偏离车道时，需要通过阻碍力矩来纠正方向盘，使其返回到正常车道状态。在控制车道力矩最大值上，如果力矩设置太小，则对驾驶员的辅助控制力较弱，也不利于车道系统的有效识别；当力矩过大时，驾驶员若需变道，则需要克服相当大的阻力，也不利于对驾驶员突发情况下的紧急处置。因此，从车道力矩保持值的设定上，要结合驾驶员自身的力矩习惯及意图来优化。

4 结语

虚拟环境下车道保持系统设计主要包括车道线检测系统、驾驶员状态识别、力矩控制策略三部分。对于车道线检测技术，主要利用摄像系统来感知道路前方路况信息，并从道路形状、位置识别中来修正车辆行驶状态。如近视场下的直线检测，通过对近视场、中距离视场进行检测来计算行驶位置，曲线拟合是对远距离视场下的弯道部分进行检测。由于车道线的颜色信息具有可变性，不同车道线因磨损也会影响车道线检测。因此在进行图像处理时，需要对可能干扰进行优化。在车道行驶力矩控制策略上，引入驾驶员识别与力矩叠加策略，面对复杂多变的行驶环境，一方面通过转向系统来叠加力矩，增强驾驶员的驾乘感受；另一方面从力矩叠加计算来警示车道偏移量，增强人机交互性。另外，在不同油门踏板开度变化、制动踏板力度变化、方向盘转角变化、力矩反馈变化等方面，也都作为评估驾驶员意图的重要参数。

[1]任晓明,薛青,郑长伟,罗佳,高会波.驾驶员状态模型研究[J].系统仿真学报，2012(9).

[2]朱曼曼,杜煜.基于智能车的决策系统关键技术的综述[J]. 北京联合大学学报(自然科学版），2015(1).

U463

A

1671-0711（2016）12（上）-0156-02

本项目由2015年度江苏省高校品牌专业建设工程项目资助，项目编号：PPZY2015C237。