基于车道偏离阀值提高LKAS性能研究

吴成伟　冯嘉欣　王华　冯军　李宇纬　柯忠泽

摘 要：随着汽车工业的发展，客户对车辆的需求逐渐由功能向性能转变。车道保持等智能驾驶功能渐渐得到应用及推广，但目前性能方面还有一定的可提升空间。为了提高车道保持辅助的驾驶性能，本文阐述车道保持辅助的激活阀值设置，根据车辆的行驶路线规划及其时时路况动态推荐辅助模式，推荐相对适合路况的车道保持辅助模式。经过理论分析及实车测试数据表明，结合车辆状态及其道路工况信息、推荐最优车辆保持模式，驾驶员参考推荐模式、根据驾驶员熟悉的路况、及其驾驶员的精神状态进行选驾驶模式，能提高车辆驾驶的性能。

关键词：智能驾驶 车道保持辅助 驾驶性能 阀值

A Research on Improving Properties of LKAS Driver based on Threshold Value

Wu Chengwei，Feng Jiaxin，Wang Hua，Feng Jun，Li Yuwei，Ke Zhongze

Abstract：With the development of the automobile industry， customer demand for vehicles has gradually shifted from function to performance. Intelligent driving functions such as lane keeping are gradually being applied and promoted， but there is still room for improvement in performance. In order to improve the performance of lane keeping assisted driving， this article describes the setting threshold of the road deviation line， based on the vehicle's driving route planning and real-time road conditions， dynamically recommending the lane keeping assist mode， which is relatively suitable for road conditions. The theoretical analysis and actual vehicle test show that it can improve the driving performance of the vehicle， to choose the drive mode by combining vehicle status and road conditions information， recommending the optimal vehicle retention mode， the recommended mode working as reference for driver or according to the drivers familiar road conditions， and considering the drivers mental state.

Key words：intelligent drive lane， lane keeping assistance， driving performance， threshold

1 引言

當被动安全技术发展到一定的程度后，再难以有大幅度的提高。为了继续提高车辆的安全系数、降低车辆发生事故的伤亡率，主动安全成为重要途径，在汽车自动防撞系统（automatic collision avoidance system）、车道保持辅助系统（Lane Keeping Assistance简称LKAS）[2]的研究及应用最为突出。主动安全主要依赖车辆智能控制模块，国际上关于功能安全等级主要执行ISO 26262标准，智能驾驶等级引用美国工程师学会（society of automotive engineers， SAE）起草的J3016（TM）及美国国家公路安全管理局（national highway traffic safety administration，NHTSA）起草的自动驾驶分级，国家工信部2020年3月份提出《汽车驾驶自动化分级》，2021由国家市场监督管理局与国家标准化管理委员会发布GB T 40429-2021，这些都是从安全等级及自动化程度分解，ISO 11270：2014主要是对功能的定义及规范说明。按J3016（TM）及ISO 11270：2014标准分解，LKAS处在L2的自动驾驶级别，在性能上没有相关的明确定义。

国内外学者对LKAS进行了相关研究，文献[2]从扭矩叠加考虑控制权限的转移，未考虑对LKAS接入控制的频次影响进行研究，文献[3]从主观上对LKAS性能进行评价，未涉及到性能设计的设置逻辑，文献[4]从驾驶员的疲劳进行辨识，未从降低驾驶员疲劳速度进行研究，现公开发表的学术性论文研究，未根据时时工况关联LKAS分析。而全球各国不同的车道，道路宽度都有一定范围的波动，如中国道路宽度在3.0m到3.75m之间、日本道路规格宽度在2.75m到3.75m、意大利道路规格宽度在2.5m到3.75m、美国道路标记宽度在2.6m到4.2m、澳大利亚道路规格宽度理想为3.5m[5]，各国间车道的宽度存在差异，且是范围值。因此，结合道路宽度对LKAS性能的研究有重要的意义。

为了进一步提高LKAS的性能，解决LKAS设置固定在发生车道偏离时所需要的时间参数，缓解辅助驾驶在此性能上受到的限制，本文对LKAS的车道偏离阀值进行了系统分析。基于系统采集车辆所处车道中的相对位置及路况、导航系统提供的车辆行驶在当前公路等级为参考信息，以LKAS的车道偏离激活阀值为研究对象，提高车辆的驾驶性能。

2 车道保持辅助系统介绍

2.1 车道保持辅助系统基本概念

车道保持辅助系统属于智能驾驶辅助系统中的一种，主要从主动安全去做相应的开发及应用。参考SAEJ3016分类，LKAS功能属于L2自动化级别。LKAS研究的目的是为了降低驾驶员片刻分神导致车辆偏离行驶轨道的风险。LKAS设定车辆在车道的相对位置的模型，主要借鉴于车道偏离预警系统的规范。车道偏离临界线及其设置区域。如图1所示。

LKAS在车道偏离预警的基础上进行升级应用，增加中间形式区域辅助模式，在最早辅助线及最晚辅助线区间内设置车辆偏离辅助激活阈值，车辆偏离至阈值线，并无抑制限制条件时LKAS功能启动。

2.2 车道保持辅助系统控制策略

本文以某款车型为例，LKAS采集的基本信息为车辆与车道边界相对位置、车辆横向速度，在综合参数达到LKAS触发的阀值时，且无抑制的参数信号，系统提供辅助转向扭矩。从整车的状态进行编写控制策略，车辆在接收到抑制请求、车輛的行驶速度不在触发的策略范围内、满足驾驶员优先的状态下，LKAS发送纠正扭矩请求收到抑制不能激活，系统功能组成如图2所示。

车辆与车道边界相对位置控制策略，是通过车辆特定部位与车道边界之间的横向距离、偏离与速度为基数，如式（1）所示。

TTLC= （1）

式（1）中TTLC为发生车道偏离所需要的时间、D为通过车辆特定部位与车道边界之间的横向距离、v为车辆偏离速度。

车辆的车道辅助控制策略扭矩加载，辅助阀值激活后，控制模块发扭矩请求给电动助力转向系统，控制策略如图3所示。

Mdri;驾驶员施加的扭矩;

Mlks;车道保持辅助请求的扭矩;

MlksRes;经过幅值和梯度限制后的扭矩;

Mconv;经过传统转向盘助力后的电动助力转向扭矩;

f1（M，dM）;限制LKAS请求扭矩幅值和梯度的函数;

f2（M）;传统的转向盘助力函数。

2.3 车道保持辅助系统性能

LKAS性能主要为安全性及平顺性。车道保持辅助系统的安全性能，主要体现在减少驾驶员片刻分神导致车辆偏离行驶的轨道能力，其主要表现在驾驶员分神后，车辆位置满足触发车道保持阈值时，车道保持功能辅助控制车辆不跑出车道的能力。平顺性体现为辅助扭矩对驾驶员的干预，使其方向盘对驾驶员的反馈扭矩波动。

3 车道保持辅助功能触发阈值

3.1 选用道路的研究对象

LKAS控制模型设置触发的阀值为变量。本文主要以车辆行驶速度状态与车道信息为研究对象，车道参考《路线设计规范》JTG D20-2017，设计车速与车道宽度如表1所示。

3.2 提高道路保持性能分析

驾驶员分神后，LKAS控制车辆不跑出车道的能力。根据式（1），在相同的工况下，车辆与车道边界之间的横向距离起到关键因素。车辆与车道边界之间的横向距离如式（2）所示。

D= （2）

式（2）中，W车道线为两边车道线距离，W外为车辆外侧靠近车道线的部位与车道中间距离。

优化驾驶车辆的舒适性，本文以驾驶员优先的原则，降低LKAS请求的扭矩幅度，提高方向盘反馈给驾驶员扭矩的平顺性。

优化驾驶车辆的安全性能，根据车辆当前及行程规划的路况，推荐驾驶员相应的车道保持模式，从而相应的提高车辆驾驶性能及安全性能。

LKAS性能中，TTLC起到优化驾驶车辆的舒适性及其安全性能关键参数。相应行程车辆计划行驶道路宽度为可预知的变量，车辆横向速度为不可预知的变量，结合式（1）及式（2）。参考车辆计划行驶的车道宽度，设置LKAS的触发阈值，能起到兼顾车辆安全性及舒适的途径。

3.3 分析模型建立

模型分析道路宽度参数，参考《路线设计规范》JTG D20-2017，下限设置为3.0m，上限选用3.75m。车辆直线行驶能力，参考某主流车企的规范，在平坦、硬实、干燥的清洁道路上以80Km/h行驶100m，跑偏不大于一米。车辆尺寸参考某车型参数，车辆宽度1.861m，车辆长度4.986m，轴距2.870m，前轮距1.6m，车轮规格215/55/R17。

车辆从车道中间跑出车道的时间如式（3）所示。

D= （3）

式（3）中W车为车辆宽度。

根据案例车型尺寸、车辆直线行驶的能力及其道路宽度范围进行模拟分析，车道宽度与驾驶员分神的时间容量曲线如图4所示。

根据参考车型参数、车辆跑偏的控制水平及拟定参考路况，通过模拟分析数据图4形体现，以80Km/h车速直线在车道中心行驶的车辆，车辆直线行驶能力在本文参考的跑偏量下，从驾驶员分神不对车辆进行横向控制，车辆保持原车速行驶的工况下，车辆跑出车道的时间变量为2.56秒到2.25秒区间。LKAS的激活阀值TTLC设置峰值时，能提高车辆的安全系数，在弯道频繁的路况及其驾驶员精神充沛的情况下，设置的最小车道宽度的TTLC值，确保一定安全系数的情况下，降低车道保持激活频率，提高驾驶舒适性能。

4 实车性能测试

试验根据某车型进行实车测试，测试路况为高架快速道路。同一路段往、回行程分别两种LKAS模式。车辆行驶的测试过程中，驾驶员不对车辆进行横向控制，只做防止车辆失效接管准备，车辆的横向控制接近以LKAS控制，模拟驾驶员分神的驾驶状态下进行数据采集，车辆的测试及信号采集如5所示。

LKAS触发信息采集如图6所示，弱辅助模式下LKAS阈值打开23次、激活工作累计时间211秒、占总时间48.3%，强辅助模式下LKAS阈值打开6次、激活工作累计时间381秒、占总时间91.5%。LKAS阀值相应的辅助临线如图7所示。

经过实车试验及信号采集数据进行分析，通过调整LKAS的临线为激活阀值，可以达到车辆控制靠近车道中间行驶或降低LKAS对驾驶员干扰效果。

5 结语

通过数据模型分析，并经某车型实测测试数据体现，基于LKAS阈值合理的设计及推荐辅助模式，能提高车辆的驾驶性能，此总结分析的优化方法，能为后续分析提供实例基础。

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