详细说明

LKA车道保持辅助决策控制算法

LKA决策控制功能能够实时监测车辆与车道线的相对位置，是使车辆保持在原车道内行驶的舒适性驾驶辅助系统。

测试道路模拟

LKA控制策略整体架构由车辆和车道线数据处理器、LKA设备状态决策器、前馈控制器、反馈控制器和方向盘转角速度决策器五大功能模块组成。

二、信号交互的数据流

ADAS控制器中LKA功能与整车各控制器及视觉传感器之间交互的数据流如图。

LKA功能分为关闭（Off）、待机（Standby）、故障（Fault）、工作（Active）4个状态，各个状态之间的切换逻辑参见下图：

四、LKA决策控制策略

1.轨迹预测模块设计

为了实现车道保持，首先需要通过解析图像传感器发出车道线公式的参数获得目标路径。

视觉系统输出涉及到的每个车道标线的详细信息，包括横向偏移量、航向角误差、车道曲率及其导数、车道检测质量和车道标线类型等。

为了保持车道保持系统的稳定性，需要仿照驾驶员的预瞄特性进行预瞄，记预瞄时间为T_p，p点为车辆在坐标位置c时的预瞄点，也就是车辆经过T_p时间的目标位置，Q点是车辆经过T_p时间后车辆实际所在的位置。

恒定横摆角速度假设下的汽车轨迹预测

上图中XOY坐标系为大地坐标系，车辆在大地坐标系中的位置记为c，坐标为（Xc，Yc）。车辆的转向瞬心为o’，沿x轴的加速度假设为0。

假设汽车在未来一段时间做定横摆角速度的稳态运动，根据自车当前位置、预瞄点位置及预瞄点侧向偏差等之间的几何关系，可以计算得到当前时刻下车辆的理想横摆角速度。

2.预瞄点的选取

预瞄点是车辆在经过控制后达到期望路径上的一个目标点，与车辆的速度、道路曲率和预瞄时间有关。理想的状态下车辆从当前其位置到预瞄点行驶过的距离被称为预瞄距离。

预瞄距离、车辆速度、道路曲率对横向控制的性能都会产生影响，需要根据道路曲率及纵向车速的变化来自适应调节预瞄距离，使车辆横向控制性能达到最优。当纵向车速一定时，预瞄距离随道路曲率增大而减小以提高路径跟踪性能；当道路曲率一定时，预瞄距离随车速增大而增大以减小车身侧向加速度。

预瞄时间调节系数

结合上节通过预瞄时间确定预瞄距离，对预瞄时间乘以一个和纵向车速和道路曲率相关的系数，使得随着车速的增加，预瞄距离不断增大，但增大的幅度有所减小；随着道路曲率的增加，预瞄距离逐渐减小，但减小的幅度逐渐减小。

3.控制器模块设计

控制器模块依据功能信息、环境信息和状态信息进行LKA工作状态与模式的判断，决策出当前条件下的最优目标方向盘转角值和最优方向盘转角速度值。

LKA控制框图

4.前馈控制器设计

考虑到车辆在转弯时会有一定的方向盘转角，为了使设计的控制器在弯道情况下依然有效，将弯道情况看作系统扰动项，通过输入当前道路曲率信息，设计前馈控制器消除弯道对控制效果的影响。

当车道中心线曲率已知时，在该曲率下需要的方向盘转角前馈值可以由下式计算：

θ_f=L×1/R×i

其中，θ_f为前馈方向盘转角，单位rad，L为车辆轴距，1/R为道路曲率，i为转向比。

5.反馈控制器设计

反馈控制器分为横向偏差反馈控制器和航向角反馈控制器。考虑到PD控制器适应性强，鲁棒性强并且对于具有大滞后环节的被控对象有较好的控制效果，反馈控制器采用离散式PD控制方法。

对于横向偏差PD控制器，输入信息为车辆当前位置与车道中心线位置偏差e_y (k)，每个决策周期获取到的方向盘转角反馈值如下式：

θ_b1=K_p1*e_y (k)+K_d1 [e_y (k)-e_y (k-1)]

6.目标方向盘转角计算

目标方向盘转角包含了前馈方向盘转角以及横向偏差反馈方向盘转角和航向角盘反馈方向盘转角，通过下式计算：

θ_t=K_fθf+Kb1θb1+Kb2θb2+Kb3θb3

其中，K_f为前馈方向盘转角系数，由于车辆在速度较大的情况下，具有转向不足的特性，因此，需要调节适当的K_f参数，以满足在车速较快情况下的通过弯道的控制需求。K_b1为横向偏差反馈值在方向盘转角反馈值中所占比例，K_b2为航向角反馈值在方向盘转角反馈值中所占比例，K_b3为横摆角速度反馈值在方向盘转角反馈值中所占比例。

五、LKA建模与代码生成

LKA功能建模使用matlab/simulink环境，模型结构分为数据处理模块，状态机模块以及控制模块。输入分别为摄像头信号，底盘信号及HMI信号，输出为目标转角信号。