基于电动助力转向的车道保持系统_张海林

关键词： 车道保持； 协调控制； 仿真； 硬件在环实验； 电动助力转向
Lane Keeping System Based on Electric Power Steering System
Zhang Hailin，Luo Yugong，Jiang Qingyun ＆ Li Keqiang
Tsinghua University，State Key Lab of Automotive Safety and Energy，Beijing 100084
整车质量 横摆惯量 轮距 质心至前轴距离 质心至后轴距离 前轮转动惯量 后轮转动惯量 车轮半径
图6
驾驶员模型示意图
f（ t） 为预期的轨迹中 图 6 中 xoy 为固定坐标系， T 为预瞄时间， y（ t） 为车辆当前坐标。 心线方程， 为跟踪 f（ t） ， 最优的转向盘转角为 2 i ·L · f（ t + T） － y （ t） － T· y （ t） ］ δ= 2 ［ d
因此在设计控制策略时必须考虑驾驶员的操作行 为。通过综合判断跨道时间与驾驶员操作行为， 决 定 EPS 是工作在常规助力模式下， 还是响应来自车 道保持控制器的命令， 实现协调控制。 基于上述思想， 本文中建立了基于 EPS 的车道 如图 1 所示。 虚线框内是车 保持系统的总体结构， 道保持控制系统。路面环境信息和驾驶员信息输入 经过计算后得到车辆的状态参数。 结 给整车模型， 通过综合驾 合之前的路面信息和驾驶员输入信息， 驶员行为和跨道时间来判断车辆是否有发生车道偏 离的危险。如果有发生车道偏离的危险， 通过侧向 驾驶员模 型 计 算 得 到 转 角 命 令， 再 通 过 PID 得 到 PWM 信号， 由助力电机执行， 产生相应的前轮转角， 使车辆维持在车道线之间； 如果没有发生车道偏离 EPS 系统工作在常规助力模式下。 的危险，
［6 － 7 ］ ［5 ］ · x ·
（ 1）
图4
仿真系统框图
模型综合驾驶员操作与跨道时间信息， 决定 EPS 工 作在常规助力模式还是车道保持模式 。 若系统处于 车道保持模式， 侧向驾驶员模型计算得到目标转向 输入给 EPS 模型， 完成整个控制过程。 盘转角， 3. 1 车辆模型 选取车辆纵向、 侧向、 横摆和 4 个车轮转动总共 7 个自由度， 建立 7 自由度整车模型。 整车模型如图 5 所示， 参数列于表 1 。
。 模型示意图见
图5
7 自由度整车模型示意图
表1
参数 m Jz d a b JF JＲ r 含义
7 自由度整车模型参数含义
参数 vx vy ωz ω11 ， ω12 ， ω21 ， ω22 δ F x11 ， F x12 ， F x21 ， F x22 F y11 ， F y12 ， F y21 ， F y22 T D11 ， T D12 T B11 ， T B12 ， T B21 ， T B22 含义 x 方向速度 y 方向速度 横摆角速度 车轮角速度 前轮转角 轮胎纵向力 轮胎侧向力 车轮驱动力矩 车轮制动力矩
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汽
车
工
程
2013 年（ 第 35 卷） 第 6 期
7 自由度整车模型微分方程为 m（ v － vy ωz ） = ∑ Fx = （ Fx11 + Fx12 ） cosδ － （ Fy11 + Fy12 ） sinδ + Fx21 + Fx22 · · m（ vy + vx ωz ） = ∑ Fy = （ Fx11 + Fx12 ） sinδ + （ Fy11 + Fy12 ） cosδ + Fy21 + Fy22 · J ω = M =［ （ Fx12 － Fx11 ） cosδ + （ Fy11 － Z z ∑ z d d Fy12 ） sinδ］ + （ Fx22 － Fx21 ） + 2 2 ［ （ Fy11 + Fy12 ） cosδ + （ Fx11 + Fx12 ） sinδ］ · a － （ Fy21 + Fy22 ） b · JF ω11 = ∑ My11 = TD11 － TB11 － Fx11 r · JF ω12 = ∑ My12 = TD12 － TB12 － Fx12 r · JＲ ω21 = ∑ My21 = － TB21 － Fx21 r · JＲ ω22 = ∑ My22 = － TB22 － Fx22 r 3. 2 轮胎模型 采用魔术轮胎模型 ， 其一般公式为 y（ x） = Dsin｛ C arctan［ B（ x + S h ） （ 1 － E） + E arctan（ B （ x + S h ） ） ］ ｝ + Sv （ 2） 式中： D 为峰值因子； C 为形状因子； B 为刚度因子； E 为曲率因子； S h 为横向补偿量； S v 为纵向补偿量； y（ x） 代表纵向力、 侧向力或回正力矩。 3. 3 侧向驾驶员模型 采用单点预瞄驾驶员模型 图 6。
（ 3）
式中： δ 为最优转向盘转角； i 为转向系传动比； L 为 轴距； d 为预瞄距离。 在车道保持控制过程中， 若发生车道偏离， 给定
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张海林， 等： 基于电动助力转向的车道保持系统
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车道中心线及相关参数， 通过上述侧向驾驶员模型 可以计算得到目标转向盘转角， 根据目标转向盘转 通过 PID 控制器后得 角与实际转向盘转角的差值， 到 PWM 信 号， 由 助 力 电 机 执 行， 完成车道保持过 程。 3. 4 EPS 系统模型［8 － 9］ EPS 系 转向管柱助力式 EPS 结构如图 7 所示， 统模型参数均标注于图 7 中， 参数含义列于表 2 。
［1］
前言
。 车道保持系统的功能在于能够使
规助力功能， 不存在协调控制问题。 针对上述协调控制问题， 提出一种综合考虑跨 道时间
［1 ］
车辆 维 持 在 正 确 的 车 道 上 ， 保证驾驶员的行车
与驾驶员操作行为判断的车道保持协调控
制方法。该方法结合了跨道时间计算与驾驶员操作 状态判断方法。在此基础上， 搭建了车道保持模型、 7 自由度整车模型和 EPS 模型， 魔术轮胎模型、 并进 行仿真。随后在 EPS 实验台上进行车道保持协调控 制硬件在环实验。 仿真及硬件在环实验结果表明， 所设计的车道保持协调控制方法能够通过判断驾驶 决定 EPS 是实现常规助力转向 员行为和车辆状态， 还是响应来自车道保持控制器的命令， 实现二者协 调控制， 确保行车安全。
［ Abstract］ For integrating electric power steering system and lane keeping system，a lane keeping coordinated control method combining time to lane cross and driver's operating behavior judgment is proposed． On the basis of theoretical analysis， lane keeping system model， Magic Formula tire model， 7DOF vehicle model and EPS model are built． Both simulation and hardwareintheloop experiment are conducted． The results show that the lane keeping coordinated control method proposed can solve the coordination issue between conventional EPS component and lane keeping executive component，and keep the vehicle within the lane，ensuring the driving safety of vehicle． Keywords： lane keeping； coordinated control； simulation； hardwareintheloop experiment； EPS 保持系统， 但均未涉及 EPS 作为常规助力转向部件 4］ 中 与车道保持执行部件之间的协调问题。 文献［ 为车道保持系统单独设计了转向机构， 该机构无常 据统计 ， 近 40% 的 致 命 交 通 事 故 是 由 于 车 道 偏离造成的 安全 。 电动助力转向 （ electric power steering，EPS ） 系 基于 EPS 的 统具有节能和结构简单等一系列优点， 车道保持系统能够实现 EPS 系统的结构共用， 降低 车道保持系统设计成本。 EPS 既是常规 在基于 EPS 的车道保持系统中， 助力转向部件， 又是车道保持执行部件。 二者之间 的协调控制是研究的关键。 2］ 3］ 文献［ 和文献［ 中研究了基于 EPS 的车道
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汽 车 工 程 Automotive Engineering
2013 （ Vol． 35 ） No． 6
2013100
基于电动助力转向的车道保持系统
张海林， 罗禹贡， 江青云， 李克强
( 清华大学， 汽车安全与节能国家重点实验室， 北京 100084 )
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［ 摘要］ 为集成电动助力转向系统与车道保持系统， 提出了一种结合跨道时间与驾驶员操作行为判断的车道 7 自由度整车模型和 EPS 模型， 保持协调控制方法。在理论分析的基础上搭建了车道保持模型 、 魔术轮胎模型、 并 进行仿真和硬件在环实验 。结果表明， 所设计的车道保持协调控制方法能解决 EPS 部件与车道保持执行部件之间 的协调问题， 将车辆维持在两车道线之间， 保证车辆的行驶安全性 。