LKA车道保持辅助系统决策控制算法详解
LKA车道保持辅助系统决策控制算法详解
LKA（Lane Keeping Assist）车道保持辅助系统是智能驾驶中的重要功能之一，它通过监测车辆与车道线的相对位置，帮助车辆保持在原车道内行驶。本文详细介绍了LKA系统的决策控制算法，包括总体设计、信号交互、状态机设计、决策控制策略以及建模与代码生成等关键环节，为自动驾驶技术的研究和开发提供了有价值的参考。
一、总体设计
LKA控制策略整体架构由五个核心功能模块组成：
- 车辆和车道线数据处理器：负责处理来自传感器的车道线数据
- LKA设备状态决策器：判断LKA系统的工作状态
- 前馈控制器：基于预测信息进行控制
- 反馈控制器：根据实际偏差进行调整
- 方向盘转角速度决策器：计算所需的方向盘转角速度
二、信号交互的数据流
ADAS控制器中的LKA功能需要与整车各控制器及视觉传感器进行数据交互，具体数据流如下图所示：
三、状态机设计
LKA功能具有四个主要状态：
- 关闭（Off）：系统未启用
- 待机（Standby）：系统准备就绪但未激活
- 故障（Fault）：系统检测到异常
- 工作（Active）：系统正常运行
各状态之间的切换逻辑如下图所示：
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。视觉系统输出的车道标线信息包括：
- 横向偏移量
- 航向角误差
- 车道曲率及其导数
- 车道检测质量
- 车道标线类型
为了保持系统的稳定性，需要仿照驾驶员的预瞄特性进行预瞄。假设汽车在未来一段时间做定横摆角速度的稳态运动，可以通过几何关系计算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，其位置与车辆的速度、道路曲率和预瞄时间有关。预瞄距离的计算需要考虑以下因素：
- 当纵向车速一定时，预瞄距离随道路曲率增大而减小
- 当道路曲率一定时，预瞄距离随车速增大而增大
预瞄时间调节系数的计算公式如下：
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。
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，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。前馈方向盘转角的计算公式为：
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
反馈控制器采用离散式PD控制方法，分为横向偏差反馈控制器和航向角反馈控制器。横向偏差PD控制器的计算公式为：
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
目标方向盘转角的计算公式为：
θ_t=K_fθf+Kb1θb1+Kb2θb2+Kb3θb3
其中，K_f为前馈方向盘转角系数，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。输入主要包括摄像头信号、底盘信号及HMI信号，输出为目标转角信号。