車道維持輔助開發技術介紹

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車道維持輔助開發技術介紹

2017 / 06 / 15

車輛中心研究發展處古昆隴

車道維持系統的主要發展目的是車輛在行駛過程中，若車輛在非駕駛意圖下產生偏離出車道的行為，車道維持系統會主動介入轉向控制，協助駕駛者將車輛平穩地駛回到車道內，在車輛回到車道內且車頭方向朝向車道前進方向時，車道維持系統就會解除轉向輔助修正力矩，並平順地將轉向控制權回歸給駕駛者。在輔助的過程中，駕駛者擁有最高控制權，隨時可以介入轉向，解除車道維持系統的功能。

車道維持系統的組成架構可區分為三個模組，分別為車道偵測模組(Lane detection module)、電動輔助轉向控制系統模組(Electric power steering system)以及車道維持系統控制決策模組，其整合後之控制架構如圖1，以下分別說明。

圖 1. 整體車道維持系統的系統架構

車道偵測模組
車道偵測模組提供車道維持系統所需之車道資訊，透過安裝在前擋風窗中心、後照鏡下的攝影機擷取道路的影像，經由影像處理辨識車道線，並經由曲線擬合得到車道線模型，此車道模型是透過二階以上的多項式來表示。藉由車道偵測模型所提供的車道多項式模型可以用來計算前視距離下的側向位移，並透過對縱向距離的一次微分和二次微分可以得到車輛與車道線之間的方位角度以及道路曲率。這些車道資訊會用在兩個部分，第一個部分是在計算車道偏離時間(Time to Lane Crossing, TTLC)，另一個部分是用在軌跡修正時轉向角度的命令計算。

電動輔助轉向控制系統模組
電動輔助轉向系統接收車道維持系統決策控制模組所提供的轉向修正命令，並透過馬達電流控制來實現轉向輔助修正力矩，且當駕駛操作力矩超過設定的除能門檻值，電動輔助轉向系統會將轉向控制權回歸駕駛者。

車道維持系統決策控制模組
車道維持系統決策控制模組可區分為兩大塊，分別為決策單元與控制單元，決策單元決定車道維持系統介入與退出之時機，控制單元決定轉向輔助修正命令，以以下針對兩單元進行說明與介紹。
1.決策-介入和退出時機
車道維持系統中一個重要部分是決定介入轉向的時機點，其中一個核心指標就是計算車輛偏離車道時間(Time To Lane Crossing, TTLC)，亦即預測車輛於當下位置到跨越車道線所花費的時間。在此系統中，車道偏離時間是由車道線的多項式和預測的車輛軌跡之間交越點的時間計算而得，而預測的車輛軌跡可由車身動態感測的訊號，譬如車輛加速度和偏航角速度，並搭配車輛動態模型進行計算而得。一旦車道偏離時間小於設定啟動門檻值時，系統就會介入轉向系統。而當車輛在車道內，車輛方位角度小於設定門檻值，且車道偏離時間不小於啟動門檻職等條件時，控制系統就不再介入轉向。其設定的門檻值會影響系統介入的程度，如果設定的不洽當，可能導致駕駛者認為介入過多，導致干擾駕駛。另外，一般系統還會加入其他除能條件，例如:
a.    駕駛者對方向盤的扭力超過設定的除能門檻時，系統就不會介入轉向，使得駕駛者對轉向有最大控制權。
b.    當駕駛者打入方向燈訊號時，代表駕駛要進行車道變換。
c.    當車道線偵測的資訊失效時，代表給予系統的控制器的車道線資訊為無效的資訊。

2.側向控制器
當系統判斷要介入轉向時，控制器計算軌跡修正的轉角命令，其修正的轉角命令是兩個部分組成，一個部分是回授控制，另一個是前饋控制。回授控制是以預視時間下預測的車輛側向位移和方位角度相對於車道中心線的資訊進行回授補償。前饋控制的部分是由車道資訊的曲率計算轉向角度。另外根據ISO 11270的規範，有限制操作的側向加速度和急跳度(jerk)，其中急跳度為加速度的微分，因此計算出的轉角命令會根據規範的操作條件限制其最大的轉向角度和轉向角速率，此部分主要考量到車輛在執行轉向輔助修正過程之駕駛與乘客的乘適性。最後其轉向命令再輸入給電動輔助轉向系統(Electric Power Steering System)，內部馬達控制器就會追隨其相對應角度命令，完成轉向輔助修正的動作。

車道維持系統測試驗證
目前車道維持系統已有國際規範可參考，其參考規範為ISO11270，其對於車道維持系統之驗證情境已有一規劃好之測試情境與方法。目前車輛中心(ARTC)亦是參考ISO11270來進行車道維持系統之功能驗證，使用ARTC建立的即時運算的駕駛模擬平台進行MiL/HiL演算法驗證，測試道路的最大的曲率半徑設定為800 m，從直線變化到最大的曲率半徑前的彎道其隨距離變化的曲率變化率不超過 4 x 10-5 1/m2。

圖2及圖3為驗證車道維持系統之駕駛模擬平台架構，此平台的優點是在開發初期中可快速檢驗演算法的有效性並進行調整，並且可藉由軟體的設定彈性地調整所需要測試的條件。在此駕駛平台中主要有Opal-RT、安裝PreScan和CarSim的電腦以及駕駛模擬的方向盤、排檔及踏板組成，其中Opal-RT是用以實現即時車輛動態模型，軟體PreScan負責建場景建立和模擬感測器的使用，軟體CarSim是建有車輛動態的數學模型。當在模擬平台驗證演算法後，演算法就會搭載到實車上，調整系統的控制參數和介入/退出條件。