基于前馈+反馈控制策略的车道保持辅助系统仿真分析

摘要：随着汽车智能化技术的不断发展，车道保持辅助系统（LKA）已经成为现代汽车上必不可少的安全辅助功能之一。本文利用Matlab/Simulink软件平台，搭建车道保持辅助系统仿真模型，在仿真的初始时刻，模拟驾驶员的误操作，给系统添加一个5°的前轮转角输入让车辆发生偏航，然后LKA系统介入。通过前馈+反馈的控制策略，使汽车保持在道路中心行驶。最后通过仿真结果分析验证了该控制策略的有效性和稳定性。

关键词：车道保持辅助系统，前馈+反馈控制，偏航控制，Matlab/Simulink

1.引言

在现代汽车的发展历程中，安全一直是人们最为关注的问题之一。车道偏离是道路交通事故的主要原因之一，因此车道保持辅助系统（LKA）作为一项重要的安全辅助功能，已经被广泛应用于现代汽车上。车道保持辅助系统通过对车辆轨迹进行监测和控制，能够帮助驾驶员更好地掌控车辆行驶轨迹，避免车辆偏离车道和发生碰撞事故，从而提高驾驶安全性和舒适性。

本文旨在探讨车道保持辅助系统的前馈+反馈控制策略在偏航控制中的应用。首先，本文将介绍车道保持辅助系统的基本工作原理和控制策略。其次，我们将利用Matlab/Simulink软件平台，建立车辆动力学模型和LKA控制模型，仿真分析偏航控制过程，并对控制策略进行优化。最后，我们将通过仿真结果验证控制策略的有效性和稳定性。

2.车道保持辅助系统的基本工作原理

车道保持辅助系统是一种基于电子技术的汽车驾驶辅助系统。它通过摄像头、雷达和传感器等装置对车辆行驶道路和车道进行监测，当车辆偏离车道时，系统会自动控制车辆方向盘，使车辆保持在车道中心线上。车道保持辅助系统的基本工作流程如下：

1）车道检测：车道保持辅助系统通过前置摄像头对车辆前方的车道线进行监测，识别车道线的位置和类型，判断车辆当前是否偏离车道。

2）车道保持：当车辆偏离车道时，车道保持辅助系统会自动控制车辆方向盘，使车辆回归车道中心线。

3）自适应速度控制：车道保持辅助系统可以根据路况和车辆的实际情况，自动调节车辆的行驶速度，保证行驶的安全和舒适。

4）警告提示：车道保持辅助系统可以通过声音、震动或者显示器等方式对驾驶员进行警告提示，提醒驾驶员注意安全。

3.前馈+反馈控制策略

车道保持辅助系统的控制策略主要分为前馈控制和反馈控制两种方式。前馈控制主要利用车辆运动学和动力学模型，预测车辆在未来的行驶轨迹，根据预测结果提前控制车辆方向盘，以使车辆保持在车道中心线上。反馈控制则是根据车辆当前的实际状态和车道偏离的程度，对车辆进行实时控制，使车辆回归车道中心线。

前馈+反馈控制策略则是将前馈和反馈控制结合起来，既考虑了车辆运动学和动力学模型的预测能力，也考虑了车辆当前的实际状态和偏离程度，能够更加精准地控制车辆行驶轨迹。

4.仿真分析

在本文中，我们将利用Matlab/Simulink软件平台，建立车辆动力学模型和LKA控制模型，进行仿真分析。具体步骤如下：

1）建立车辆动力学模型：根据车辆的动力学特性和控制要求，建立车辆动力学模型，包括车辆运动学方程、车辆动力学方程和车辆轮胎模型等。

2）建立LKA控制模型：根据前馈+反馈控制策略，建立LKA控制模型，包括前馈控制器和反馈控制器两个部分。

3）模拟误操作：为了体现LKA的控制效果，在仿真的初始时刻模拟驾驶员的误操作，给系统添加一个5°的前轮转角输入让车辆发生偏航，车辆逐渐偏离车道中心线。

4）进行仿真分析：在仿真过程中，我们将车辆模型和LKA控制模型进行耦合，模拟车辆偏离车道中心线后LKA系统的控制效果。在模拟过程中，我们将模拟驾驶员的误操作，给系统添加一个5°的前轮转角输入让车辆发生偏航，车辆逐渐偏离车道中心线。当LKA系统介入后，控制器会根据车辆当前的实际状态和车道偏离的程度，对车辆进行实时控制，使车辆回归车道中心线。在仿真过程中，我们可以观察到车辆偏航时的轨迹和LKA系统控制后的轨迹，并对控制效果进行分析。

5）对控制策略进行优化：在仿真过程中，我们可以通过对前馈和反馈控制器的参数进行优化，进一步提高LKA系统的控制效果和稳定性。优化后的控制器将会更加精准地控制车辆的行驶轨迹，保证车辆行驶的安全和舒适性。

5.仿真结果分析

在仿真分析中，我们可以通过仿真结果来验证前馈+反馈控制策略的有效性和稳定性。以下是仿真结果分析的主要内容：

1）偏航时的轨迹：当车辆发生偏航时，车辆将逐渐偏离车道中心线，偏航的角度越大，车辆的偏离程度也越明显。在仿真结果中，我们可以观察到车辆偏航时的轨迹，并通过对轨迹进行分析，判断车辆的偏航程度。

2）LKA系统控制后的轨迹：当LKA系统介入后，控制器会根据车辆当前的实际状态和车道偏离的程度，对车辆进行实时控制，使车辆回归车道中心线。在仿真结果中，我们可以观察到LKA系统控制后的轨迹，并通过对轨迹进行分析，判断LKA系统的控制效果。

3）控制策略的优化：在仿真过程中，我们可以通过对前馈和反馈控制器的参数进行优化，进一步提高LKA系统的控制效果和稳定性。通过优化控制器参数，我们可以使LKA系统更加精准地控制车辆的行驶轨迹，保证车辆行驶的安全和舒适性。

通过对仿真结果的分析，我们可以发现，前馈+反馈控制策略在偏航控制中具有很好的控制效果和稳定性。通过控制器的前馈预测和反馈控制，可以有效地控制车辆行驶轨迹，使车辆始终保持在车道中心线上，从而保证驾驶的安全性和舒适性。

6.结论

车道保持辅助系统是一种基于电子技术的汽车驾驶辅助系统，能够有效地提高驾驶安全性和舒适性。本文通过对前馈+反馈控制策略的研究，提出了一种更加精准的偏航控制方案。通过利用Matlab/Simulink软件平台，建立了车辆动力学模型和LKA控制模型，进行了仿真分析，并验证了该控制策略的有效性和稳定性。通过对控制器参数的优化，进一步提高了LKA系统的控制效果和稳定性。

随着汽车智能化技术的不断发展，车道保持辅助系统将会越来越成熟和普及，成为现代汽车上必不可少的安全辅助功能之一。未来，我们还将继续研究和优化车道保持辅助系统的控制策略，提高驾驶安全性和舒适性，为汽车智能化技术的发展贡献我们的力量。