汽车车道保持辅助系统关键技术的国内外研究现状

引言
截至2016年底，我国机动车保有量达2.9亿辆，其中汽车1.94亿辆；机动车驾驶人3.6亿人，其中汽车驾驶人超过3.1亿人。

可见，中国已经成为名副其实的汽车大国。

随着我国经济的持续快速发展，汽车保有量仍然呈快速增长趋势。

图1为近6年我国私家汽车保有量统计数据。

汽车的高速增长导致交通压力不断增大，繁重的驾驶任务导致交通事故层出不穷。

虽然引发事故的原因众多，包括车辆故障、交通拥堵和驾驶员操作失误等。

但是，由于驾驶员分神、疲劳、误操作等自身原因引起的交通事故占总量的绝大部分[1]。

根据欧洲的一项调研表明，接近40%的致命交通事故都是由于汽车驾驶员在行车过程中无意识地偏离了正确的行车道。

而根据我国交通部的统计数据，约有50%的道路交通事故是因为汽车偏离了正确的行车道[2]。

由此可见，车道保持系统（Lane Keeping System, LKS）作为汽车的主动安全装置之一，其在汽车安全领域所起的作用越来越重要。

1车道保持系统概述
随着高新技术在汽车产业中的不断应用，汽车变得越来越智能化。

汽车车道保持系统的主要功能是，当汽车在行驶过程中偏离车道时，系统首先会向驾驶人员发出预警信号。

如果在一段时间内驾驶员没有做出相应反应，汽车没有回到正常车道行驶的趋势，车道保持辅助系统就会通过电子控制单元向车辆的转向执行器发出相应的转向命令，以纠正车辆的行驶状态，使汽车回到正确的车道上行驶，从而保证行车安全。

汽车车道保持辅助系统是安全辅助驾驶（Safety Driving Assist，简称SDA）的重要组成部分。

它运用高像素摄像头传感器收集车辆行驶方向的光学数据，采用一定的图像处理技术，识别出当前路面的车道线。

当车辆因为驾驶员疲劳或无意中即将越过车道线时，系统会主动干预转向并产生报警信号。

汽车车道保持辅助系统的工作原理图，如图2所示。

从图2可知整个系统的构成，包括收集图像信息的摄像头、带振动提醒功能的多功能方向盘、含报警器及特定提示灯的组合仪表盘、集成电控助力转向系统控制单元的转向电机和车道保持辅助系统控制单元。

鉴于车道保持辅助系统是为了防止汽车行驶中因驾驶员人为因素造成汽车偏离正常行进车道，故它应当具有以下几个主要功能：①通过传感技术对行车道路上的车道线进行识别，并将其投射到显示屏上；②汽车是否因驾驶员人为因素造成偏离车道的判定机制；③汽车偏离行驶的车道时，预警并主动转向。

研究的主要关键技术包括车道线识别、车道偏离预警和主动转向干预等。

汽车车道保持辅助系统关键技术的国内外
研究现状
龙亚王宝军马林才吴志军洪顺利
（浙江交通职业技术学院，杭州311112）
摘要：本文研究车道保持辅助系统，并综述车道线识别、车道偏离预警与主动转向干预等关键技术的国内外研究现状，为进一步研究和开发相关系统奠定了基础。

关键词：车道保持车道线识别车道偏离预警主动转
图1近6年我国私家汽车保有量统计数据
图2汽车车道保持辅助系统工作原理图
设计与研究
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基金项目：浙江省科技计划项目“基于嵌入式摄像识别技术的汽车车道保持辅助系统的关键技术研究”（2015C31056）。

2017第5期总第246期
现代制造技术与装
备
2车道线识别
车道线识别是指通过在车辆上安装摄像机和其他传感器一类的装置，使汽车通过机器视觉对前方车道线进行识别，让汽车和人一样有着敏锐的“眼睛”。

对车道线的识别是车道保持辅助系统中最核心的部分，
识别质量的好坏直接影响整个系统的响应精度。

如图3所示，对于一般的车道线，整个识别过程分为5步：图像预处理、感兴趣区域设定、车道线边缘检测、消失点检测和特征点拟合成线。

国外对于车道保持系统研究较早，
在车道线识别上形成了较多成熟的研究成果。

例如，
（1）由荷兰Mobileye 公司研制的Mobileye_AWS 系统。

该系统通过采用动态摄像技术和图像处理技术来实现其主要功能：a.车道线识别及偏离预警；b.前碰撞预警；c.车距的监控和预警。

美国卡内基梅隆大学的AURORA 系统。

（2）该系统利用安装在车顶的单目彩色摄像机，采集汽车行驶的车道图像信息，并将获取的图像信号发送到车载的SunSparc 工作站中进行处理，达到车道线识别的目的。

（3）由美国Iteris 公司和德国戴姆勒-克莱斯勒公司共同研发的AutoVue 系统。

该系统在以往的车道线识别系统上增加了警报装置，并能通过配置的电子控制单元控制车辆回到正常车道内行驶。

虽然我国汽车工业起步较晚，智能车尚无成熟产品，但随着国内技术经济的发展，
已有不少人员开展了车道线识别研究。

2007年，国防科技大学与一汽车集团基于红旗轿车研发了无人驾驶汽车。

该车在车前端不仅安装了摄像机，还配备了雷达装置，可以在自动检测道路的同时规避行驶障碍物[3]。

吉林大学研究的DLUIV 无人车作为视觉导航车辆，利用模糊控制器控制车辆识别车道线，并采用遗传算法智能优化模糊控制器[4]。

上海交通大学从20世纪初开始研究智能车，近几年也有新的突破。

谢一峰在其硕士论文中提出，在原有系统上利用形态学对车道线进行实时检测算法，以提高系统的抗干扰能力，扩大使用范围[5]。

3车道偏离预警
车道偏离预警系统（Lane Departure Warning System ，LDWS ）是在车道线识别的基础上同时获取车辆速度、转向状态等车辆动态参数，并基于一定的决策算法判定车辆是否偏离车道行驶。

当系统判定车辆偏离车道行驶时，通过报警、干预等方法提醒驾驶员当前的行车状态，促使车辆回到正确的行车道上行驶，
以减少交通事故的发生。

汽车的行驶状态可简单描绘为如图4所示。

当预测的行驶方向与理想行车轨迹重合或两线夹角α小于1°时，
即界定汽车行驶未发生偏离；当预测的行驶方向与理想行车轨迹不重合且两线夹角α大于1°时，即界定汽车已偏离车道行驶。

目前，根据传感器的安装方式不同，车道偏离预警系统可以分为前视识别系统和俯视识别系统两大类。

俯视
系统中，Aurora 系统比较具代表性。

该系统利用车载俯视相机对车道线进行识别，结构较简单，效率、精度高，较适用于结构化道路，但其可移植性较差。

相比而言，利用前视系统的装置较多，有ALPH 系统、AutoVue 系统、AWSTM 系统、DSS 系统等。

这些系统对于非结构化道路也能较好地捕捉道路信息，运用前景较好，但抗干扰性较差，容易因外界因素干扰出现误警和空警等现象。

我国在车道偏离预警系统上的研究尚不深入，尚未建立完整的车道偏离警报理论和实验系统。

但是，清华大学、吉林大学、江苏大学等科研机构已经对车道偏离相关系统进行了研究，并取得了一些研究成果。

清华大学的THMR 系列智能车，通过前向视觉装置获取车道线信息，判断车辆在道路中的位置，同时根据ECU 获得的车辆运动状态参数，计算车辆偏离车道的时间，再与设定的阈值比较，决定是否发出偏离预警。

吉林大学的毕雁冰博士提出了基于车辆速度与行驶方向综合控制的稳态预瞄假说及最优预瞄加速度模型。

该方法能够实现车道左右两侧边缘特征点的实时快速检测，能较为准确地分析出车道偏离的实际情况，并做出预警[6]。

江苏大学秦洪懋博士从驾驶员的驾驶行为分析入手，研究了驾驶人、车辆与道路环境三者之间在车辆行驶时的内在逻辑关系，
在传统结构上引入人的因素，建立了基于驾驶行为的车道偏离预警系统[7]。

4主动转向干预
车道保持辅助系统在采集行车前方车道状况图像信息的同时，也不断实时地采集汽车行驶速度、方向盘转角、横摆角速度、转向灯等行车状态信息。

通过对汽车接下来的行驶方向进行预测，判断是否要进行转向干预。

主动转向干预系统是车道保持辅助系统的执行机构，
在车道线识别与车道偏离预警的基础上，
通过主动转向干预实现车道保持的目的。

目前，国内外较为先进的动力转向系统主要是电控液力转向系统和电动助力转向系统。

国外学者在此基础上进一步研究了主动转向的实现机构和控制机理，而国内对主动转向的研究尚处于起步阶段。

图3
车道线识别
过程
图4汽车行驶状态判定
（下转第111页）
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引言
最适合作涡旋真空泵驱动电机的，
是具有调速性能优越、运行平稳等优点的无刷直流电动机[1]。

然而，当前市场上无刷直流电动机的换向器多被位置传感器代替，整体上造成了电机成本的增加、控制系统的复杂。

如何简化无刷直流电动机的控制系统，减小其转矩波动，提高其运行稳定性，是目前无刷直流电动机研究的热点[2]。

基于此，本文研究设计了涡旋真空泵用电机。

1无刷直流电动机的基本设计
本文电动机工作技术指标：额定功率为100W ；额定转矩为0.25N ·M ；额定转速为4000r/min ；额定电压为24V ；转矩波动为＜10%；额定效率为≥82%。

本文设计了两种电动机方案。

方案一以粘结型钕铁硼BTP-10做永磁体材料的电机，方案二以高性能铁氧体Y30BH 做永磁体材料的电机，并通过后续实验对比分析两种方案的利弊。

方案一和方案二下的定子槽数均为12、铁芯外径为42mm 、内径为24mm 。

方案一的定子铁芯长度为80mm ，而方案二为95mm 。

方案一和方案二下的转子外径均为23mm 、内径均为5mm ，永磁体磁极对数均为4，极弧系数均为0.78。

方案一的转子永磁体长度为85mm ，厚度为2mm ，剩磁为0.65T ，而方案二下分别为100mm 、3mm 、0.39T 。

2电动机仿真建模
把上述设计结果输入有限元分析软件Ansoft 中的Rmxprt 模块[3]，得到两方案下无刷直流电动机的仿真模型，并由仿真软件能得出不同方案下的电动机耗材量，结合材料参考价格，可以估算出电机成本。

结果显示，虽然方案一所得电机体积比方案二小18%，但其成本却比方案二高15%。

3无刷直流电动机电磁仿真分析
把在Rmxprt 模块中建立的电机仿真模型导入2D 模型后，对电机带载启动以及电机稳定运行的情况进行仿真分析。

分析所得两种方案下电机带载启动的启动特性，可知方案一电机的动态响应快，启动转矩最大可达3.4N ·m ，经12ms 后电机进入平稳运行状态，此时电机速度维持在4005r/min 上；方案二电机动态响应稍慢，启动转矩最大可达1.69N ·m ，经60ms 后电机才能进入平稳运行状态，
此时电机速度维持在3990r/min 上。

电机平稳运行时，两种方案下电机均换相平稳，绕组中的电流数值几乎等同，电机性能满足涡旋真空泵对动力源的需求。

此外，
方案一的电磁转矩波动较大，为22.2%；方案二的电磁转矩波动稍小一些，为11.3%，稳态运行性相对好一些。

综上可知，电机带负载启动时，方案一电机动态响应优于方案二；电机在平稳状态下运行时，方案二转矩波动较小，稳态运行性稍好，优于方案一电机，但其值仍高于预设值10%，需采取措施对两种方案电机进行转矩波动抑制。

4无刷直流电动机转矩波动抑制
采用无槽结构电机来抑制无刷直流电机的齿槽转矩是最理想的措施。

分析两仿真电机在额定转速下平稳运行时得到的电磁转矩曲线可知，
采用无齿槽结构电机后，两种方案电机的转矩波动都得到了有效抑制，符合预先设定要求，但无槽电机生产工艺相对繁琐，且为了产生足够的磁场，需使用较多的永磁体材料，无形中增加了电机成本。

分析两种设计方案下电机槽口放置铁钴钒磁性槽楔后的齿槽转矩，由仿真结果数据可知，放置铁钴钒磁性槽楔后，方案一电机齿槽转矩波动由原来的22.2%下降为10.7%，但仍高于设定值10%，此法不适用于方案一电机；方案二电机齿槽转矩波动由原来的11.3%变化为7.9%，符合涡旋真空泵对驱动电机的要求，具有较好的稳态运行性能。

对比上述仿真分析结果可知，
采用定子无齿槽结构是方案一电机降低转矩波动的最佳措施，
而采用槽口放置铁钴钒磁性槽楔是方案二电机降低转矩波动的最佳措施。

综合比较两种电机方案，本文最终选用方案二（铁氧体永磁体材料）电机为涡旋真空泵提供动力源。

5无刷直流电动机的控制电路仿真实验
本文共设计了两种控制方式：一种是有位置传感器，另一种是无位置传感器。

分析在两种控制方式下分别实验测取的电机调速特性曲线可知，
当无刷直流电动机在额定电压下以额定转速运行时，通过改变电动机电枢两端所加直流电源的电压，能够达到使电机转速改变的目的。

涡旋真空泵用驱动电机研究
马红雷
（永城职业学院，
永城476600）摘要：本文利用场路结合法，研究设计了涡旋真空泵驱动电机，并实验仿真分析了控制方式的效果，验证
了本文设计的涡旋真空泵用驱动电机方案的可行性。

它满足转矩波动低、成本少、节能环保、工作性能稳定的使用要求，在真空泵使用领域有一定的参考应用价值。

关键词：无刷直流电动机驱动电机涡旋真空泵
Ansoft 软件
设计与研究
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