选题背景及意义

在工业4.0的时代，中国实施了“中国制造2025”战略，力求在通过三步走的行动纲领使中国跻身于世界制造强国前列。而汽车行业正是我们国家制造业的中流砥柱，在各国都致力于向智能化发展的潮流中，汽车的智能化显然已经成为了发展的主要方向。而在该战略的引领下，汽车行业将获得更大的发展空间和更多的进步机会。

在车辆工程中人工智能化的应用越来越普及，比如智能控温，自动泊车等，这些高新技术都是今后汽车行业发展的重中之重。车道保持控制系统也是智能化汽车的核心技术，系统会提供偏离车道的警告，当驾驶员并未察觉偏离车道时，系统会发出预警提示驾驶员或者自动干预行驶路线。车道保持控制系统的稳定性和敏捷性是保证车辆行驶安全的重要因素。据统计，在美国的交通事故中，大约有45%的交通事故是由于车辆偏离车道引起的，根据调查研究可知在仅仅只是安装车道偏离辅助系统的情况下，就能降低20%-50%这类事故的发生。这表明，车道保持控制系统使汽车能够有效的降低交通事故的发生率，特别是因为驾驶员操作行为不当或者反映迟钝而导致的偏离车道的事故发生率。

研究目的

本文将对车道保持控制的方法和算法进行研究，并对现有的车道保持控制的算法和策略进行仿真验证，比较和总结当前的车道保持控制系统的本质算法。本文将利用MATLAB/SIMULINK建立车道保持控制系统的动力学模型和仿真验证，设计完善车道保持控制系统。

国内外研究现状

国内对于车道保持控制的研究相较于国外起步的晚，但是仍然有较大的研究成果。清华大学的汽车安全与节能国家重点实验室提出了一种结合跨道时间与驾驶员操作行为判断的车道保持协调控制方法，将电动助力转向系统（EPS）与车道保持系统结合。在此基础上，搭建了车道保持模型、魔术轮胎模型、7自由度整车模型和EPS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^[3]。合肥工业大学对于车道保持性能提出了一种新的策略，基于Takagi-Sugeno的车道保持协调控制方法，基于远、近视角建立驾驶员模型，利用纵向速度的非线性变化，建立闭环模型^[1]。而一汽-大众在车道保持控制辅助系统中也有建树，其品牌生产的奥迪A6L有一套独特的纵向和横向导向驾驶员辅助系统，其中横向导向辅助系统主要包括车道保持系统和换道保持系统，而主动式车道保持系统的核心是各控制单位和系统的联网，车内后视镜上有一个单目摄像头，可以探测到多线条，实现了能对驾驶员发出警告和通过方向盘调节转向力矩^[2]来保持车道的两大功能。南阳市道路运输管理局则从驾驶员模型的角度入手研究来提高车道保持系统的控制精度，引入郭孔辉以“预瞄－跟随”理论为基础的最优预瞄加速度驾驶员模型^[5]，利用驾驶模拟器试验数据和快速傅里叶方法(FFT)研究双移线道路下的主要转向频率，并搭建SIMULINK/CarSim联合仿真模型以验证改进前后驾驶员模型的双移线路径跟踪精度^[4]。

而国外对于车道保持控制研究的时间要比国内长。2001年，日产汽车Nissan首次引入LKAS（Lane Keeping Assistance System)，随后欧洲陆续在汽车上安装了车道保持控制系统。欧洲的研究项目PReVENT提出了SAFELANE系统，开发出一种除了拥有触觉，声学和光学的人机界面因素的被动LKS(Lane Keeping System)，还具有主动的转向车道的动能的系统^[13]。意大利的Dr.Vito Cerone等 提出了车道保持控制的二自由度（2-DOF）的闭环控制策略^[9]，而不是使用开关来达到控制的策略，在自动控制过程中，实现车辆的重心会跟随行驶车道的中心。韩国的学者提出了一种基于AFS和BTV综合控制策略的车道保持辅助系统(LKA)^[10]，较大程度的解决了现有LKA系统对方向盘辅助扭矩的输出值的限制，是车道保持控制系统的适合范围更加广泛。而另一组韩国学者则提出了分层车道保持辅助控制算法，该策略由一个高级控制器，上级控制器和下级控制器组成^[12]，将算法分为两个阶段，第一阶段是确定所需的动力来防止车辆偏移，第二阶段是确定引导车辆进入车道边界所需的动力；最后通过CarSim、MATLAB/SIMULINK和驾驶员模型进行了仿真模拟。美国的学者发明了一种适用于智能车辆的车道保持系统，该系统包括了摄像头，惯性测量单元和控制器^[11]，通过惯性测量单位的补偿和修正向量来引导车辆的行驶。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容

总结国内外对车道保持控制的研究状况、方向和重点，研究车道保持控制系统的原理和基本内容，包括驾驶员意图分析，车道偏离判断和车道偏离对驾驶员的预警和车道保持系统的主动干预等。确定本文基本的算法策略，建立基本的车道保持控制系统的动力学模型设置自由度以进行分析计算，利用MATLAB/SIMULINK/Carsim对本文的研究算法进行仿真验证。