車輛自適應巡航控制算法的設(shè)計與仿真＊

黃 珍 吳浩然 庫 峰 徐小強

（武漢理工大學自動化學院 武漢 430033）

0 引 言

車輛自適應巡航控制系統(tǒng)（adaptive cruise control，ACC）是智能交通系統(tǒng)（ITS）領(lǐng)域中先進車輛控制及安全系統(tǒng)（AVCSS）開發(fā)的一個重要方面.ACC是在傳統(tǒng)巡航控制技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此既具有傳統(tǒng)巡航控制的定速巡航能力，同時可通過雷達等車載傳感器采集信息，自動調(diào)整車輛行駛速度，保持本車與前行車輛的安全間距，從而降低駕駛員操作量、減輕駕駛疲勞，提高車輛的主動安全性及駕駛舒適性.

國內(nèi)外對ACC 系統(tǒng)的研究主要集中在車載傳感器技術(shù)、信息融合技術(shù)以及控制策略選取等軟硬件技術(shù)上.其中如何選取控制策略是實現(xiàn)ACC 系統(tǒng)功能的關(guān)鍵技術(shù).目前，國內(nèi)外車輛ACC的典型控制算法主要有分工況控制和分層控制兩種.分工況控制算法將控制工況分為驅(qū)動控制與制動控制［1］、速度控制與距離控制［2］，或分為定速與跟車［3］等多種工況分別進行控制.分層控制，即上層控制器依據(jù)傳感器采集到的車距和相對速度，以及駕駛員設(shè)定的車輛時距和巡航速度來決定車輛的縱向加速度.下層控制器依據(jù)上層控制器計算出的車輛期望加速度對剎車和油門進行控制，從而使車輛保持設(shè)定車速或車距.

其中，分工況控制一般針對不同的控制工況采用特定的控制模型，當多個工況間相互切換時，控制狀態(tài)變量存在間斷不連續(xù)等問題，影響了控制效果.分層控制不存在工況間的切換，避免了這個問題.但是，分層控制算法在實際運用上也存在困難.首先，現(xiàn)有的大部分傳感器（如激光雷達、微波雷達、毫米波雷達等）只能測量相對距離和前、自車速度，而無法直接測得加速度.因此，前、自車加速度只能通過間接方法（如速度值對時間求微分）求得，這樣不僅引入了額外的計算誤差，某些情況下（如速度曲線在某一點不可微）系統(tǒng)甚至會出現(xiàn)不可預知的錯誤.其次，現(xiàn)有的上層控制器所采用的算法如線性最優(yōu)控制［4］、線性二次型最優(yōu)控制（LQ）、時間能量最小最優(yōu)控制（TEM）以及LQ 和TEM 的混合算法［5］等，這些算法普遍較復雜，系統(tǒng)運算量較大，對系統(tǒng)運算能力需求較高，因此增加了技術(shù)難度和成本.

針對上述問題，筆者在分層控制的基礎(chǔ)上，提出了一種根據(jù)當前車距以及前、自車車速，基于安全、舒適因素綜合因素決策車輛期望速度，從而控制車輛的車距和車速的ACC 控制算法.該算法將傳統(tǒng)ACC控制系統(tǒng)中求取期望加速度改為決策期望車速，有效減少了系統(tǒng)運算量，提高了系統(tǒng)響應速度.

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

作者構(gòu)建的ACC 控制系統(tǒng)以車輛直線行駛為主，考慮到尊重駕駛員的駕駛習慣以及安全因素，系統(tǒng)將不控制車輛主動變換行駛車道.

將車輛運行狀態(tài)分為2種工作模式：

1）定速巡航模式 當前方無車或車距大于設(shè)定值時，系統(tǒng)工作在該模式，系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)定的目標車速定速行駛.

2）安全跟車模式 當與前方車輛的車距小于等于設(shè)定值時，系統(tǒng)進入跟車模式.車輛首先調(diào)整車速使車距達到設(shè)定值.若前車車速大于用戶設(shè)定的巡航車速，則進入定速巡航模式；若前車車速小于等于用戶設(shè)定的巡航車速，則車輛保持與前車相同的車速行駛，使車距穩(wěn)定在設(shè)定值.

車速控制器共有5個輸入?yún)⒘?，包?個傳感器采集量（前／自車車速、當前車距）和兩個用戶設(shè)定值（目標巡航車速、目標車距）.控制器的輸出為節(jié)氣門開度和剎車力矩.

按照分層控制的思想，將控制器分解為2層.（1）上層控制器輸入量為：前車車速、當前車距、目標巡航車速、目標車距，輸出為自車期望車速.（2）下層控制器根據(jù)上層算法提供的期望車速和當前的自車車速，輸出節(jié)氣門開度和剎車力矩值，從而控制車速.控制器結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1 車速自適應控制器結(jié)構(gòu)示意圖

2 控制器細化設(shè)計

2.1 上層控制器設(shè)計

上層控制器首先根據(jù)傳感器采集信息和用戶設(shè)定值判斷當前工作模式，輸出為車輛當前的期望車速.若為定速巡航模式，則直接輸出用戶設(shè)定巡航車速作為當前期望車速；若為跟車模式，則需通過車距控制算法計算出當前期望車速.

目前國內(nèi)外的車距控制算法有線性最優(yōu)控制、LQ＆TEM、神經(jīng)網(wǎng)絡控制［6］以及滑模控制［7］等，這些算法結(jié)構(gòu)較復雜，計算量大，具體實現(xiàn)難度較大.因此，這里探尋出一種更為簡單的車距控制算法.

因為要保持車距不變，所以在車距穩(wěn)定時，自車與前車車速必然相等.因此，可以前車車速為依據(jù)，使自車車速以某種規(guī)律趨近于前車車速.綜合考慮安全、駕駛舒適性等因素，建立理想車速規(guī)律表.

設(shè)當前實際車距為d，目標車距為ddes，前車車速為vq，設(shè)定巡航車速為vs，自車車速為v，當前期望車速為vdes，車距模塊輸出期望車速為vcj.

計算車距誤差Δd，即

將Δd 的取值范圍分成n 個區(qū)間（L1，L2，L3，…，Ln），每個區(qū)間對應一個系數(shù)k值，當前時刻的期望車速.即

系數(shù)k＝（k1，k2，k3，…，kn）的取值規(guī)律是隨著Δd 的由負到正k 先由一個0到1之間的值逐漸增大到1，再逐漸增大.取值舉例見表1.

表1 系數(shù)k、區(qū)間L、Δd與vcj的關(guān)系表

而上層控制器的輸出vdes則由vcj與vs比較后的較小值決定，即

2.2 下層控制器設(shè)計

下層控制器相當于一個定速巡航控制器，即控制器與被控車輛形成閉環(huán)，使車輛按照期望車速行駛.

下層控制器根據(jù)加速和減速兩種情況，將節(jié)氣門控制和剎車控制獨立設(shè)計，通過切換邏輯使它們分別作用于車輛.

2.2.1 節(jié)氣門控制

節(jié)氣門控制采用PID 算法，考慮到不同期望車速之間的平穩(wěn)切換，可采用增量式PID 控制，如式（4）和（5）所示.

式中：Δu（kT）為第k次采樣時刻控制器輸出值的增量；Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù)；vdes（kT）為當前期望車速；v（kT）為自車第k次采樣時刻的實際車速；T 為采樣周期.

2.2.2 剎車控制

根據(jù)ACC控制原理，ACC 控制器在剎車方面主要有以下2個特點：（1）為了保證乘坐的舒適性，并且系統(tǒng)不會產(chǎn)生讓駕駛員感到驚奇的行為，汽車的剎車減速度應小于2.5 m／s2；（2）要求剎車控制算法簡單、精度高，且響應迅速.

基于以上特點，本系統(tǒng)將制動力矩作為剎車控制的輸出值，在已知實際車輛每個車輪制動壓力和制動力矩轉(zhuǎn)換系數(shù)的前提下，可以方便地將系統(tǒng)的輸出值轉(zhuǎn)換為制動力，由車輛的ABS 和EBD 系統(tǒng)分配給每個車輪.

根據(jù)剎車前實際車速與期望車速的差值Δv，系統(tǒng)將制動力矩分檔輸出，剎車力矩的每一檔對應Δv的一段取值區(qū)間，Δv 越大，對應的制動力矩越大.同時，保證最大制動力矩對應的剎車減速度應小于2.5m／s2.如遇到緊急情況需要更大制動力矩時，系統(tǒng)發(fā)出警報提醒駕駛員介入剎車.分檔剎車效果如圖2所示.

圖2 分檔剎車效果圖

2.2.3 節(jié)氣門、剎車控制的切換

在實際車輛控制中，油門和剎車是分時作用的，當節(jié)氣門開度非最小值時制動力矩應為0，而當制動力矩不為0時，節(jié)氣門開度應為最小值.因此，控制好它們之間的切換尤為重要.

本系統(tǒng)將當前期望車速vdes乘以一個大于1的系數(shù)p，再與自車車速v求差值，以此作為節(jié)氣門、剎車控制的切換規(guī)則，如表2.

表2 節(jié)氣門、剎車控制的切換規(guī)則

3 仿真實驗及結(jié)果分析

本算法在MATLAB－R2009a環(huán)境下建立了仿真模型，整個系統(tǒng)通過Matlab／Simulink實現(xiàn)，包括四速自動檔車輛縱向動力學模型、控制器模型和傳感器信號模型等.車輛縱向動力學模型根據(jù)文獻［8］提供的方法，以一款1.5L，72kW 自動檔轎車為藍本構(gòu)建，其中發(fā)動機模型、液力耦合器模型及車輛驅(qū)動系模型利用Matlab／Simulink框圖實現(xiàn)，自動變速器模型利用Matlab／Stateflow 實現(xiàn).仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3.

圖3 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為了驗證控制器的控制效果，設(shè)置了三種前、自車行駛情景進行模擬仿真.

用戶設(shè)定值：所有情景中，自車定速巡航速度始終設(shè)定為120km／h，目標車距始終設(shè)定為80m.

仿真情景1 前車勻速.

在0～40s時前方無車，本車行駛在定速巡航模式，巡航車速為120km／h.在40s時，前方60m 處發(fā)現(xiàn)速度為100km／h的前車，本車進入跟車模式.仿真結(jié)果見圖4、圖5.

仿真情景2 前車變速（不大于巡航目標車速）.

在0～40s時前方無車，本車行駛在定速巡航模式，巡航車速為120km／h.在40s時，前方60m 處發(fā)現(xiàn)速度為100km／h的前車，本車進入跟車模式.在80s時，前車加速到110km／h，在180s時，前車減速到90km／h.仿真結(jié)果見圖6、圖7.

圖4 情景1時車距變化曲線

圖5 情景1時前方車輛與本車速度變化曲線

圖6 情景2時車距變化曲線

圖7 情景2時前方車輛與本車速度變化曲線

仿真情景3：前車變速（有時高于巡航目標車速）

在0～40s時前方無車，本車行駛在定速巡航模式，巡航車速為120km／h.在40s時，前方60m 處發(fā)現(xiàn)速度為100km／h的前車，本車進入跟車模式.在80s時，前車加速到130km／h，此時前車車速大于設(shè)定的巡航速度且車距不小于設(shè)定車距，本車進入定速巡航模式.在120s時，前車減速到90km／h，此時車距大于設(shè)定值，本車仍然定速巡航，當車距縮小到設(shè)定值附近時，本車進入跟車模式.仿真結(jié)果見圖8、圖9.

圖8 情景3時車距變化曲線

圖9 情景3時前方車輛與本車速度變化曲線

從以上仿真結(jié)果可以看出，本車能較快跟隨前車，車距控制效果穩(wěn)定，調(diào)整時間短，速度響應曲線能很好地滿足控制的需要.

三種情景下，定速模式車速控制穩(wěn)態(tài)誤差在0.02km／h以內(nèi)，超調(diào)量小于0.6%；跟車模式車距穩(wěn)態(tài)誤差在0.15 m 以內(nèi)，超調(diào)量小于1.8%.自動剎車的最大減速度控制在2.5m／s2以內(nèi)，根據(jù)研究，該減速度能很好地保證乘坐的舒適性.

4 結(jié) 論

在車速跟蹤及PID 控制的基礎(chǔ)上建立了車輛ACC分層控制算法.多種工況的仿真結(jié)果表明，該算法以較小的數(shù)據(jù)量和計算量獲得了較好的響應速度和控制精度，有效地實現(xiàn)了車輛ACC系統(tǒng)的控制目標.本系統(tǒng)在加、減速度上還綜合考慮了乘客的舒適度.

下一步研究工作中，將從人性化決策以及節(jié)能的角度進一步優(yōu)化算法，建立功能更加全面的智能車輛自適應巡航控制系統(tǒng).

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