基于CarSim的車輛自適應(yīng)巡航仿真與試驗研究

李徑亮，夏湯忠，陸志成，劉昭度

（1.神龍汽車有限公司技術(shù)中心，武漢 430056；2.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081）

車輛自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng) （Adaptive Cruise Control system，下簡稱ACC）是一種被廣泛研究且具有廣闊前景的車輛主動安全裝置。一般認為ACC是一種增強駕乘舒適性的電控裝置，其原理是利用激光/毫米波雷達、攝像頭等傳感器對相同車道內(nèi)前方目標進行檢測，通過電控系統(tǒng)自主地對發(fā)動機及制動系統(tǒng)的聯(lián)合控制實現(xiàn)安全車距保持功能［1，2］。ACC有助于緩解駕駛員的駕駛疲勞感，現(xiàn)已經(jīng)越來越多被應(yīng)用于國內(nèi)外中高檔轎車上。

在ACC系統(tǒng)開發(fā)過程中，涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：①車輛狀態(tài)測量（輪速、質(zhì)心加速度、橫擺角速度等）；②目標檢測與跟蹤（基于雷達或攝像頭的目標檢測與跟蹤）；③ACC核心控制算法的開發(fā)；④發(fā)動機、制動系統(tǒng)的通訊與控制等。利用CAE軟件輔助開發(fā)與設(shè)計能顯著提高ACC裝置開發(fā)效率，尤其在ACC核心控制算法開發(fā)過程中，CAE軟件輔助開發(fā)具有結(jié)果直觀、開發(fā)周期短、成本低廉等顯著優(yōu)勢。

CarSim是一種專業(yè)的車輛動力學仿真軟件，能準確模擬車輛對駕駛員操作行為、空氣動力學以及路面激勵的響應(yīng)。在車輛操縱穩(wěn)定性、平順性、燃料經(jīng)濟性、動力性等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用［3］。其優(yōu)勢體現(xiàn)在能方便的模擬各種復(fù)雜路面幾何形式及峰值附著特性、模擬復(fù)雜的駕駛員操作行為和試驗工況、通過簡單的系統(tǒng)定義輸出復(fù)雜的多剛體機械結(jié)構(gòu)動力學模型等。其強大的可擴展性及豐富的接口使其能方便的與 Matlab/Simulink、dSpace、Labview 等軟件進行聯(lián)合仿真，用于各種高級功能開發(fā)，尤其在車輛電控系統(tǒng)的開發(fā)模擬方面具有顯著優(yōu)勢。同時CarSim軟件存在一定局限性，主要體現(xiàn)在：某些部件具有顯著幾何非線性特性及材料非線性特性，需要借FEM方法進行剛?cè)狁詈嫌嬎悴拍塬@得較理想的計算值，CarSim在處理此類部件上顯得手段較單一。

結(jié)合現(xiàn)有條件，擬采用CarSim與Simulink聯(lián)合仿真的方式進行ACC控制器開發(fā)，并將成功開發(fā)的ACC控制器移植到試驗樣車，以完成原理樣機的試驗。其具體開發(fā)流程可以描述為：

（1）在CarSim和Simulink環(huán)境下進行基于試驗的參數(shù)化建模，并完成試驗對標；

（2）在CarSim與Simulink的集成環(huán)境下進行ACC控制器開發(fā)調(diào)試；

（3）將ACC控制器移植到樣車嵌入式電控系統(tǒng)，并完成實車試驗。

1 基于CarSim和Simulink的建模與試驗對標

為了保持CarSim的模型特性與物理樣車的一致性，在建模過程中需盡可能準確的模擬物理樣車各部件的特性，試驗樣車主要參數(shù)見表1、表2。在CarSim中能便捷地按車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)建立模型，同時也能在模板中建立車輛發(fā)動機、變速箱、轉(zhuǎn)向器等特性；對于CarSim沒有專門定義的部件則需要在Simulink中定義，如節(jié)氣門開度特性、制動輪缸電磁閥特性等［2］。

表1 試驗樣車主要參數(shù)

試驗樣車在CarSim中建立的發(fā)動機特性曲線及動力因數(shù)曲線見圖1、圖2。

表2 試驗樣車變速箱及主減速器傳動比

將已經(jīng)建立好的模型與試驗進行對標?？紤]到ACC工作主要涉及直線加速、滑行、減速等工況，分別利用上述工況的試驗數(shù)據(jù)與相同工況下的仿真數(shù)據(jù)進行比對，結(jié)果見圖3～圖6。

圖3～圖6中仿真與實車試驗的結(jié)果對比表明，在加速、制動以及滑行狀態(tài)下，CarSim模型均能較精確的反映試驗樣車的性能，符合ACC控制器開發(fā)要求。

2 ACC控制策略及控制器開發(fā)

當主車道內(nèi)存在目標車輛時，ACC車輛通過傳感器檢測前方主車道目標的車距與相對車速，并依據(jù)自身車速計算出安全車距［4］。ACC車輛通過控制發(fā)動機節(jié)氣門開度與主動調(diào)節(jié)制動輪缸壓力實現(xiàn)對車速的調(diào)節(jié)。本文選取的車輛安全車距為：

式中：ddes為安全車距，m；Vtar為目標車輛縱向速度，m/s；Tset為駕駛員設(shè)定的時間，s；d0為距離變量，m，一般依路面類型選取。

以ddes作為車距控制目標設(shè)計ACC控制器。實際車距與安全車距偏差如式（2）所示：

式中：ed為實際車距與安全車距偏差，m；dreal為實際車距，m；其它參數(shù)意義同上。

定義實際車距與安全車距偏差變化率為：

車輛ACC控制器結(jié)構(gòu)見圖7。

考慮到控制程序的可移植性，采取模糊控制策略作為 ACC控制手段［5］（見圖 8）：以實際車距與安全車距的偏差ed以及偏差變化率作為輸入，并確定車距偏差ed論域為［-30 m，30 m］，車距偏差變化率論域為［-15 m/s，15 m/s］。以車輛期望加速度作為模糊輸出，且期望加速度區(qū)間為論域為［-0.6 m/s2，0.6 m/s2］。

利用控制器得到的期望加速度數(shù)據(jù)，進行發(fā)動機節(jié)氣門控制或制動系統(tǒng)主動壓力調(diào)節(jié)控制，其方法可以簡述為：當期望加速度高于某一閾值時，采取控制節(jié)氣門開度的方式進行速度調(diào)控；當期望加速度處于某兩閾值之間時，通過使發(fā)動機保持怠速開度進行控制；當期望加速度低于某一閾值時，保持發(fā)動機怠速開度，同時對制動系統(tǒng)進行主動壓力調(diào)節(jié)，使制動器輪缸內(nèi)產(chǎn)生一定壓力，以實現(xiàn)減速控制［2～6］。

3 ACC控制仿真結(jié)果及初步實車試驗結(jié)果

利用上一節(jié)開發(fā)的ACC控制器進行CarSim/Simulink聯(lián)合仿真，仿真工況描述如下：ACC車輛以90 km/h的初始速度在良好附著平直路面行駛，雷達檢測到主車道正前方60 m處存在車速約80 km/h的目標車輛。在CarSim中設(shè)置目標車輛為4×2后驅(qū)GT車，其發(fā)動機功率300 kW。由于初始車距大于安全車距，且ACC車輛速度略高于目標車輛速度，控制器調(diào)節(jié)發(fā)動機節(jié)氣門首先使實際車距與安全車距接近，同時使ACC車輛車速與目標車輛車速一致。此后車輛進入穩(wěn)定的ACC控制，保持相對車距在安全車距附近，同時保持ACC車輛車速與目標車速基本相同。圖9與圖10對比結(jié)果顯示，ACC仿真控制器控制效果良好。

將ACC模糊控制器移植入自主研發(fā)的ACC電控系統(tǒng)并進行ACC實車試驗，初步試驗結(jié)果如圖11與圖12所示。試驗中利用Delphi ESR毫米波雷達檢測目標車輛與ACC主車的相對速度、相對距離及方位角，并依據(jù)自主開發(fā)的目標識別及跟蹤算法對目標車輛實施跟蹤［2］。ACC控制器根據(jù)實測計算得到的相對距離變化率及相對速度變化率利用從仿真控制器中移植得到的控制算法進行期望加速度計算，并利用電子節(jié)氣門開度控制和制動輪缸主動建壓及壓力調(diào)節(jié)技術(shù)分別實現(xiàn)車輛的加速及減速控制。

實車試驗結(jié)果表明：

（1）ACC車輛能準確檢測并跟蹤車道內(nèi)目標；

（2）ACC車輛能依據(jù)目標車輛運動變化自主地實現(xiàn)車速調(diào)節(jié)并保持安全車距；

（3）現(xiàn)有算法并不完善，在目標車輛出現(xiàn)急加速或急減速時控制器存在一定程度的滯后與超調(diào)，需要進一步完善。

4 結(jié)論

本文利用CarSim/Simulink聯(lián)合仿真的方法建立了某試驗樣車的車輛動力學仿真模型并通過試驗對標驗證了模型與樣車的一致性；基于仿真模型在聯(lián)合仿真環(huán)境下設(shè)計并開發(fā)了ACC控制器并進行了車輛自適應(yīng)巡航仿真試驗；將仿真控制器移植到自主研發(fā)的車輛ACC電控系統(tǒng)并進行實車試驗并實現(xiàn)了基本功能。

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