汽車ACC系統(tǒng)縱向控制六模式切換策略仿真研究＊

王 楠 劉衛(wèi)國 張君媛 童寶鋒

（1.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長春 130022；2.浙江省汽車安全技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310000）

0 引言

汽車自適應(yīng)巡航（ACC）系統(tǒng)具有定速巡航、跟隨前車、緊急制動(dòng)等功能，在應(yīng)用時(shí)要根據(jù)不同的行駛工況對(duì)車輛進(jìn)行不同的控制，而模式劃分是實(shí)現(xiàn)不同控制的1種方法。合理的控制模式劃分方法與切換策略對(duì)ACC 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)具有重要作用。

目前國內(nèi)、外大多數(shù)ACC 系統(tǒng)根據(jù)行駛工況將系統(tǒng)劃分成3～4個(gè)工作模式，再針對(duì)每個(gè)模式設(shè)計(jì)相應(yīng)的ACC算法［1－5］。意大利都靈大學(xué)的Canale等［6］將自動(dòng)跟車過程分為啟步、巡航、跟隨和停車4個(gè)階段，對(duì)駕駛員每個(gè)階段特性進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的ACC 算法。隨著汽車主動(dòng)安全和駕乘舒適要求的提高，同時(shí)考慮到四模式的ACC系統(tǒng)模式之間過渡不平順，影響乘員舒適性，并且復(fù)雜工況下四模式ACC 系統(tǒng)適應(yīng)性下降問題，北京理工大學(xué)的裴曉飛等［7］提出了1種多模式ACC 系統(tǒng)，將ACC 控制模式分為定速巡航、穩(wěn)態(tài)跟隨、接近前車、強(qiáng)加速、強(qiáng)減速和避撞等6種模式，并對(duì)六模式ACC系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果表明，其模式之間過渡的平順性、車輛的動(dòng)態(tài)跟蹤特性以及系統(tǒng)的適應(yīng)性較四模式ACC系統(tǒng)均有了較大的提高。

但是，現(xiàn)有的六模式ACC 系統(tǒng)仍然無法在前車切入等復(fù)雜工況下進(jìn)行合理的模式切換。為了增強(qiáng)六模式ACC 系統(tǒng)在復(fù)雜工況下的適應(yīng)性，筆者通過理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)汽車縱向安全控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，選取兩車相對(duì)速度、相對(duì)距離和本車速度作為模式劃分的基本參數(shù)，提出了1種新的六模式ACC系統(tǒng)的模式劃分方法，并對(duì)各個(gè)模式的加速度算法進(jìn)行研究，制定各個(gè)模式的控制策略。最后通過仿真試驗(yàn)對(duì)所設(shè)計(jì)的六模式ACC系統(tǒng)的劃分方法及控制算法的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 六模式ACC系統(tǒng)劃分方法研究

1.1 模式劃分方法

參照文獻(xiàn)［7］，筆者也將車輛縱向行駛工況定性地劃分成6類。為實(shí)現(xiàn)各工況的合理控制，需對(duì)每1種工況設(shè)計(jì)相應(yīng)的ACC 控制模式。模式劃分參數(shù)的選用對(duì)模式劃分方法的合理性具有重要的影響。目前普遍采用的用來表征車間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的參數(shù)包括：本車速度、前車速度、2 車相對(duì)速度、2車相對(duì)距離、跟車時(shí)距和避撞時(shí)間。一般來說，選用的參數(shù)太少不足以表示2車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，選用的參數(shù)過多或算法較復(fù)雜均會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行時(shí)間過長。因此，筆者選取本車速度、2車相對(duì)速度和2車相對(duì)距離等3個(gè)參數(shù)作為基本參數(shù)，提出了如圖1所示的模式劃分方法。

圖1中，Vh為本車速度；Vr為相對(duì)速度（前車速度減去本車速度）；R為2車相對(duì)距離；Rw1，Rw2分別為Vr＞0 和Vr＜0 時(shí)的減速安全距離；Rb1、Rb2分別為Vr＞0和Vr＜0時(shí)的避撞安全距離；Rj為加速安全距離。這里，Rw1，Rw2，Rj，Rb1，Rb2均為本車速度Vh與2車相對(duì)速度Vr的函數(shù)，將其統(tǒng)稱為模式劃分的邊界條件。

圖1 模式劃分示意圖Fig.1 Mode dividing

在筆者的模式劃分方法中，當(dāng)前車超出傳感器有效探測距離時(shí)本車啟用定速巡航模式；當(dāng)前車進(jìn)入傳感器測試范圍時(shí)，根據(jù)2車相對(duì)速度的關(guān)系將行駛工況大致分為2部分：

一部分為Vr＜0（圖1 的左半部分）時(shí)的情況。此時(shí)，若R≥Rw1，且｜Vr｜≥k，則ACC系統(tǒng)切換至接近前車模式，本車進(jìn)行適當(dāng)制動(dòng)以向穩(wěn)態(tài)模式1過渡；若R≥Rw1，且｜Vr｜＜k，則ACC系統(tǒng)切換至穩(wěn)態(tài)跟隨模式（1），本車進(jìn)行油門／制動(dòng)的微調(diào)以穩(wěn)態(tài)跟隨前車；若Rb1＜R＜Rw1，則ACC系統(tǒng)切換至減速模式1，本車進(jìn)行適當(dāng)制動(dòng)；若R≤Rb1，則ACC系統(tǒng)切換至避撞模式1，本車進(jìn)行強(qiáng)制動(dòng)。

另一部分為Vr＞0（圖1的右半部分）時(shí)的情況。此時(shí)，若R≥Rj，則ACC 系統(tǒng)切換至加速模式，本車進(jìn)行適當(dāng)加速；若Rw2≤R＜Rj，則ACC系統(tǒng)切換至穩(wěn)態(tài)跟隨模式2，本車進(jìn)行油門／制動(dòng)的微調(diào)以穩(wěn)態(tài)跟隨前車；若Rb2＜R＜Rw2，則ACC 系統(tǒng)切換至減速模式2，本車進(jìn)行適當(dāng)制動(dòng)；若R≤Rb2，則ACC 系統(tǒng)切換至避撞模式（2），本車進(jìn)行強(qiáng)制動(dòng)。

1.2 模式劃分的邊界條件

ACC系統(tǒng)隨著汽車行駛工況的變化在不同控制模式間進(jìn)行切換［6－7］。本文ACC系統(tǒng)在本車速度與前車速度的大小關(guān)系確定的情況下，模式切換的時(shí)機(jī)取決于1.1 定義的模式劃分邊界條件，各邊界條件（Rw1，Rw2，Rj，Rb1，Rb2）定義如下。

根據(jù)圖1所示的模式劃分方法，當(dāng)2車相對(duì)距離剛好等于減速安全距離Rw1時(shí)，本車處于臨界工況，要保證本車經(jīng)過反應(yīng)時(shí)間t1后以a的減速度制動(dòng)到與前車速度相等后2車相對(duì)距離能夠恰好達(dá)到安全車距Rx。因此，Rw1的定義式為

式中：駕駛員反應(yīng)時(shí)間t1根據(jù)文獻(xiàn)［8］的統(tǒng)計(jì)研究取為1.1s。減速度a根據(jù)汽車行駛工況的統(tǒng)計(jì)結(jié)果［9］取為1m／s2；Rx為高速公路安全距離標(biāo)準(zhǔn)［10］規(guī)定的2車速度相同時(shí)應(yīng)該保持的安全車距，見表1。

表1 高速公路安全距離標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Highway safety standards

將表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到圖2所示的車速－距離分段關(guān)系曲線，由此得到任意車速下Rx的計(jì)算式：當(dāng)Vh＜80km／h，Rx＝1.25Vh；當(dāng)Vh＞80km／h，Rx＝2.5Vh－100。

圖2 高速公路安全距離標(biāo)準(zhǔn)擬合曲線Fig.2 Fitting curve of highway safety standards

由圖1可知，當(dāng)2車相對(duì)距離剛好等于減速安全距離Rb1時(shí)，本車處于避撞模式臨界工況，必須保證，若前車以最大制動(dòng)減速度ap制動(dòng)，本車經(jīng)過反應(yīng)時(shí)間t1后，以最大制動(dòng)減速度ah進(jìn)行制動(dòng)，2車均完全停止后能夠相距R0。因此，Rb1的定義式為

這里，考慮到避撞模式下前車制動(dòng)減速度大于本車制動(dòng)減速度時(shí)所需的制動(dòng)安全距離更大，因此保守起見，取ap＞ah，使得避撞安全距離算法更加安全。文中根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 15622：2002，取2車靜止時(shí)保持的最小距離R0為4m。

在避撞模式（1）下，Vr＜0，且本車制動(dòng)減速度小于前車制動(dòng)減速度，并且本車還有制動(dòng)滯后，所以可以確定前車先停，因此，避撞安全距離Rb1的定義式為式（2）。但是在避撞模式2下，雖然Vr＞0，但是本車有制動(dòng)滯后，所以要判斷哪輛車先停，再確定Rb2的定義式。本車制動(dòng)至完全停止所需要的時(shí)間為th：th＝Vh／ah＋t1。前車制動(dòng)到完全停止所需要的時(shí)間為tp：tp＝（Vh＋Vr）／ap。當(dāng)th＞tp，前車會(huì)先停，此時(shí)Rb2定義式為式（3）；當(dāng)th＜tp，本車會(huì)先停，此時(shí)Rb2定義式為式（4）。

由圖1可知，減速安全距離Rw2為穩(wěn)態(tài)模式2和減速模式2 的劃分邊界條件，即Rw2為Vr＞0時(shí)本車進(jìn)行制動(dòng)的時(shí)機(jī)。根據(jù)前文提到的高速公路安全距離標(biāo)準(zhǔn)［10］可知，即使前車速度比本車速度快，一旦2車相對(duì)距離小于Rx，本車就要進(jìn)行適當(dāng)制動(dòng)，因此本文將Rx作為穩(wěn)態(tài)模式2與減速模式2的臨界條件，得到Rw2的定義式。

經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，當(dāng)前車速度大于本車速度時(shí)，本車要在1個(gè)合理的距離開始加速。如果加速過早，若遇到前車突然制動(dòng)，本車就會(huì)缺少足夠的距離減速，這種情況是十分危險(xiǎn)的；如果加速過晚，2車距離會(huì)逐漸拉大，前車可能超出測試范圍，而無法達(dá)到跟車的目的。筆者經(jīng)過大量仿真實(shí)驗(yàn)，最后確定加速安全距離Rj的經(jīng)驗(yàn)公式

2 六模式ACC系統(tǒng)加速度算法研究

在不同的ACC 控制模式下，下位控制算法大體相似，但上位控制算法有所差異，因此筆者只對(duì)上位控制算法進(jìn)行研究。根據(jù)韓國首爾大學(xué)的Moon等［11］的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，駕駛員行車的縱向加速度98%集中于－2.17～1.77 m／s2，并且減速度達(dá)到－3～－4m／s2時(shí)會(huì)引起人體的不適。筆者將該統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為參考，分別針對(duì)6種模式的加速度算法進(jìn)行研究。

通常，在定速巡航模式下，駕駛員往往希望實(shí)際車速與設(shè)定車速盡可能接近。為此，將該模式下的加速度算法分為2部分：當(dāng)實(shí)際車速小于設(shè)定車速時(shí)，取本車加速度為1 m／s2；當(dāng)實(shí)際車速達(dá)到設(shè)定車速（誤差在±1km／h范圍內(nèi)），本車加速度a的計(jì)算式為

式中：k1為比例系數(shù)，取k1值為1。

如前所述，接近前車模式下2車速度差值較大，且本車比前車速度快，同時(shí)相對(duì)距離R大于減速安全Rw1，因此需要制動(dòng)本車保證安全性。為了符合駕駛員的均勻減速特性［12－13］，最終過渡到穩(wěn)態(tài)跟隨模式，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，加速度a的計(jì)算式為

本文穩(wěn)態(tài)跟隨模式1下，2車車速較接近，但相對(duì)速度小于零，若本車保持當(dāng)前車速不變，相對(duì)距離會(huì)減小，可能減小到小于減速安全距離Rw1，進(jìn)入到減速模式，而無法達(dá)到穩(wěn)態(tài)跟隨前車的目的，因此本車要進(jìn)行微小的制動(dòng)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系得到該模式下加速度a的計(jì)算式為

式中：k2為比例系數(shù)。經(jīng)大量仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)本車處于穩(wěn)態(tài)模式1，式（9）的加速度值在－0.08～－0.12m／s2內(nèi)，變化范圍很小，因此取該模式下加速度a為－0.1m／s2。

本文穩(wěn)態(tài)跟隨模式2下，2車車速較接近，但相對(duì)速度大于零，若本車保持當(dāng)前車速不變，相對(duì)距離會(huì)增大，可能增大到大于加速安全距離，進(jìn)入到加速模式，而無法達(dá)到穩(wěn)態(tài)跟隨前車的目的，因此本車要有1個(gè)微小的加速度，綜合考慮乘員舒適性與駕駛需求后將該模式下本車加速度a取為0.4m／s2。

特別地，當(dāng)本車處于穩(wěn)態(tài)跟隨模式1或穩(wěn)態(tài)跟隨模式2，若此時(shí)2車速度特別接近，本車可能在穩(wěn)態(tài)模式與減速模式之間頻繁切換，而造成加速度較大地波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致油門開度和制動(dòng)壓力不穩(wěn)。為此，將2車速度特別接近時(shí)本車加速度a的計(jì)算式設(shè)定為

式中：k3為比例系數(shù)，通過對(duì)控制模型進(jìn)行大量仿真試驗(yàn)，得出k3取0.02時(shí)較為合理。

在筆者的模式劃分方法中，減速模式1為穩(wěn)態(tài)模式1與避撞模式1的過渡區(qū)，而穩(wěn)態(tài)模式1下本車減速度接近于0、避撞模式1 下本車減速度較大，因此減速模式1的加速度需要覆蓋0～－4 m／s2的范圍。為保證本車在所設(shè)計(jì)的模式之間切換時(shí)的平順性，將圖1中減速模式1部分分成3區(qū)域，如圖3所示，區(qū)域1與2個(gè)穩(wěn)態(tài)區(qū)域相鄰，視為亞穩(wěn)態(tài)區(qū)域；區(qū)域2與亞穩(wěn)態(tài)區(qū)域和接近模式區(qū)域相鄰，視為弱減速區(qū)域；區(qū)域3與弱減速區(qū)域和避撞模式區(qū)域相鄰，視為強(qiáng)減速區(qū)域。然后本文將得到的3 個(gè)區(qū)域進(jìn)一步細(xì)分成8 部分，考慮到各部分工況的危險(xiǎn)程度及均勻減速特性，本文將這8部分的加速度從右至左依次取為：－0.5，－0.75，－1.25，－1.75，－2.25，－2.75，－3.25，－3.75m／s2。由于該模式下的加速度為8個(gè)離散值，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生加速度的波動(dòng)，為了解決這一問題，取當(dāng)前算出的的期望加速度以及在此之前3次算出的期望加速度的均值作為當(dāng)前期望加速度。又由于減速模式2為穩(wěn)態(tài)模式2與避撞模式2的過渡區(qū)，所以對(duì)減速模式2的控制與減速模式1相同，因此取本車在減速模式2下的加速度算法與減速模式1的加速度算法相同。

圖3 減速模式加速度劃分圖Fig.3 Acceleration dividing of deceleration mode

當(dāng)ACC系統(tǒng)處于避撞模式時(shí)，本車行駛工況非常危險(xiǎn)，為確保行車的安全性，本文犧牲乘員舒適性取該模式下本車的加速度為車輛所能達(dá)到的最大制動(dòng)減速度。

在加速模式下，前車車速大于本車車速，同時(shí)兩車相對(duì)距離較大，因此本車可以進(jìn)行適當(dāng)加速。筆者綜合考慮乘員舒適性與駕駛需要等要求，參照汽車行駛工況統(tǒng)計(jì)結(jié)果，取該模式下本車加速度a為1m／s2。

3 仿真驗(yàn)證

筆者將提出的模式劃分方法和控制算法建立相應(yīng)的Simulink 模型?？紤]到PreScan 建立的場景具有可視、快速、方便、易修改等優(yōu)點(diǎn)，筆者采用PreScan建立的仿真場景（見圖4），并將Car－Sim 動(dòng)態(tài)模型與PreScan中的仿真車輛相結(jié)合，對(duì)所提出的ACC系統(tǒng)的模式劃分方法和控制算法在典型工況以及前車切入等復(fù)雜工況下的適應(yīng)性進(jìn)行了驗(yàn)證。所建立的相應(yīng)的Simulink／Prescan／Carsim 聯(lián)合仿真的示意圖見圖5。

考慮到現(xiàn)有ACC 控制算法在前車緊急切入工況下的不合理控制甚至是失效，筆者特別針對(duì)這一復(fù)雜工況進(jìn)行仿真，來驗(yàn)證所提出的控制算法的合理性，具體仿真過程如下。

圖4 PreScan仿真場景圖Fig.4 Simulation scenario in PreScan

圖5 Simulink／Prescan／Carsim 聯(lián)合仿真的示意圖Fig.5 The joint simulation diagram of Simulink／Prescan／Carsim

首先設(shè)定本車定速巡航模式的既定車速為70km／h、傳感器測試范圍為180m。然后設(shè)定車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：前車以54km／h的初速度與本車在同一車道勻速行駛，2車初始距離為150 m。6s后前車以6m／s2的減速度進(jìn)行制動(dòng)，當(dāng)前車車速減至36km／h時(shí)保持勻速行駛。14s時(shí)，位于相鄰車道的第3輛車以36km／h的車速，變換車道插入本車與前車之間。其仿真驗(yàn)證結(jié)果如圖6所示。這里，控制模式的代號(hào)（1～6）的定義分別為：定速巡航模式；接近前車模式；穩(wěn)態(tài)跟隨模式；減速模式；避撞模式；加速模式。

由圖6（b）可以看出，在0～4s的過程中R＞Rj，因此ACC系統(tǒng)處于加速模式，并以1m／s2的加速度行駛以滿足駕駛需求；在4～8s過程中，前車超出傳感器測試范圍，因此ACC 系統(tǒng)切換至定速巡航模式，而由圖6（c）可以看出，此時(shí)Vh＜70km／h，所以本車以1m／s2的加速度行駛；8 s時(shí)，R＞Rw1且2車相對(duì)速度較大，因此ACC 系統(tǒng)切換至接近前車模式，進(jìn)行適當(dāng)制動(dòng)；14s時(shí)，第3輛車以與前車相同的速度插入本車與前車之間，此時(shí)相對(duì)速度不變但相對(duì)距離減小至小于避撞安全距離，因此ACC 系統(tǒng)切換至避撞模式，所以本車進(jìn)行強(qiáng)制動(dòng)以躲避危險(xiǎn)工況；16s時(shí)，有Rb1＜R＜Rw1，因此ACC 系統(tǒng)切換至減速模式；18s時(shí)，有R＞Rw1且兩車相對(duì)速度較大，因此ACC系統(tǒng)切換至接近前車模式；26s時(shí)，有Rb1＜R＜Rw1，因此ACC系統(tǒng)切換至減速模式，所以本車以適當(dāng)減速度制動(dòng)至停止。

圖6 仿真驗(yàn)證結(jié)果Fig.6 Simulation results

可以看出，在整個(gè)仿真過程中，所提出的ACC系統(tǒng)能夠根據(jù)前方無車、前車減速和前車緊急制動(dòng)等典型工況及前車切入等復(fù)雜工況進(jìn)行合理的模式切換，并能根據(jù)所處模式使車輛進(jìn)行適當(dāng)?shù)刂苿?dòng)／加速，以保證行車安全和駕駛需求。

4 結(jié)束語

為了增強(qiáng)六模式ACC 系統(tǒng)在全工況下的適應(yīng)性，筆者通過理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)汽車縱向安全控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。選用2車相對(duì)距離、相對(duì)速度以及本車速度作為基本參數(shù)，重新定義了模式劃分方法；并研究了ACC系統(tǒng)的6種加速度模式，分析了模式應(yīng)用的工況特點(diǎn)，基于駕駛員特性和汽車行駛工況統(tǒng)計(jì)結(jié)果，提出了相應(yīng)的控制算法；最后對(duì)該ACC 系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明：本文提出的六模式ACC 系統(tǒng)，在全工況特別是前車切入等復(fù)雜工況下，較現(xiàn)有的六模式ACC系統(tǒng)表現(xiàn)出更好的適應(yīng)性，。

筆者僅在仿真環(huán)境中對(duì)所提出的六模式ACC系統(tǒng)的適應(yīng)性進(jìn)行了驗(yàn)證。雖然仿真研究可以使前期的ACC 系統(tǒng)開發(fā)節(jié)約時(shí)間和成本，但是，仿真環(huán)境沒有考慮到硬件、實(shí)車與路面等影響因素。若要投入使用，還需要進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)、硬件在環(huán)試驗(yàn)以及實(shí)車道路試驗(yàn)。

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