基于模糊控制的車(chē)輛自適應(yīng)巡航研究及仿真

陳榮章,張靚超

（同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院,上海 201804）

基于模糊控制的車(chē)輛自適應(yīng)巡航研究及仿真

陳榮章,張靚超

（同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院,上海 201804）

設(shè)計(jì)了一種基于模糊控制理論的車(chē)輛自適應(yīng)巡航雙輸入單輸出控制器，系統(tǒng)綜合考慮了自車(chē)與前車(chē)之間的車(chē)距、車(chē)速、加速度等因素，并利用遺傳算法優(yōu)化模糊控制隸屬度函數(shù)與控制規(guī)則。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)simulink進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能有效進(jìn)行速度與車(chē)距控制，且駕乘性能良好。

自適應(yīng)巡航;模糊控制;遺傳算法

0 引言

近年來(lái)，中國(guó)已成為全球最大的汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)國(guó)，而隨著汽車(chē)保有量的增加，道路擁擠，交通事故頻發(fā)等問(wèn)題也日益突出，汽車(chē)的安全性正日益受到汽車(chē)廠商和消費(fèi)者的關(guān)注。

自適應(yīng)巡航控制（簡(jiǎn)稱(chēng)ACC）系統(tǒng)是在定速巡航控制（簡(jiǎn)稱(chēng)CC）系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研發(fā)的新一代汽車(chē)主動(dòng)安全輔助駕駛系統(tǒng)[1]。ACC系統(tǒng)不僅繼承了CC系統(tǒng)的功能，還能夠根據(jù)車(chē)輛當(dāng)前行駛狀況與道路環(huán)境變化，實(shí)時(shí)控制自車(chē)與前車(chē)之間的相對(duì)車(chē)距和相對(duì)速度以匹配車(chē)流[2]，有效地減輕了駕駛員在駕駛過(guò)程中的操作負(fù)擔(dān)，提高了道路的交通流量，改善了車(chē)輛行駛的舒適性和主動(dòng)安全性。

ACC系統(tǒng)非常實(shí)用，且有著廣闊的市場(chǎng)前景，但是目前市場(chǎng)上的ACC產(chǎn)品主要由國(guó)外廠商研制生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)對(duì)相關(guān)技術(shù)研發(fā)比較滯后，因此進(jìn)行有關(guān)于ACC系統(tǒng)的研究是很有必要的。

1 基于模糊控制的ACC設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的ACC系統(tǒng)采用分層控制，上層控制器采用模糊控制，將自車(chē)與前車(chē)的車(chē)速、車(chē)距等信息作為輸入，由模糊控制器換算出期望加速度。下層控制器將該期望加速度作為輸入，結(jié)合下層車(chē)輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和制動(dòng)壓力控制，使汽車(chē)的實(shí)際加速度達(dá)到期望加速度[3]。同時(shí)，系統(tǒng)主要適用于車(chē)輛在高速及一級(jí)公路行駛路況，速度限制60～120km/h，根據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[4],將最大減速度設(shè)置為-3m/ s2，最大加速度設(shè)置為2m/s2。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]的研究，同一車(chē)道中前后兩車(chē)行進(jìn)時(shí)，若自車(chē)速度大于前車(chē)速度，則自車(chē)減速至與前車(chē)速度相等時(shí)，自車(chē)不會(huì)追尾前車(chē)。基于車(chē)輛制動(dòng)過(guò)程模型，以?xún)绍?chē)行進(jìn)中的臨界安全車(chē)距作為理論安全車(chē)距：

其中： t1為駕駛員反映及制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間，取t1=1.15s； t2為制動(dòng)力增加時(shí)間，取t2=0.5s；L為兩車(chē)安全停車(chē)距離，取L=5m

其中以ITAE（誤差絕對(duì)值時(shí)間積分）指標(biāo)的最小值作為目標(biāo)函數(shù)。3）選擇算子：采用文獻(xiàn)[1]改進(jìn)的選擇算子，在第N代種群中，計(jì)算每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度大小，并降序排序，前5%為A類(lèi)，中間90%為B類(lèi)，后5%為C類(lèi)。將A類(lèi)個(gè)體替代C類(lèi)個(gè)體，則種群組成為2份A類(lèi)+1份B類(lèi)。該2份A類(lèi)個(gè)體不通過(guò)交叉、變異操作直接復(fù)制到N+1代種群，B類(lèi)個(gè)體進(jìn)行交叉、變異操作后，遺傳至N+1代種群。4）交叉算子：對(duì)于前9位隸屬函數(shù)編碼，采用“算數(shù)交叉法”，對(duì)于后49位模糊控制規(guī)則編碼，采用“均勻兩點(diǎn)交叉法”[2]。5）變異算子于前9位隸屬函數(shù)編碼，隨機(jī)選取其中某個(gè)基因，允許其在原值0.8～1.2倍范圍之內(nèi)變異為新值。對(duì)于后49位是模糊控制規(guī)則編碼，為避免發(fā)生不合理的大跳躍，允許某一基因在{-1,1}范圍內(nèi)變異。6）遺傳算法參數(shù)設(shè)置：種群規(guī)模設(shè)為20，交叉概率設(shè)為0.9，變異概率設(shè)為0.2。

（3）運(yùn)用模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理得到模糊輸出q，并通過(guò)對(duì)q反模糊化得到精確輸出Q。至此，ACC系統(tǒng)的模糊控制器設(shè)計(jì)完成，下層連接Carsim軟件B-Class車(chē)型完成整體設(shè)計(jì)并進(jìn)行仿真。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

工況：0秒時(shí)刻，自車(chē)從靜止?fàn)顟B(tài)起步，設(shè)定CC速度為100km/h，50秒時(shí)，前方80米處，前車(chē)以80km/h切入自車(chē)車(chē)道，并 勻速行駛；100秒時(shí)，前車(chē)加速，經(jīng)過(guò)5秒，前車(chē)加速至90km/h，并保持勻速行駛；130秒時(shí)，前車(chē)加速，經(jīng)過(guò)5秒，前車(chē)加速至110km/h。仿真結(jié)果如下：

2.1 模糊控制器隸屬度函數(shù)及控制規(guī)則結(jié)果參見(jiàn)圖2

2.2 自適應(yīng)巡航車(chē)距、速度效果參見(jiàn)圖3

2.3 自適應(yīng)巡航車(chē)輛節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和制動(dòng)壓力控制效果參見(jiàn)圖4

從仿真結(jié)果顯示，當(dāng)50秒前車(chē)以車(chē)速80km/h在自車(chē)前方80米處切入時(shí)，理論安全車(chē)距應(yīng)該為90米，因此自車(chē)在50秒時(shí)立即從CC狀態(tài)切換至ACC狀態(tài)，并且立即施加了較大的減速度，從節(jié)氣門(mén)控制切換為了制動(dòng)控制；隨后自車(chē)減速度逐漸減小，兩車(chē)相對(duì)速度趨于0，自車(chē)保持跟車(chē)狀態(tài)。

當(dāng)100秒時(shí)起前車(chē)加速升至90km/h，自車(chē)通過(guò)增大節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，開(kāi)始加速，在短短幾秒內(nèi)，達(dá)到了跟車(chē)效果。

當(dāng)130秒時(shí)，前車(chē)加速至110km/h，自車(chē)通過(guò)增大節(jié)氣門(mén)，開(kāi)始加速，當(dāng)132.5秒后時(shí)，前車(chē)速度提升至100km/h以上，前車(chē)速度超過(guò)自車(chē)最初設(shè)定的CC車(chē)速，自車(chē)從ACC狀態(tài)切換至CC狀態(tài)，此后，兩車(chē)距離越拉越大。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)理論設(shè)計(jì)和系統(tǒng)仿真，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的ACC系統(tǒng)控制效果良好，模糊控制非常適用于ACC這類(lèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的非線(xiàn)性控制系統(tǒng)，有一定的工程應(yīng)用參考價(jià)值。因諸多外在條件因素受限，本文仍有許多尚待進(jìn)一步研究的不足之處，仿真工況也不是很全面，仍有待進(jìn)一步探索其他工況下的系統(tǒng)性能。由于受實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，僅通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)的有效性進(jìn)行了論證，并未進(jìn)行系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)車(chē)試驗(yàn)，離實(shí)用化仍然有很大差距。希望在今后的工作中能進(jìn)一步完善與深入研究。

[1]王景武，金立勝.車(chē)輛自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)控制技術(shù)發(fā)展[J].汽車(chē)技術(shù)，2004(07).

[2]李朋.魏民祥,侯曉利.自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的建模與聯(lián)合仿真[J].汽車(chē)工程,2012(07).

[3]趙秀春,徐國(guó)凱.基于模糊控制的車(chē)輛自適應(yīng)巡航系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].大連民族學(xué)院學(xué)報(bào),2013(05).

[4]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：智能運(yùn)輸系統(tǒng).自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)性能要求與檢測(cè)方法(GB/T 20608-2006).

[5]鐘勇,姚劍峰.行進(jìn)中車(chē)輛臨界安全車(chē)距的探討[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào),2001(12).

[6]董妍汝.基于選擇算子的遺傳算法改進(jìn)[D].山西大學(xué),2013.

[7]李書(shū)全，孫雪,孫德輝.遺傳算法中的交叉算子的述評(píng)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2012(48).

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.22.182

陳榮章（1965-），男，副教授，研究方向：汽車(chē)后市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)。