汽車緊急避撞系統(tǒng)控制算法

湯　沛，魏民祥，趙萬忠，黃麗瓊

(1.南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.鹽城工學(xué)院 汽車工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224003)

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汽車緊急避撞系統(tǒng)控制算法

湯沛1,2，魏民祥1，趙萬忠1，黃麗瓊1

(1.南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.鹽城工學(xué)院 汽車工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224003)

摘要：針對汽車主動避撞問題，提出了一種緊急避撞系統(tǒng)的控制算法，建立了緊急避撞安全距離模型，設(shè)計了模糊比例-積分-微分(PID) 控制器。對典型的高速變道避撞工況進行了仿真，仿真結(jié)果表明：本文設(shè)計的汽車緊急變道避撞控制系統(tǒng)，能夠控制車輛在高速情況下按照所設(shè)計的預(yù)定變道軌跡行駛，橫擺角速度為-7.41～7.42 (°)/s，具有良好的穩(wěn)定性。仿真實驗驗證了模糊PID 控制性能優(yōu)于單純的PID 控制。

關(guān)鍵詞：汽車工程；汽車緊急避撞系統(tǒng)；模糊PID；安全距離

0引言

汽車主動避撞系統(tǒng)已經(jīng)成為國內(nèi)外著重研究的主動安全技術(shù)，該系統(tǒng)根據(jù)路況與車況等綜合信息判斷汽車是否存在碰撞危險,并在緊急情況下采取制動、轉(zhuǎn)向等措施使汽車主動避開障礙物,確保車輛安全行駛,從而達到提高交通安全性的目的[1-3]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對主動避撞系統(tǒng)的預(yù)警/碰撞算法進行了深入研究，并取得了一些成果。文獻[4]針對汽車縱向避撞系統(tǒng)的要求，提出了一種基于縱向避撞時間的縱向預(yù)警/避撞算法，確定合理的預(yù)警距離。文獻[5]設(shè)計了一種適用于不同駕駛員避撞特性的分級報警/避撞算法，并且通過聲光報警及主動制動幫助駕駛員實現(xiàn)有效避撞，有效地提高了汽車的主動安全性。文獻[6]建立了道路附著系數(shù)矩陣和以動態(tài)制動減速度為關(guān)鍵參數(shù)的車輛臨界跟車距離模型，該模型具有較好的自適應(yīng)性和魯棒性。以上研究均集中在避撞系統(tǒng)的縱向控制領(lǐng)域，其中，避撞算法是汽車主動避撞系統(tǒng)的核心[4-7]。在危險工況中，駕駛員采取的避險策略往往是通過緊急變道來避免交通事故的發(fā)生，該操作在操控適當(dāng)?shù)那闆r下可以在較短距離內(nèi)使車輛避開前方障礙物，并保持車輛行駛的穩(wěn)定性[8]。本文基于緊急變道思想，設(shè)計避撞控制系統(tǒng)，目的是幫助汽車在無駕駛員干預(yù)的情況下，在直道上自動地從現(xiàn)行車道變換到目標(biāo)車道，實現(xiàn)避撞，有效降低車輛碰撞的事故發(fā)生率。

1安全距離模型

圖1　換道避撞模型圖

圖1為換道避撞模型圖。如圖1所示，整個側(cè)向避撞換道過程可分為3個階段[9-11]。

(Ⅰ)車姿車速調(diào)整階段(0，ta)

ta為車姿車速調(diào)整時間，s。緊急避撞工況時不必考慮駕駛員反應(yīng)時間，須考慮消除制動間隙時間t1和制動力增長時間t2，t1取0.2 s,t2取0.2 s。自車在原來車道上適當(dāng)減速并調(diào)整車體姿態(tài)，選擇合適換道間隙。

u(ta)=u0-ata；

(1)

(2)

其中：u(ta)為自車ta時刻速度，m/s；u0為自車初始速度，m/s；a為自車減速度，m/s2；D1為0～ta時縱向行駛位移，m。

(Ⅱ)換道避撞階段(ta，tc)

自車以一定車速換道，直至到達最大臨撞點tc(自車行駛轉(zhuǎn)向角φ最大時)，縱向行駛位移為D2：

D2=u(ta)(tc-ta) 。

(3)

(Ⅲ)相鄰車道調(diào)整階段(tc，ta+te)

進入相鄰車道后，調(diào)整自身車速至與相鄰車道車輛均處于安全狀態(tài)?；趽Q道過程中側(cè)向速度的變化趨勢(先增后減)，自車的側(cè)向加速度采用正弦函數(shù)車道變換模型，側(cè)向加速度模型為：

(4)

其中：H為換道側(cè)車道寬度，m；ay為側(cè)向加速度，m/s2;te為變道時間，s。

結(jié)合式(4)，自車橫向位移l2須滿足：

(5)

其中：lw為自車寬度，m；l1為障礙物邊緣與車道中心線寬度，m。

在緊急避撞系統(tǒng)抵達可能碰撞點時，車輛縱向行駛距離為D：

(6)

對D求導(dǎo)得：

u0-ata-a(tc-ta)=0。

(7)

考慮車身長度，并保證車輛在整個變道過程中不與前方障礙發(fā)生碰撞，安全距離Da為：

Da=D+lLcosθ+d，

(8)

其中：lL為自車車長，m；d為靜態(tài)安全距離，m；θ為車輛到達碰撞臨界時刻的航向角，rad。

2模糊PID控制器的設(shè)計

傳統(tǒng)比例-積分-微分(proportion-integral-derivative,PID)控制具有參數(shù)修改整定不便、不能適應(yīng)誤差和誤差變化率波動較大的缺點。而模糊控制不依賴于對象模型，能依據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)信息和控制規(guī)則進行推理，從而獲得合適的控制量，具有較強的魯棒性，但控制精度稍低。模糊PID控制是結(jié)合PID控制和模糊控制得出的一種控制方式，其重要任務(wù)是找出PID的比例系數(shù)、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)分別與誤差e和誤差變化率ec之間的模糊關(guān)系。在運行中不斷檢測e和ec，根據(jù)確定的模糊控制規(guī)則對3個參數(shù)進行在線調(diào)整,滿足不同的e和ec對3個參數(shù)的不同要求[12-16]。

期望的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角δsw可由車輛逆動力學(xué)模型推導(dǎo)得出：

δsw=ayiL/u2+ayiLK，

(9)

其中：u為車輛行駛速度，m/s；L為車輛軸距，m；i為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動比；K為穩(wěn)定性因數(shù)。

圖2為緊急避撞控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，控制器的輸入是側(cè)向加速度的理想值ay與實際值as的偏差ae；輸出為經(jīng)模糊PID控制器處理后的側(cè)向加速度ac，用于輸入到車輛逆動力學(xué)系統(tǒng)模型；而δsw作為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號，是車輛逆動力學(xué)系統(tǒng)的輸出，輸入到汽車7自由度動力學(xué)模型[17]。車輛模型參數(shù)如表1所示[18]。

圖2　緊急避撞控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

參數(shù)數(shù)值整車質(zhì)量m/kg1740車輛質(zhì)心到前軸距離lf/m1.058車輛質(zhì)心到后軸距離lr/m1.756車輛繞Z軸的轉(zhuǎn)動慣量Iz/(kg·m2)3214車輛質(zhì)心高度h/m0.542輪距d/m1.535輪胎縱向剛度(前輪、后輪)Cx/(N·rad-1)-105850、-79030輪胎側(cè)向剛度(前輪、后輪)Cy/(kN·m-1)650、600車輪滾動半徑R/m0.25

2.1隸屬度函數(shù)

常規(guī)PID的控制公式為：

u(t)=kpe(t)+

(10)

其中：kp為比例系數(shù)；ki為積分系數(shù)；kd為微分系數(shù)；e(t)為系統(tǒng)誤差。

輸出語言變量模糊子集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},輸出量模糊化后的論域值分別為[0,6]、[0,0.06]和[0,0.02]。對于輸出變量的模糊集采取高斯函數(shù)建立隸屬度函數(shù)，如圖4～圖6所示。

圖3 側(cè)向加速度偏差絕對值ae和變化率aec的隸屬度函數(shù)圖4 輸出語言變量kp的隸屬度函數(shù)

圖5 輸出語言變量ki的隸屬度函數(shù)圖6 輸出語言變量kd的隸屬度函數(shù)

2.2模糊控制規(guī)則的建立

表2　kp模糊規(guī)則表

3仿真驗證及結(jié)果分析

為了檢驗控制系統(tǒng)的效果，進行了相應(yīng)的虛擬仿真實驗。本文研究的是高速情況下的緊急避撞，因此選取速度為100 km/h的典型高速仿真工況，并與單純PID控制的緊急避撞系統(tǒng)和無控制器緊急避撞的車輛狀態(tài)表現(xiàn)進行了對比。仿真結(jié)果見圖7～圖9。

如圖7所示，含有模糊PID控制系統(tǒng)和單純PID控制系統(tǒng)的軌跡曲線超前于理想的軌跡曲線，其中含有模糊PID控制系統(tǒng)的軌跡曲線比單純PID控制系統(tǒng)的軌跡曲線更接近于理想的軌跡曲線。而不含控制器系統(tǒng)的軌跡曲線則相應(yīng)地滯后于理想曲線，且總的橫向位移明顯偏離設(shè)定軌跡，這會影響車輛行駛安全。

如圖8所示，含有模糊PID控制系統(tǒng)的側(cè)向加速度曲線幾乎與理想的曲線完全重合，而單純PID控制系統(tǒng)與無控制器系統(tǒng)的側(cè)向加速度曲線較理想值滯后嚴(yán)重，不能滿足變道避撞系統(tǒng)的相關(guān)要求。圖8中，側(cè)向加速度的最大值為3.5 m/s2，沒有出現(xiàn)明顯超調(diào)，符合車輛穩(wěn)定性的要求。

圖7 100km/h速度下的橫向位移曲線圖圖8 100km/h速度下變道避撞過程中側(cè)向加速度曲線圖

圖9　100 km/h速度下系統(tǒng)車輛橫擺角速度響應(yīng)

模糊PID控制系統(tǒng)、單純PID控制系統(tǒng)和無控制器的緊急避撞系統(tǒng)中車輛的橫擺角速度響應(yīng)如圖9所示。從圖9中可以看出：無控制器的系統(tǒng)的橫擺角速度變化為-7.82～9.19 (°)/s。單純PID控制系統(tǒng)的橫擺角速度變化為-7.22～8.79 (°)/s。而模糊PID控制系統(tǒng)的橫擺角速度變化為-7.41～7.42 (°)/s，且變道避撞過程完成后收斂迅速平滑，說明變道避撞過程中車輛姿態(tài)良好，沒有出現(xiàn)劇烈的變化，穩(wěn)定性較好。

4結(jié)論

本文對典型的高速變道避撞工況進行了仿真，所設(shè)計的緊急變道避撞控制系統(tǒng)，能夠控制車輛在高速情況下按照所設(shè)計的預(yù)定變道軌跡行駛，并且具有良好的穩(wěn)定性，驗證了模糊PID緊急變道避撞控制系統(tǒng)性能優(yōu)于單純的PID控制系統(tǒng)和無控制器的系統(tǒng)。所設(shè)計的緊急變道避撞控制系統(tǒng)在快速響應(yīng)的同時對被控參數(shù)具有較強的適應(yīng)能力，可以滿足實際緊急避撞工況中環(huán)境信息實時調(diào)整的需求。

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基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51375007)

作者簡介：湯沛(1981-),男,江蘇鹽城人,講師,博士生;魏民祥(1963-),男,山東青州人,教授,博士,博士生導(dǎo)師,主要從事汽車主動安全方面的研究.

收稿日期：2016-02-22

文章編號：1672-6871(2016)05-0020-05

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.05.005

中圖分類號：TP273+.4

文獻標(biāo)志碼：A