汽車(chē)跟車(chē)巡航控制系統(tǒng)研究

姚垠國(guó)，段敏，張恒，鄭蘇

摘 要：文章首先簡(jiǎn)述跟車(chē)巡航系統(tǒng)的工作原理，然后設(shè)計(jì)系統(tǒng)的切換層，建立車(chē)輛動(dòng)力學(xué)約束方程，控制器采用分層式結(jié)構(gòu)，上層控制器采用最優(yōu)控制計(jì)算車(chē)輛的期望加速度，下層控制器采用PID控制控制車(chē)輛的加速和減速，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)的巡航功能可以正常激活，控制器可以實(shí)時(shí)控制主車(chē)很好的跟隨前車(chē)進(jìn)行起步、停止。

關(guān)鍵詞：起停巡航;最優(yōu)控制;PID控制;Matlab/Simulink;實(shí)車(chē)試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM517 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2019）23-49-03

Research on the Cruise Control System of Car

Yao Yinguo， Duan Min， Zhang Heng， Zheng Su

（ School of Automobile &Traffic Engineering， Liaoning University of Technology， Liaoning Jinzhou 121000 ）

Abstract： This paper first describes the working principle of the following cruise system， then the switching layer of the system is designed and the vehicle dynamics constraint equation is established， the controller adopts the layered structure， and the upper controller adopts the optimal control to calculate the expected acceleration of the vehicle， the lower controller adopts PID control to control the acceleration and deceleration of the vehicle， the experimental results show that the cruise function of the system can be activated normally， and the controller can control the main vehicle to start and stop with the leading vehicle in real time.

Keywords： Stop&Go Cruise; The optimal control; PID control; Matlab/Simulink; Real vehicle tests

CLC NO.： TM517 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）23-49-03

引言

汽車(chē)跟車(chē)巡航控制技術(shù)是先進(jìn)汽車(chē)智能駕駛輔助技術(shù)之一，當(dāng)?shù)缆非胺經(jīng)]有車(chē)輛時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入定速巡航模式，當(dāng)前方有車(chē)輛時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入跟車(chē)巡航模式，如果車(chē)輛與前車(chē)之間的距離小于預(yù)設(shè)的最小距離，那么，它們會(huì)迫使車(chē)輛減速;如果前后兩車(chē)之間的間隔距離足夠遠(yuǎn)，它們就會(huì)把車(chē)輛加速到設(shè)定的速度，主動(dòng)干預(yù)車(chē)輛的縱向控制，常用在車(chē)輛低速行駛頻繁起步與停止的工況。國(guó)內(nèi)外對(duì)跟車(chē)巡航系統(tǒng)有大量的研究，按照控制算法分有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器[1]，模型預(yù)測(cè)控制器[2-4]，滑膜控制器[5]，文獻(xiàn)[6]采用非線性車(chē)輛模型研究了極端情況下自適應(yīng)巡航和定速巡航的過(guò)渡控制問(wèn)題等。

1 跟車(chē)巡航系統(tǒng)的工作原理

整個(gè)控制是由傳感器控制單元SCU來(lái)提供。SCU的主要功能是控制跟車(chē)巡航系統(tǒng)的傳感器和目標(biāo)識(shí)別，其控制參數(shù)計(jì)算和相關(guān)系統(tǒng)啟動(dòng)則是由跟車(chē)巡航系統(tǒng)的電子控制單元（ECU）負(fù)責(zé)執(zhí)行。跟車(chē)巡航系統(tǒng)傳感器的接收信號(hào)需要進(jìn)一步處理。在目標(biāo)識(shí)別時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)信號(hào)所含的信息來(lái)計(jì)算出潛在對(duì)象的距離和相對(duì)速度。車(chē)距控制需要從跟車(chē)巡航系統(tǒng)所探測(cè)的所有目標(biāo)中，精確地鎖定其中一個(gè);鎖定目標(biāo)時(shí)會(huì)用上車(chē)輛移動(dòng)方面的信息。根據(jù)駕駛本身的車(chē)速和所要求的反應(yīng)時(shí)間，跟車(chē)巡航系統(tǒng)可算出所需的最小車(chē)距。若在現(xiàn)行車(chē)速下計(jì)算出的車(chē)距過(guò)近，跟車(chē)巡航系統(tǒng)就給適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)送出減速命令，從而調(diào)整車(chē)距。若調(diào)整后的車(chē)距已經(jīng)足夠，車(chē)速就會(huì)被調(diào)至所需的速度。要做到這點(diǎn)，跟車(chē)巡航系統(tǒng)須向相關(guān)驅(qū)動(dòng)發(fā)出加速命令。

2 切換層設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)跟車(chē)巡航多模式控制，應(yīng)用有限狀態(tài)機(jī)原理，在原有跟車(chē)巡航控制之上增加切換層，以確定當(dāng)前理想的控制模式。

使用Matlab/Simulink建立Statflow狀態(tài)。

圖1 ?狀態(tài)圖

3 控制器的設(shè)計(jì)

3.1 上層控制器設(shè)計(jì)

上層控制器根據(jù)本車(chē)的車(chē)速、加速度以及與前方車(chē)輛的相對(duì)速度、相對(duì)距離等信息計(jì)算得到期望加速度。

根據(jù)車(chē)輛在跟車(chē)巡航時(shí)的主車(chē)和測(cè)試車(chē)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系可以列出狀態(tài)方程：

式中m是系統(tǒng)的控制變量，n是系統(tǒng)的干擾變量，T是控制周期。取目標(biāo)性能函數(shù)：

為了使性能指標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)，可以選取加權(quán)矩陣Q、R，根據(jù)LQ最優(yōu)控制理論得出系數(shù)矩陣K，期望加速度為a=-Kx。

3.2 下層控制器的設(shè)計(jì)

下層控制器控制驅(qū)動(dòng)或者制動(dòng)，需要將被控制量進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)比較被控對(duì)象實(shí)際值與理論值的大小，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)輸出，使該控制器對(duì)系統(tǒng)的，調(diào)節(jié)效果較好。PID 控制器中的系統(tǒng)誤差e（t）與輸出u（t）的關(guān)系為：

其中誤差e（t）是給定量r（t）和實(shí)際輸出量c（t）之間的差值：

以傳遞函數(shù)的形式表示為：

其中，Kp為比例項(xiàng)系數(shù);TI為積分項(xiàng)時(shí)間常數(shù);Td為微分項(xiàng)時(shí)間常數(shù)。比例項(xiàng)的作用是調(diào)節(jié)被控制量向誤差減小方向運(yùn)行的速度;積分項(xiàng)會(huì)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)行調(diào)節(jié);微分項(xiàng)該項(xiàng)通過(guò)對(duì)輸入誤差變量的微分處理，使得其能預(yù)測(cè)下一次誤差到來(lái)的情況，從而加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

采集的信號(hào)：車(chē)輛經(jīng)度、緯度、與前方障礙物相對(duì)縱向及橫向距離、制動(dòng)踏板信號(hào)、加速踏板信號(hào)與前方障礙物相對(duì)速度。

跟車(chē)試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如下：

圖2 ?主車(chē)跟隨前車(chē)，前車(chē)進(jìn)入加速行駛狀態(tài)時(shí)的

主車(chē)行駛速度曲線

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出當(dāng)前方車(chē)輛加速行駛時(shí)，主車(chē)會(huì)加速至巡航車(chē)速，

巡航測(cè)試實(shí)驗(yàn)曲線如下：

圖3 ?主車(chē)在直線道路上行駛，車(chē)速為30km/h時(shí)，

設(shè)置巡航，此時(shí)主車(chē)的行駛速度曲線

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出設(shè)定不同目標(biāo)車(chē)速，巡航功能均可以正常激活，車(chē)速穩(wěn)定后，慣性測(cè)量單元所測(cè)車(chē)輛縱向速度、總線所讀車(chē)輛縱向速度均與設(shè)定目標(biāo)車(chē)速相差≤2km/h，誤差在合理范圍內(nèi)，

起停試驗(yàn)結(jié)果如下：

圖4 ?起停測(cè)試中主車(chē)和前車(chē)的速度曲線圖

圖5 ?起停測(cè)試中主車(chē)和前車(chē)間隔距離曲線圖

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出兩車(chē)初始的間隔距離為4 m，大于安全車(chē)距3 m，主車(chē)以1 m/s2的加速度加速到約7m/s，在9-18 s時(shí)開(kāi)始以0.1 m/s2加速到7.9m/s，在18s開(kāi)始制動(dòng)，制動(dòng)減速度為0.5m/s2 ，然后又加速起步至5m/s，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出主車(chē)能較好的跟隨前車(chē)的速度變化，并且實(shí)際兩車(chē)的車(chē)間距離在與期望值的誤差逐漸趨于0。主車(chē)可以跟隨前車(chē)實(shí)現(xiàn)起停功能。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)跟車(chē)巡航系統(tǒng)邏輯轉(zhuǎn)換圖以及上層控制器和下層控制器，建立Stop&Go的Simulink模型，實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果表明前方車(chē)輛加速時(shí)，主車(chē)可進(jìn)入跟車(chē)狀態(tài)，設(shè)定不同目標(biāo)車(chē)速，巡航功能均可以正常激活并且主車(chē)可以跟隨前車(chē)實(shí)現(xiàn)起停功能。

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