電動(dòng)小汽車縱向主動(dòng)避撞系統(tǒng)的建模與仿真

左思 張甫城 張新鋒

摘 要：隨著我國(guó)汽車行業(yè)的快速發(fā)展，小轎車已經(jīng)成為了普通家庭的標(biāo)配，私家車的普及為我們的出行帶來(lái)了極大的方便。在享受汽車帶來(lái)的生活便利的同時(shí)，交通事故帶來(lái)的人民生命、財(cái)產(chǎn)損失卻不容忽視，因此，汽車主動(dòng)安全性受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。文章利用Carsim軟件進(jìn)行整車建模，利用Matlab/Simulink軟件搭建電動(dòng)小汽車的主動(dòng)避撞控制策略以及仿真模型包括加速/制動(dòng)切換模型、電機(jī)逆模型、制動(dòng)系逆模型。最后將各個(gè)模塊連接在一起，形成了Matlab/Simulink與Carsim的閉環(huán)聯(lián)合仿真系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)小汽車;縱向主動(dòng)避撞;Carsim;聯(lián)合仿真

中圖分類號(hào)：U467 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）19-183-04

Modeling and simulation of the longitudinal active collision avoidance

system of an electric car

Zuo Si， Zhang Fucheng， Zhang Xinfeng

（ Changan University Automotive College， Shaanxi Xi'an 710006 ）

Abstract： With the rapid development of Chinas automobile industry， car has become the standard for ordinary families， and the popularization of private cars has brought great convenience for our travel. While enjoying the conveniences brought by the automobile， the peoples life and property loss caused brought by the automobile cant be ignored. Therefore， the active safety of the automobile is paid more and more attention. In this paper. Carsim software was used for vehicle modeling， and Matlab/Simulink software was used to build the active collision avoidance control strategy of the electric car as well as the simulation model， including the acceleration/braking switching model， the motor inverse model and the braking system inverse model. Finally， the modules are connected together to form the closed loop joint simulation system of Matlab/ Simulink and Carsim.

Keywords： Electric car; Longitudinal active collision avoidance; Carsim; Joint simulation

CLC NO.： U467 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）19-183-04

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)功能愈加強(qiáng)大，現(xiàn)代汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)已經(jīng)能夠做到自適應(yīng)巡航ACC，車輛主動(dòng)報(bào)警CWS，路徑規(guī)劃，路徑跟蹤（MPC），復(fù)合型車輛智能控制系統(tǒng)等。隨著V2X技術(shù)的不斷發(fā)展，V2X技術(shù)將在汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用，V2X技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)車與車之間的通信，例如V2X可以獲取他車的經(jīng)度、他車行駛航向角度、他車緯度，他車的方向盤轉(zhuǎn)角狀態(tài)，他車車速大小，他車油門大小狀態(tài)、他車制動(dòng)踏板狀態(tài)及車高、車長(zhǎng)、車寬等信息。這樣獲得的信息便不受傳感器的靈敏度、天氣等因素影響，更加準(zhǔn)確、可靠。

本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)小汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)利用車載雷達(dá)采集到的信息，比如前后車的相對(duì)速度，相對(duì)距離等信息傳給電動(dòng)小汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)的ECU，ECU根據(jù)傳感器采集到的信息按照預(yù)先設(shè)置的控制策略主動(dòng)減速或者加速，使自車能夠與前車保持安全距離并以合適的車速跟車行駛，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)小汽車縱向的主動(dòng)避撞。

1 電動(dòng)小汽車縱向主動(dòng)避撞系統(tǒng)得建模

1.1 Carsim整車模型的建立

因CarSim中只有針對(duì)常規(guī)燃油汽車的整車模型，即其動(dòng)力是由發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)傳至車輪，而本文的電動(dòng)小汽車動(dòng)力是通過(guò)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的。所以，針對(duì)電動(dòng)小汽車在CarSim環(huán)境下的整車建模跟傳統(tǒng)汽車不同，需要借助外部的接口接入給其提供驅(qū)動(dòng)力[4]，如圖2所示。

本文建立的整車模型參數(shù)如下表所示：

Carsim與 Simulink的聯(lián)合仿真輸入變量為IMP_MYUS -M_L1，IMP_MYUSM_L2，IMP_MYUSM_R1， IMP_MYUS -M_R2，IMP_PCON_BK;輸出變量為：SpdS1_1，Vx，DisS1_1，Ax。

1.2 電動(dòng)小汽車逆縱向動(dòng)力學(xué)建模

本文采用分層式控制思想來(lái)設(shè)計(jì)電動(dòng)小汽車縱向主動(dòng)避撞系統(tǒng)。分層式控制即為上層控制和下層控制，上層控制器根據(jù)汽車的當(dāng)前行駛狀態(tài)，按照預(yù)先設(shè)定的控制策略輸出電動(dòng)汽車期望的加速度，下層控制器根據(jù)上層控制器輸出的期望加速度計(jì)算得到期望的電機(jī)轉(zhuǎn)矩和期望的制動(dòng)壓力，再將轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)壓力輸入到整車模型中對(duì)汽車的縱向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，避免前后兩車發(fā)生碰撞。

電動(dòng)小汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)分層式控制思想如下圖：

若汽車當(dāng)前應(yīng)進(jìn)行加速，則需要根據(jù)期望的加速度ades，通過(guò)電機(jī)逆模型，求得期望的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩[1]。設(shè)：

（1）

根據(jù)文獻(xiàn)[1]得到純電動(dòng)小汽車行駛方程式為：

（2）

則根據(jù)公式（2），期望的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩可簡(jiǎn)化為：

（3）

根據(jù)汽車的行駛阻力平衡方程，可得到汽車制動(dòng)時(shí)動(dòng)力學(xué)平衡方程：

（4）

因Fxb與p成正比關(guān)系，即：

（5）

由公式（4）、（5）可得到期望制動(dòng)壓力為：

（6）

2 模糊控制

駕駛員在駕駛過(guò)程中，通過(guò)前后車的相對(duì)距離和相對(duì)速度來(lái)判斷汽車當(dāng)前是否處于危險(xiǎn)工況，如果處于危險(xiǎn)工況則踩剎車制動(dòng)，否則踩油門進(jìn)行加速。駕駛經(jīng)驗(yàn)豐富的老司機(jī)能夠通過(guò)肉眼大致判斷自車速度與目標(biāo)車速得到一個(gè)安全距離，然后將前后車的相對(duì)距離與安全距離進(jìn)行比較，若相對(duì)距離小于安全距離，則制動(dòng)剎車，避免前后車發(fā)生碰撞引發(fā)交通事故。若相對(duì)距離大于安全距離則加速行駛。因此，本文將前后車的相對(duì)距離與安全距離之差作為模糊控制器的第一個(gè)輸入量。

（7）

因?yàn)榍昂筌嚨南鄬?duì)速度（自車速度與前車速度之差）也是判斷汽車是否處于安全行駛狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)。所以，本文將前后車的相對(duì)速度作為模糊控制器的第二個(gè)輸入量，即：

（8）

本文在搭建電動(dòng)小汽車縱向主動(dòng)避撞系統(tǒng)的控制器時(shí)采用Sugeno型模糊算法，輸出變量為期望加速度ades 其規(guī)則形式如下：

（9）

式中：x和y為模糊控制器輸入變量，A和B為輸入變量的模糊集合，z為輸出變量，k為常數(shù)。

本文的模糊推理規(guī)則共25條，模糊控制規(guī)則見表2。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 前車靜止工況

前車速度為零，自車與前車的初始距離為30m。仿真得到自車與前車的速度變化如圖3所示，前后車相對(duì)距離變化如圖4所示。

由圖3可知，在開始時(shí)刻，自車速度逐漸增加，在6s之后車速逐漸減小，最后在22s左右速度降為零，而前車速度一直為零。由圖4可知，在開始時(shí)刻，前后車的相對(duì)距離為30m，隨著時(shí)間的增加，前后車的相對(duì)距離逐漸減小，在22s左右保持不變。經(jīng)過(guò)分析可以得出：在該工況下，前后兩車并沒(méi)有發(fā)生碰撞，達(dá)到了主動(dòng)避撞的要求。

3.2 前車勻速工況

前車以30km/h勻速運(yùn)動(dòng)，自車的初速度也為30km/h，自車與前車的初始距離為20m。仿真得到自車與前車的速度變化如圖5所示，前后車相對(duì)距離變化如圖6所示。

由圖5可知，在開始時(shí)刻，自車速度逐漸增加，在7s之后車速逐漸減小，最后在50s左右速度降為30Km/h，自車與前車保持相同的速度行駛。由圖6可知，在開始時(shí)刻，前后車的相對(duì)距離為20m，隨著時(shí)間的增加，前后車的相對(duì)距離逐漸減小，在50s左右保持不變。經(jīng)過(guò)分析可以得出：在該工況下，前后兩車并沒(méi)有發(fā)生碰撞，達(dá)到了主動(dòng)避撞的要求。

3.3 前車緊急停車工況

前車以30km/h勻速運(yùn)動(dòng)，前車在12s時(shí)速度變?yōu)榱悖攒嚨某跏妓俣纫矠?0km/h，自車與前車的初始距離為20m。仿真得到自車與前車的速度變化如圖7所示，前后車相對(duì)距離變化如圖8所示。

由圖7可知，在開始時(shí)刻，自車和前車均以30km/h的速度行駛，6s之后前車速度開始從30km/h減速，在12s時(shí)停止;自車速度也逐漸減小，在18s時(shí)速度降為零。由圖8可知，在開始時(shí)刻，前后車的相對(duì)距離為20m，由于開始幾秒鐘，兩車速度相等，相對(duì)距離并未發(fā)生變化，隨著時(shí)間的增加，前后車的相對(duì)距離逐漸減小，在17s左右保持不變。經(jīng)過(guò)分析可以得出：在該工況下，前后兩車并沒(méi)有發(fā)生碰撞，達(dá)到了主動(dòng)避撞的要求。

3.4 復(fù)雜工況仿真分析

初始時(shí)刻前車以40km/h的速度運(yùn)動(dòng)，自車的初速度也為40km/h，自車與前車的初始距離為20m。前車做無(wú)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)（突然減速，勻速加速，減速），仿真得到自車與前車的速度變化如圖9所示，前后車相對(duì)距離變化如圖10所示。

由圖5.7可知，自車速度隨著前車速度的變化而變化。當(dāng)前車減速時(shí)，自車速度也減小;當(dāng)前車加速時(shí)，自車速度也逐漸增加。由圖5.8可知，前后車的相對(duì)距離不斷變化，但自車與前車都在安全距離之外不會(huì)發(fā)生碰撞。經(jīng)過(guò)分析可以得出：在復(fù)雜工況下，前后兩車并沒(méi)有發(fā)生碰撞，達(dá)到了主動(dòng)避撞的要求。

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