基于模糊PID算法的整車避撞控制多工況仿真*

何柳青 楊春林 潘勇軍

（重慶大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044）

引言

主動(dòng)避撞系統(tǒng)一直以來都是國內(nèi)外汽車主動(dòng)安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，其作用是在緊急情況下主動(dòng)采取制動(dòng)措施，避免汽車發(fā)生碰撞.行車安全距離模型的建立是汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)［1，2］，它不僅可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)避撞系統(tǒng)的功能、提高系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性，而且還可以較好地控制車輛進(jìn)入避撞階段的時(shí)間以及停車間距，具有一定的自適應(yīng)性和魯棒性［3］.

基于安全距離模型的整車避撞控制策略以速度為閾值劃分為高速和低速安全距離［4］，采用上下位分層控制器控制，并實(shí)現(xiàn)緊急避撞功能.目前國內(nèi)外進(jìn)行了相關(guān)的研究，并提出了幾種經(jīng)典的安全距離模型.Juan-Bautista Tomas-Gabarron等［5］采用自由度模型進(jìn)行車頭時(shí)距控制，獲得了汽車自適應(yīng)巡航控制所需的平滑響應(yīng)和穩(wěn)定性.Emilio Frazzoli等［6］針對(duì)靜止和運(yùn)動(dòng)的障礙物，在概率路線的基礎(chǔ)上提出了一種新的隨機(jī)增量路勁規(guī)劃算法.裴曉飛等［7］采用一種基于危險(xiǎn)系數(shù)ε進(jìn)行分級(jí)報(bào)警與主動(dòng)制動(dòng)的安全距離模型，有效地提高了避撞系統(tǒng)平臺(tái)的實(shí)用性.胡遠(yuǎn)志等［8］利用已知車輛間的運(yùn)動(dòng)信息，以安全時(shí)距模型為基礎(chǔ)，提出了一種新的碰撞時(shí)間（TTC）建模方法，設(shè)計(jì)了基于TTC和本車車速的主動(dòng)避撞分級(jí)制動(dòng)策略.侯德藻等［9］以駕駛員車間距保持目的為基礎(chǔ)建立了一種新型汽車主動(dòng)避撞安全距離模型，該模型考慮了駕駛員的駕駛特點(diǎn)，能夠適用于多種工況.任玥等［10］針對(duì)自主駕駛車輛的轉(zhuǎn)向避撞問題，提出了一種分層避撞控制方法.

目前，部分以自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（ACC）為主的汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)缺乏對(duì)系統(tǒng)安全距離的合理設(shè)計(jì)，影響汽車進(jìn)入緊急避撞的時(shí)間，進(jìn)而導(dǎo)致避撞系統(tǒng)使用率降低［11］.還有一些主動(dòng)避撞系統(tǒng)采用神經(jīng)元PID等控制策略，控制器系統(tǒng)較為復(fù)雜［12］，控制效率較低.本文從汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)對(duì)于安全距離模型的要求出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種提高安全距離精度的時(shí)距模型，制定了避撞控制策略并完成了不同功能的上下位控制器設(shè)計(jì).文章最后通過Carsim與Simulink聯(lián)合仿真對(duì)所提出的主動(dòng)避撞系統(tǒng)控制器的性能進(jìn)行了驗(yàn)證.

1 安全距離模型建立

行車安全距離的確定是整車實(shí)現(xiàn)避撞功能的基礎(chǔ).車輛在實(shí)際行駛過程中，是否需要進(jìn)行減速控制，所處狀態(tài)是否安全，判斷依據(jù)是基于行車安全距離模型產(chǎn)生的.目前應(yīng)用較為廣泛的安全距離模型有三種：基于車輛制動(dòng)過程運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的安全距離模型，基于車頭時(shí)距的安全距離模型，以及基于駕駛員預(yù)瞄安全距離模型.其他行車安全距離模型可認(rèn)為是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的拓展與細(xì)化.

本文采用的是一種綜合模型，即在車輛高速行駛時(shí)采用基于車輛制動(dòng)過程運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的安全距離模型，在車輛低速行駛時(shí)，采用基于車頭時(shí)距的安全距離模型.所采用的安全距離模型描述如下：

式中，v1，v2分別為自車與前車車速，td為駕駛員反應(yīng)時(shí)間，th為車間時(shí)距，d1，d2為車輛停車后與前車的距離.根據(jù)文獻(xiàn)資料，此處th取1.89s［13］.td與駕駛員的駕齡，性別等多種因素有關(guān).此處針對(duì)駕齡影響綜合值、行駛車速、駕駛員反映時(shí)間，采用模糊控制的方法來進(jìn)行確定.駕駛員不同駕齡對(duì)應(yīng)的綜合值如表1所示［14］.根據(jù)表1，駕齡綜合影響值論域設(shè)為［40 100］，行駛車速論域?yàn)椋?0 120］，駕駛員反應(yīng)時(shí)間論域?yàn)椋?.3 1.2］，所采用的模糊規(guī)則如下表2所示.在之后的仿真過程中，統(tǒng)一采用4年駕齡人員數(shù)據(jù).基于以上安全距離模型、駕齡綜合影響和模糊規(guī)則，可建立整車避撞控制系統(tǒng)的整體框架圖如圖1所示.

表1 駕齡影響綜合值Table 1 Comprehensive value of driving experience

表2 模糊規(guī)則Table 2 Fuzzy rules

圖1 整車避撞控制邏輯圖Fig.1 Logic diagram of vehiclecollision avoidancecontrol

2 基于Carsim的整車動(dòng)力學(xué)建模

建立準(zhǔn)確的汽車動(dòng)力學(xué)模型對(duì)于汽車整車避撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真都是至關(guān)重要的［15］，為了后續(xù)控制系統(tǒng)的分析與應(yīng)用，同時(shí)必須考慮車輛動(dòng)力學(xué)模型的計(jì)算效率.文章基于Carsim構(gòu)建車輛運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)力學(xué)模型，盡可能地貼合真實(shí)的車輛結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)參數(shù)，然后將車輛動(dòng)力學(xué)模型導(dǎo)入Matlab/Simulink架構(gòu)中，與其中搭建的逆縱向動(dòng)力學(xué)模型，安全車距模型，控制器模型等組成完整的在環(huán)仿真環(huán)境［16］.

2.1 縱向動(dòng)力學(xué)模型

Carsim軟件的汽車動(dòng)力學(xué)模型為27自由度模型.結(jié)合現(xiàn)代多體動(dòng)力學(xué)理論，其中包含了汽車7大系統(tǒng)，即車身系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)及空氣動(dòng)力學(xué)系統(tǒng).Carim軟件將車輛抽象為10部分：車體部分（即簧載質(zhì)量）、4個(gè)簧下質(zhì)量部分（即非簧載質(zhì)量）、4個(gè)旋轉(zhuǎn)車輪部分及發(fā)動(dòng)機(jī)部分，如圖2所示［17］.車輛模型的27個(gè)自由度分別為：3個(gè)簧載質(zhì)量的移動(dòng)自由度、3個(gè)簧載質(zhì)量的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度、4個(gè)非簧載質(zhì)量自由度、4個(gè)車輪旋轉(zhuǎn)自由度、1個(gè)傳動(dòng)系旋轉(zhuǎn)自由度、8個(gè)輪胎瞬態(tài)特性自由度及4個(gè)制動(dòng)壓力自由度.

圖2 模型簡(jiǎn)化示意圖Fig.2 Schematic diagramof simplified mode

Carsim軟件利用面向?qū)ο蟮膮?shù)化建模方法，通過確定汽車各部件的主要參數(shù)或動(dòng)力學(xué)性能曲線來仿真近似.車輛系統(tǒng)各部件不同參數(shù)的選擇對(duì)仿真結(jié)果會(huì)有一定的影響，如整車質(zhì)量、迎風(fēng)面積及路面參數(shù)等.這三個(gè)參數(shù)對(duì)后續(xù)模型的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)有類似的同向影響，其值的大小會(huì)同向增大車輛模型中的期望制動(dòng)壓力與期望發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩.迎風(fēng)面積的影響占比也會(huì)隨著車速的增加而逐漸增大；輪胎參數(shù)的選擇主要體現(xiàn)在滾動(dòng)半徑的影響上，但其對(duì)整車影響并不太大［18］.在整個(gè)仿真環(huán)境中，所建立的Carsim汽車動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)信息如表3所示.

表3 整車動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)Table 3 Parameters of vehicle dynamics model

2.2 逆縱向動(dòng)力學(xué)模型

2.2.1 制動(dòng)力控制與節(jié)氣門開度控制切換模型

車輛在實(shí)際行駛過程中，油門踏板與制動(dòng)踏板是不會(huì)同時(shí)工作的，否則會(huì)對(duì)汽車造成損傷.在汽車需要減速時(shí)，如果所需制動(dòng)減速度偏小，可利用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)，空氣阻力和路面阻力協(xié)助制動(dòng)；如果所需制動(dòng)減速度偏大，可利用制動(dòng)器快速或緊急制動(dòng).因此，在兩者之間需要設(shè)計(jì)一個(gè)切換邏輯模型，以控制其具體的制動(dòng)模式.在行車過程中，還需要在節(jié)氣門開度為零的最大減速度曲線附近設(shè)置緩沖區(qū)，以避免二者頻繁切換.本文緩沖區(qū)的寬度設(shè)置為Δa=0.1，此時(shí)切換邏輯可表達(dá)為：

（1）a_exp>a+Δa時(shí)，采用節(jié)氣門控制，關(guān)閉制動(dòng)器.

（2）a-△a

（3）a_exp

具體的切換模型邏輯圖如圖3所示：

圖3 制動(dòng)力控制與節(jié)氣門開度控制切換邏輯圖Fig.3 Logic diagram of switchingbetween brakingforcecontrol and throttleopening control

2.2.2 逆發(fā)動(dòng)機(jī)模型

如果汽車在良好水平路面上行駛，忽略坡度阻力，汽車行駛的動(dòng)力學(xué)方程可以簡(jiǎn)單表示為：

式中，F(xiàn)t為驅(qū)動(dòng)力，F(xiàn)xb為制動(dòng)力.車輛行駛時(shí)，忽略傳動(dòng)過程中零部件的形變，驅(qū)動(dòng)力Ft可表示為：

式中，Te為發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，F(xiàn)t為汽車的驅(qū)動(dòng)力，we為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，wth為液力變矩器渦輪轉(zhuǎn)速，Γ為液力變矩器的扭轉(zhuǎn)特性函數(shù).上式（3）中的Kd可以表示為：

此時(shí)，汽車為節(jié)氣門控制減速，無制動(dòng)器控制，所以Fxb=0.期望的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩Texp為：

可依據(jù)式（5）中的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩Texp得到對(duì)應(yīng)的節(jié)氣門開度.

所設(shè)計(jì)的逆發(fā)動(dòng)機(jī)模型如圖4所示：

圖4 逆發(fā)動(dòng)機(jī)模型Fig.4 Inverseenginemodel

2.2.3 逆制動(dòng)器模型

當(dāng)汽車所需減速度較大時(shí)，切換至制動(dòng)器控制模式，此時(shí)節(jié)氣門開度為零，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩為零，即Ft=0，此時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可以描述為：

制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)主缸壓力Pexp可表示為：

上式（8）中Kb為制動(dòng)力與制動(dòng)壓力的比值.經(jīng)過計(jì)算得到Kb=1230.8.依此所設(shè)計(jì)的逆制動(dòng)器模型如圖5所示.

3 整車避撞控制的模糊PID算法

3.1 上層控制器

控制器設(shè)計(jì)是整個(gè)避撞系統(tǒng)的核心，此處運(yùn)用上下層分層控制器形式.上層控制器運(yùn)用模糊控制方法，模糊控制技術(shù)是將人的經(jīng)驗(yàn)具體化、模式化，根據(jù)閾值區(qū)間進(jìn)行控制分類，使得系統(tǒng)可以識(shí)別，并采取具體措施的高級(jí)控制策略.

本文采用的模糊控制器，以自車與前車的相對(duì)車速V_rel和兩車相對(duì)距離與安全車距的差值d為輸入，得到相應(yīng)的上層期望制動(dòng)減速度a為輸出.其中V_rel的論域設(shè)定為［-100 100］，d的論域設(shè)定為［-40 40］，兩個(gè)輸入變量采用7個(gè)模糊子集來描述，它們可描述為負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)?。∟S）、零（ZO）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB）.輸出量a的論域設(shè)置為［-10 3］，采用5個(gè)模糊子集來描述，它們可表示為負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)?。∟S）、零（ZO）、正大（PB）.具體控制邏輯如下：

（1）當(dāng)d值較大，即兩車實(shí)際間距與安全間距之差較大，V_rel值較小時(shí)，車輛處于較安全狀態(tài)，自車可以進(jìn)行小幅加速或保持原速行駛.

（2）當(dāng)d值較小，即兩車實(shí)際間距與安全間距之差較小，V_rel值較大時(shí)，汽車處于較危險(xiǎn)狀態(tài)，可以采用較大的制動(dòng)減速度進(jìn)行減速，以保證行駛安全.

（3）當(dāng)兩者數(shù)值同大或同小時(shí)，車輛制動(dòng)減速度可從小逐漸變大，以保證制動(dòng)過程平穩(wěn)進(jìn)行.

具體模糊規(guī)則如表4所示：根據(jù)隸屬度函數(shù)，模糊蘊(yùn)含關(guān)系用Mamdani法則，解模糊采用重心法，因此利用d和△V可以求出加速度.

表4 上層控制器模糊規(guī)則表Table 4 Fuzzy rule table of upper controller

3.2 下層控制器

下層控制器采用PID控制器，PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)實(shí)際值與期望值之間的偏差對(duì)控制量進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋校正.控制器的輸入為上層控制器的輸出期望制動(dòng)減速度a與實(shí)際的汽車制動(dòng)減速度的差值，經(jīng)過PID控制輸出為最終的期望制動(dòng)減速度a_exp.Kp、Ki、Kd三個(gè)參數(shù)可通過試湊法進(jìn)行整定.所設(shè)計(jì)的控制器模型如圖6所示：

圖6 下層控制器模型Fig.6 Lower controller model

4 控制仿真結(jié)果

為驗(yàn)證整車主動(dòng)避撞控制策略的有效性，現(xiàn)采用縱向制動(dòng)避撞標(biāo)準(zhǔn)工況進(jìn)行驗(yàn)證，即CCRs（前車靜止）、CCRm（前車勻速）、CCRb（前車制動(dòng)）.使用Carsim與Simulink聯(lián)合進(jìn)行仿真，在Carsim中進(jìn)行仿真路況的設(shè)置，選擇路面附著系數(shù)為0.9，路面長度為1200 m.

4.1 前車靜止仿真工況

在前車靜止工況中，將前車車速設(shè)定為零，即前車靜止不動(dòng)，自車初始車速分別設(shè)定為50 km/h，80 km/h；初始距離設(shè)置為60 m以減少仿真時(shí)間.在自車距前車距離較遠(yuǎn)時(shí)，自車保持勻速行駛，系統(tǒng)不介入控制，當(dāng)距離小于安全距離，有碰撞危險(xiǎn)時(shí)，系統(tǒng)介入控制，自車進(jìn)行制動(dòng).仿真結(jié)果如下圖7-9所示：

圖7 自車速度變化圖Fig.7 The speed variation of thevehicle

圖8 兩車相對(duì)距離圖Fig.8 Relativedistancebetween two vehicles

圖9 自車加速度變化圖Fig.9 Variation in acceleration of the vehicle

由上圖可知，仿真開始時(shí)，自車與前車的間距較大，兩車無碰撞危險(xiǎn)，系統(tǒng)不介入控制，自車仍按原車速向前行駛.當(dāng)前后車間距小于安全距離時(shí)，系統(tǒng)介入控制，自車進(jìn)行減速，直至車速降低為0.仿真結(jié)果表明，在自車車速為60 km/h和80 km/h時(shí)，分別在4.7 s，4 s時(shí)速度降為零，制動(dòng)減速度開始是在-6 m/s2波動(dòng)，后隨著兩車間距逐漸變小，制動(dòng)減速度加大至-8 m/s2左右，最后兩車距離都能保持在5 m附近，符合測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，證明縱向制動(dòng)控制避撞算法能夠在前車靜止情況下實(shí)現(xiàn)避撞功能，屬于安全制動(dòng).另外，自車的初始速度越大，制動(dòng)減速度也越大.

4.2 前車勻速行駛仿真工況

前車勻速行駛工況下，前車車速設(shè)置為20 km/h勻速行駛，自車初始車速分別設(shè)置為60 km/h和80 km/h，前后車初始距離設(shè)置為60 m.當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)兩車無碰撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，自車保持勻速行駛，無需制動(dòng)控制.當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到兩車有碰撞危險(xiǎn)時(shí)，避撞系統(tǒng)介入工作，自車以適當(dāng)減速度進(jìn)行減速，仿真控制結(jié)果如圖10-12所示：

圖10 自車速度變化圖Fig.10 The speed variation of the vehicle

圖11 兩車相對(duì)距離圖Fig.11 Relativedistancebetween twovehicles

圖12 自車加速度變化圖Fig.12 Variation in acceleration of thevehicle

由上圖可知，在仿真開始時(shí)，兩車間距較大，符合安全距離要求，此時(shí)，避撞控制系統(tǒng)不介入.當(dāng)前后車間距小于安全距離時(shí)，系統(tǒng)介入控制，自車開始減速，當(dāng)車速減到20 km/h時(shí)與前車車速相同，系統(tǒng)對(duì)車速進(jìn)行穩(wěn)定調(diào)節(jié)，自車加速度在0附近波動(dòng)，使其平衡在20 km/h，由此保證與前車間距維持不變.仿真結(jié)果顯示，在自車車速分別為60 km/h和80 km/h的情況下，車輛開始制動(dòng)時(shí)，減速度在-4 m/s2處波動(dòng)，并隨著車速的降低減速度逐漸變小，且伴有短暫的-8 m/s2制動(dòng)減速度，最后減速到兩車車速相同時(shí)，兩車間距分別為6.5 m和6.6 m，然后跟車行駛，符合制動(dòng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求，可以證明避撞控制系統(tǒng)能夠在前車勻速行駛工況下，實(shí)現(xiàn)避撞效果，屬于安全制動(dòng).

4.3 前車制動(dòng)仿真工況

前車制動(dòng)工況中，前車與自車初始車速均設(shè)定為50 km/h，初始距離設(shè)定為40 m，之后設(shè)定前車分別以-2 m/s2和-4 m/s2的減速度進(jìn)行減速.自車開始時(shí)以50 km/h的車速勻速向前行駛，當(dāng)避撞系統(tǒng)檢測(cè)到兩車有碰撞危險(xiǎn)時(shí)，開始控制制動(dòng)減速，仿真結(jié)果如圖13-圖15所示：

圖13 自車速度變化圖Fig.13 Thespeed variation of thevehicle

圖14 兩車相對(duì)距離圖Fig.14 Relativedistancebetween twovehicles

圖15 自車加速度變化圖Fig.15 Variation in acceleration of the vehicle

由上圖分析可知，開始時(shí)自車以50 km/h的車速向前行駛，前車分別以-2 m/s2，-4 m/s2的減速度進(jìn)行減速，此時(shí)兩車不斷迫近，當(dāng)前后車距離小于安全距離時(shí)，系統(tǒng)開始控制減速，由于兩車車距較短，自車先后經(jīng)歷了-4 m/s2和-8 m/s2制動(dòng)減速度，最后兩車車速均減為0左右時(shí)，兩車間距分別保持在5.1m和5m，可以實(shí)現(xiàn)避撞功能.仿真結(jié)果證明了整車避撞系統(tǒng)可以在前車制動(dòng)的情況下，較好地實(shí)現(xiàn)避撞效果，符合安全制動(dòng)要求.

5 結(jié)論

本文基于安全距離模型，建立了縱向整車避撞控制系統(tǒng)，采用上下層分層模糊PID控制策略，設(shè)置了前車靜止，前車勻速，前車制動(dòng)的六種車速仿真工況，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證.結(jié)果表明，整車避撞系統(tǒng)能在檢測(cè)到有碰撞危險(xiǎn)的情況下，對(duì)自車進(jìn)行避撞控制，最終在保證一定安全跟車距離的情況下安全停車或跟車行駛.所提出的整車避撞控制策略和方法可以較好地滿足多種工況的整車避撞要求.本文基于27自由度車輛模型展開的整車避撞控制研究，對(duì)于更復(fù)雜的車輛動(dòng)力學(xué)模型，如剛?cè)狁詈系能囕v多體動(dòng)力學(xué)模型、有限元與動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)模型［19］等的研究則有待進(jìn)一步深入.