混行環(huán)境下CACC 系統(tǒng)駕乘舒適性優(yōu)化控制

梁 軍 ，于 揚 ，王文颯 ，陳 龍

（江蘇大學(xué)汽車工程研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

隨著車路協(xié)同技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)道路交通系統(tǒng)中車輛原本無法顯現(xiàn)的自組織、網(wǎng)絡(luò)化、非線性、強耦合等特性逐漸凸顯出來. 交通系統(tǒng)屬性的變化使得傳統(tǒng)研究方法難以適用. 同時，自動駕駛技術(shù)的不斷進步一并催生出網(wǎng)聯(lián)自動車輛（connected automated vehicle，CAV）與人工駕駛車輛（manual vehicle，MV）長期共存的交通新態(tài)勢[1]，這種交通組織成分的變化對模型復(fù)雜度提出更高要求. 車輛不再有主次之分，所有車輛全部為分散目標，交通系統(tǒng)需被作為開放的復(fù)雜系統(tǒng)進行研究. 在CAV 與MV組成的混行交通流新常態(tài)下，協(xié)同自適應(yīng)巡航控制（cooperative adaptive cruise control，CACC）作為CAV 的關(guān)鍵功能輔助，安全性和穩(wěn)定性研究取得系列成果，但駕乘舒適性研究明顯不足. 因此，有必要對混行這一新環(huán)境下CACC 系統(tǒng)的駕乘舒適性進行新的探索.

CACC 急加速或急減速會引起生理上的不舒適，跟車間距過近或跟車間距誤差過大會造成心理上的不舒適. 對于舒適度的判斷準則大體一致，包括：急動度（加速度變化率）越小越好[2]；加速度越小越好[3]；對于給定加速度，急動度越小越舒適[4]；由車體橫向震動引起的約為0.2 Hz 低頻加速度易誘發(fā)暈車[5-7]. 當前，對CAV 駕乘舒適性影響的研究還不全面. Elbanhawi 等[8]總結(jié)了CAV 路徑規(guī)劃的舒適性，強調(diào)了CAV 隊列行駛舒適性的重要性；Milakis 等[9]將駕乘舒適性劃分為CAV 的一級影響. 從宏觀角度來看，駕乘舒適性受加速度、速度波動影響，與交通流穩(wěn)定性密切相關(guān)[10]，因速度、加速度波動而偏離穩(wěn)態(tài)后，會產(chǎn)生不舒適感. 因此，CAV 交通流穩(wěn)定性優(yōu)化成為提升駕乘舒適性的重要手段，但這方面研究仍存在較大空白[8-11]. 在純CAV 環(huán)境下，對跟車模型進行穩(wěn)定性分析是提升舒適性的常見思路[12-15]. Zhou等[16]提出具有局部穩(wěn)定性、多準則隊列穩(wěn)定性的串行分布式模型預(yù)測控制（model predictive control，MPC）方法，但不完全適用于混行環(huán)境. 鑒于車輛動力學(xué)、執(zhí)行機構(gòu)的差異，僅從交通流穩(wěn)定性考慮難以保證單車舒適性最優(yōu)，還需從微觀角度進行進一步優(yōu)化[17-18].

因此，本文以CACC 系統(tǒng)的運行舒適性為研究目標，設(shè)計考慮駕乘舒適性的雙層控制策略（duallayer control strategy considering ride comfort，RCDCS）. 上層控制器從宏觀角度出發(fā)，根據(jù)MV 行車狀態(tài)，以舒適性為優(yōu)化目標，及時調(diào)整車隊整體的跟車間距和速度；下層控制器則從微觀角度出發(fā)，根據(jù)車隊中不同車輛的動力學(xué)情況，利用油門、制動踏板切換策略優(yōu)化車輛動力輸出，保證每輛車達到最優(yōu)行車狀態(tài).

1 CACC 系統(tǒng)運行舒適度優(yōu)化模型

1.1 CACC 系統(tǒng)舒適度優(yōu)化框架模型

CACC 系統(tǒng)包括車輛控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和人機交互界面，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示. 人機交互界面一方面為駕駛員提供跟車基本信息和自車控制信息，另一方面可以控制和調(diào)整CACC 系統(tǒng)的運行狀態(tài). 車輛控制系統(tǒng)采用由上層控制器和下層控制器組成的雙層控制結(jié)構(gòu)，上層控制器負責隊列的跟隨控制，協(xié)同車輛間的跟車間距、跟車速度，下層控制器負責車輛的加速度控制. 由于系統(tǒng)配備了跟蹤算法[19]，因此根據(jù)駕駛員設(shè)定的跟車時距，融合傳感器獲取的數(shù)據(jù)，通過無線通信接收前車終端傳輸?shù)乃俣取⒓铀俣刃畔⒂嬎愠銎谕俣群图铀俣?，然后將控制結(jié)果反饋至上層目標控制函數(shù)，根據(jù)當前狀態(tài)生成相應(yīng)加速或者制動命令并傳輸至車輛平臺，從而使車輛按預(yù)設(shè)的狀態(tài)行駛.

圖1 CACC 系統(tǒng)舒適度優(yōu)化分層架構(gòu)Fig. 1 Hierarchical architecture of CACC system

CACC 系統(tǒng)的工作模式如圖2 所示. 當CACC系統(tǒng)啟用時，系統(tǒng)會根據(jù)控制策略設(shè)定隊列車輛的運行方式，同時上層控制系統(tǒng)會判斷與自車直接通信的車輛身份標識號（identity document，ID）和與測距傳感器檢測到的車輛ID 是否相同. 若檢測到目標變更，控制器會重新獲取新目標信息，根據(jù)跟車策略重新計算跟車間距和期望加速度，并交由下層控制器執(zhí)行，同時對上層結(jié)果進行反饋. 當傳輸信號故障時，系統(tǒng)的工作狀態(tài)會變?yōu)槭Щ?，提醒駕駛員進行人工操作.

圖2 CACC 系統(tǒng)工作模式Fig. 2 Working mode of CACC system

1.2 RC-DCS 控制策略

1.2.1 上層控制策略設(shè)計

首先建立CACC 控制系統(tǒng)的縱向動力學(xué)模型，如式（1）～（5）所示.

式（1）～（5）中：Te為發(fā)動機扭矩；E(?)為發(fā)動機靜態(tài)特性的非線性函數(shù)；ne為發(fā)動機轉(zhuǎn)速；α為油門開度；Te,act為發(fā)動機實際扭矩；τe為發(fā)動機時間常數(shù)；J為飛輪慣性；Tp為液力變矩器的泵扭矩；CT(?)為變矩器的容量系數(shù)；λ為變矩器的轉(zhuǎn)速比；Tt為變矩器的渦輪扭矩[20]；RT(?)為變矩器的扭矩比；ig為變速箱傳動比；i0為終傳動比；r為車輪半徑；v為后車車速；η為傳動系統(tǒng)效率；M為車輛質(zhì)量；g為重力加速度；Ca為空氣阻力系數(shù)；S為前橫截面積；ρ為空氣密度；f為滾動阻力系數(shù)；θ為道路坡度；δ為集中系數(shù)；I為四車輪慣性矩.

上層控制器采用由與領(lǐng)航車相對速度和跟車間距誤差表征的車輛縱向動力學(xué)和車輛間縱向動力學(xué)的兩狀態(tài)空間模型，可由式（6）、（7）計算求得.

式（6）～（8）中：vrel為領(lǐng)航車與后車相對速度；vp為領(lǐng)航車速度；de為跟車間距誤差；d為實際跟車間距；ddes為期望跟車間距；doff為補償距離[21-22]，根據(jù)經(jīng)驗取值為1.5 m；h為可變車頭時距；h0為標稱車頭時距，取值2.5；cv、kv為大于0 的常數(shù).

顯然，控制策略是線性反饋，可以實現(xiàn)將車輛動力學(xué)線性化，并通過車輛動力學(xué)排除一些特征參數(shù)簡化系統(tǒng)模型.

行駛過程中，考慮第i輛車與前車的通信時延，得到式（14）所示的CACC 系統(tǒng)狀態(tài)空間方程.

對于跟隨車輛，在保證盡可能小的速度誤差和距離誤差的前提下，定義了代價函數(shù)L來優(yōu)化行駛的穩(wěn)定性和舒適性，如式（16）所示.

當自車行駛速度小于巡航速度時，W1= (0.01,1.00, 0.10)T，W2= 8，K= (0.03, 0.39, ?0.22)T；行駛速度等于巡航速度時，W1= (0.40, 1.00, 0.10)T，W2= 1，K=(0.63, 0.96, ?0.43)T；行駛速度大于巡航速度時，W1=(0.60, 1.00, 0.15)T，W2= 2，K= (0.93, 1.20, ?0.68)T.

1.2.2 下層控制策略設(shè)計

在混行環(huán)境中，當CACC 車輛跟隨MV 時，僅依靠上層跟車模型無法很好滿足乘坐舒適性，分析發(fā)現(xiàn)車輛起步時存在振幅過大、波動頻率過高的問題，為此設(shè)計基于模糊理論的下層控制器優(yōu)化加速度輸出，利用模糊理論優(yōu)化油門、制動踏板切換邏輯，保證CACC 車輛退化為ACC 車輛后的舒適性.

根據(jù)駕駛規(guī)則，制動踏板基本操作邏輯與油門踏板相反，因此其模糊控制器與油門踏板相同. 唯一區(qū)別是制動控制器輸出制動力矩變化量與油門控制器的輸出相反，如式（20）所示，則當前制動力矩百分比如式（21）所示.

式中：b(n)、Δb(n)分別為在第n個離散時間步長的制動百分比、制動百分比變化量.

表1 控制規(guī)則表Tab. 1 Control rules

由于油門開度和制動力矩是兩個物理意義、標度不同的變量[23]，通過百分比表示可以將兩個輸出值統(tǒng)一到 [0,1]，從而將制動控制器與油門控制器簡化為一個控制器.

為保證油門和制動控制器協(xié)調(diào)工作，設(shè)計切換控制器如下：1） 避免兩踏板同時工作；2） 踩下油門踏板前需抬起制動踏板，反之亦然；3） 避免頻繁切換油門和制動. 因此，采集車輛速度誤差、當前油門和制動狀態(tài)、油門和制動的輸入等信息，由切換控制器決策兩者輸出. 如表2 所示，以ev的取值范圍為判斷標準將輸出方案分為減速區(qū)域、保持區(qū)域、加速區(qū)域. 當前狀態(tài)分為油門激活（throttle activation，TA）、制動激活（brake activation，BA）、油門和制動均為未激活（not activation，NA），輸出方案分為油門控制（throttle control，TC）、制動控制（brake control，BC）、無操作（not operation，NO）.

表2 切換控制策略Tab. 2 Switching control strategies

保持區(qū)域作用是為避免控制器在油門和制動踏板之間頻繁切換，其輸出方案始終保持當前狀態(tài).以0.01 作為判斷當前油門或制動踏板狀態(tài)的閾值，若油門開度值大于0.01，則油門激活；若兩者均未大于0.01，則當前狀態(tài)為無操作. 切換邏輯偽代碼如下.

輸入：速度誤差ev；油門開度 α ；制動力矩百分比b；油門輸入Iα；制動輸入Ib

2 試驗驗證

2.1 試驗說明

以MPC 策略[16]為對比試驗，在保證MPC 策略和RC-DCS 控制策略均處于最佳工作狀態(tài)下，設(shè)計CACC 系統(tǒng)駕乘舒適性優(yōu)化控制試驗. 試驗采用PreScan 和MATLAB/Simulink 聯(lián)合仿真，建立由搭載CACC 系統(tǒng)車輛組成的車隊，車輛間借助V2X傳感器實現(xiàn)專用短程通信（dedicated short range communication，DSRC）功能獲取周圍車輛行車信息，利用技術(shù)自主傳感器（technology independent sensor，TIS）模擬激光雷達獲取前車距離、相對車速、方位角，若前方車輛為MV，后車退化為ACC 車輛，通過激光雷達進行巡航控制. 為保證控制策略在直道和彎道的適用性，后車跟隨MV 時根據(jù)自身橫擺角速度判斷是否行駛在彎道路段，融合長距和短距雷達獲取的前車數(shù)據(jù)，以達到穩(wěn)定跟蹤MV 的目的.

2.2 試驗結(jié)果及分析

圖3 為跟隨MV 工況下5 輛CACC 車輛跟車間距誤差、速度、加速度對比曲線. 圖（a）、（d）中：1—2 號車表示第1 輛車和第2 輛車間的跟車間距，其余類推.

圖3 車隊整體運行結(jié)果對比Fig. 3 Result comparison of fleet overall operation

由圖3 可知：MPC 策略最大跟車間距誤差1.56 m、最大加速度1.93 m/s2；相同工況下，RC-DCS 策略最大跟車間距誤差0.43 m、最大加速度1.45 m/s2，實現(xiàn)CACC 系統(tǒng)精準跟車控制. 相較于MPC 策略，RC-DCS 跟車間距誤差、最大加速度分別降低72.44%、24.87%，且曲線波動幅度更小. 可見，RC-DCS 參數(shù)波動較小，在CACC 車隊的總體運行效率更佳，具有更為穩(wěn)定、舒適的駕乘體驗.

為進一步驗證RC-DCS 策略在MV 插入CACC車隊工況的整體行駛效果，設(shè)計包含10 輛CACC車輛的車隊，MV 在50 s 時從3 號車后方切入，試驗結(jié)果如圖4 所示.

由圖4（a）看出：相較于MPC 策略，由于RCDCS 策略采用可變車頭時距，MV 切入CACC 車隊后，為保證行車舒適性，車隊跟車時距由1.2 s 調(diào)整為1.6 s，因此車輛的速度波動均有一定程度減小.相應(yīng)地，由圖4（b）看出，相較于MPC 策略，RC-DCS控制下的加速度曲線更加平穩(wěn)，說明該策略可有效降低因MV 介入導(dǎo)致的車隊加速度波動，顯著提升CACC 車隊的駕乘舒適性.

圖4 MV 切入結(jié)果對比Fig. 4 Result comparison of MV cut-in

為驗證下層控制策略在單車跟車穩(wěn)定性、駕乘舒適性的效率，選取跟隨、緊急制動、MV 由旁車道切入本車道3 個典型工況，結(jié)果如圖5 所示.

由圖5（a）可知：在跟隨工況下，相較于MPC 策略，RC-DCS 響應(yīng)更及時，曲線振幅有一定程度減小，標準差降低9.6%，偏度降低26.5%. 可見，RCDCS 可有效改善加速度突變，提高跟隨過程中乘車舒適性.

由圖5（b）可知：在制動工況下，相較于MPC 策略，RC-DCS 過濾掉加速度的較小波動，標準差降低10.4%. 說明RC-DCS 在制動過程中的表現(xiàn)更加平穩(wěn).

由圖5（c）可知：在切入工況下，相較于MPC 策略，RC-DCS 對速度變化響應(yīng)更加及時，加速時調(diào)整時間點更早，調(diào)整時長約減少2 s. RC-DCS 最大加速度0.34 m/s2，MPC 策略最大加速度0.82 m/s2，其加速度標準差降低2.9%. 說明RC-DCS 具有更好的安全性、舒適性.

圖5 典型工況下單車試驗結(jié)果對比Fig. 5 Result comparison of single vehicle experiments under typical working conditions

3 結(jié) 論

本文以CACC 車輛在混行環(huán)境下的駕乘舒適性優(yōu)化為目的，構(gòu)建適用于CACC 系統(tǒng)的雙層控制策略. 主要工作有：

1） 設(shè)計采用兩狀態(tài)空間的上層控制策略，定義代價函數(shù)從宏觀優(yōu)化車隊的整體穩(wěn)定性和舒適性；設(shè)計采用油門和制動踏板切換邏輯控制器的下層控制策略，從微觀優(yōu)化單車的加速度輸出穩(wěn)定性.

2） 結(jié)合仿真試驗對提出的RC-DCS 進行驗證，結(jié)果表明所提策略可有效改善CACC 車隊跟車間距波動及加速度波動，且在跟車、緊急制動和切入3 種典型工況下對加速度控制效果明顯優(yōu)于MPC，有效提升駕乘舒適性能.

綜上，RC-DCS 可滿足仿真場景下駕乘舒適性要求，但受試驗條件所限，尚未驗證在實車平臺的運行效果，后續(xù)計劃將在實車上進一步開展調(diào)試、驗證工作，以期提高本策略的實用性.

致謝：揚州市寶應(yīng)縣重點研發(fā)計劃（BY201908）.