具有換道功能的自適應(yīng)巡航控制策略研究

胡遠(yuǎn)志，張 隆，劉 西，雷發(fā)林

(重慶理工大學(xué) 汽車(chē)零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400054)

0 引言

自適應(yīng)巡航控制(adaptive cruise control,ACC)是智能車(chē)的基本功能[1]，能夠接管駕駛過(guò)程中的部分駕駛?cè)蝿?wù)，在緩解駕駛員駕駛強(qiáng)度的同時(shí)，可以有效地提高汽車(chē)安全性，以減少交通事故的發(fā)生[2]。

傳統(tǒng)的ACC系統(tǒng)僅能實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的縱向運(yùn)動(dòng)控制，功能相對(duì)獨(dú)立，在面對(duì)前方低速行駛的目標(biāo)車(chē)輛時(shí)只能低速跟車(chē)行駛或請(qǐng)求駕駛員接管等，存在很大的局限性。未來(lái)ACC系統(tǒng)必將與其他ADAS系統(tǒng)集成及協(xié)同控制以提高ACC系統(tǒng)的實(shí)用性[3]。但諸多學(xué)者對(duì)于ACC系統(tǒng)的研究集中在關(guān)鍵目標(biāo)識(shí)別[4-5]、多模式控制策略[6-8]、控制算法優(yōu)化[9-11]等方面，僅涉及到ACC系統(tǒng)的縱向運(yùn)動(dòng)控制。

目前，對(duì)具有換道功能的ACC系統(tǒng)控制策略方面研究較少。黨睿娜[12]提出了一種綜合周邊多車(chē)輛信息的換道預(yù)警方法，實(shí)現(xiàn)了換道工況下周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)判斷及預(yù)警，其橫向控制仍需駕駛員操控；陳碧云[13]提出了具有換道輔助的多模式自適應(yīng)巡航控制策略，重點(diǎn)研究了換道意圖識(shí)別方法和換道可行性判斷方法，未涉及到橫向控制方面的內(nèi)容；姚軍[14]研究了具有轉(zhuǎn)向控制的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)，主要研究縱向、橫向、橫縱向耦合控制，但未涉及換道方面的內(nèi)容；黃晶等[15]研究了基于前車(chē)換道意圖辨識(shí)的智能巡航控制算法，涉及到ACC車(chē)輛的換道功能，對(duì)本文的研究具有較大的參考價(jià)值，但其仿真工況較為單一，并未涉及到巡航-換道等復(fù)合工況。孫小文等[16]將ACC行駛模式劃分為巡航、跟車(chē)、接管、換道工況，但未對(duì)換道工況下的控制策略進(jìn)行說(shuō)明。

基于此，本文針對(duì)城市快速干道及高速公路工況，對(duì)具有換道功能的自適應(yīng)巡航控制策略展開(kāi)研究。首先，基于速度不滿意累計(jì)度設(shè)計(jì)了多模式切換策略，然后，基于模型預(yù)測(cè)控制算法設(shè)計(jì)了定速巡航和跟車(chē)巡航縱向控制器、換道軌跡跟蹤控制器，并利用五次多項(xiàng)式規(guī)劃了換道軌跡等。最后，使用Prescan/Carsim/Matlab軟件搭建了仿真與測(cè)試平臺(tái)，設(shè)計(jì)了多種測(cè)試工況對(duì)本文提出的控制策略進(jìn)行仿真測(cè)試與驗(yàn)證。

1 車(chē)輛ACC系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)

車(chē)輛ACC控制器多采用分層式[17](上下兩層)設(shè)計(jì)方法，本文在沿用前人分層設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)之上將ACC系統(tǒng)工作模式劃分為定速巡航、跟車(chē)巡航、換道巡航3種，系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)框圖

上層為決策規(guī)劃層，根據(jù)主車(chē)前方是否存在有效目標(biāo)車(chē)輛執(zhí)行定速巡航模式和跟車(chē)巡航模式，當(dāng)主車(chē)前方存在有效目標(biāo)車(chē)輛且速度不滿意度及鄰車(chē)道車(chē)速優(yōu)勢(shì)滿足一定條件后將執(zhí)行換道巡航模式；下層為控制執(zhí)行層，將上層決策規(guī)劃的車(chē)輛期望縱向加速度根據(jù)車(chē)輛逆動(dòng)力學(xué)模型轉(zhuǎn)化為油門(mén)和剎車(chē)控制指令，從而控制車(chē)輛的橫縱向運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的巡航功能。

1.1 下層控制器的設(shè)計(jì)

下層控制器通過(guò)控制車(chē)輛油門(mén)開(kāi)度和制動(dòng)輪缸壓力實(shí)現(xiàn)對(duì)上層決策期望加速度的跟蹤。根據(jù)汽車(chē)?yán)碚摷败?chē)輛縱向運(yùn)動(dòng)控制邏輯，分別建立了車(chē)輛驅(qū)動(dòng)逆模型和制動(dòng)逆模型，求解油門(mén)開(kāi)度和制動(dòng)壓力，以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛縱向運(yùn)動(dòng)的精確控制。

1.1.1車(chē)輛驅(qū)動(dòng)逆模型

汽車(chē)?yán)碚撝?，汽?chē)驅(qū)動(dòng)行駛方程的定義如下：

Ft=Ff+Fw+Fj+Fi

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:Ff、Fw、Fj、Fi為車(chē)輛行駛阻力，F(xiàn)t為車(chē)輛克服行駛阻力所需的驅(qū)動(dòng)力。根據(jù)力學(xué)相關(guān)理論將式(1)展開(kāi)可得式(2)。式(3)中，δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。本文的研究?jī)H考慮平直道路工況，即sinα=0、cosα=1，則車(chē)輛在行駛過(guò)程中的期望發(fā)動(dòng)扭矩可轉(zhuǎn)化為式(4)。

車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)的MAP圖關(guān)系可表示如下：

Tdes=f(α,ω)

(5)

式中:Tdes為期望的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，α為節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，ω為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。為了求解期望的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度可將發(fā)動(dòng)機(jī)MAP圖關(guān)系轉(zhuǎn)化如下：

αdes=f(T,ω)

(6)

根據(jù)Carsim軟件中發(fā)動(dòng)機(jī)MAP圖中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、節(jié)氣門(mén)開(kāi)度三者關(guān)系，將其轉(zhuǎn)換為逆MAP圖，如圖2所示。利用查表法可得到發(fā)動(dòng)機(jī)期望的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)MAP圖和逆MAP圖

1.1.2車(chē)輛制動(dòng)逆模型

同樣，根據(jù)式(1)—(3)可推導(dǎo)出車(chē)輛制動(dòng)時(shí)期望的制動(dòng)力：

(7)

則輪缸壓力與制動(dòng)壓力的關(guān)系可表示如下：

Fdes=k·pdes

(8)

式中:Fdes為期望的制動(dòng)力，pdes為期望的輪缸壓力，k表示制動(dòng)壓力和輪缸壓力的比例。則期望的輪缸壓力可表示為：

(9)

1.1.3油門(mén)/剎車(chē)切換邏輯

正常駕車(chē)過(guò)程中，制動(dòng)和油門(mén)踏板不會(huì)同時(shí)被操控。為了使控制策略更加符合駕駛員駕駛特性，需制定油門(mén)和剎車(chē)切換邏輯，以避免油門(mén)和制動(dòng)控制頻繁切換。為了得到制動(dòng)和油門(mén)切換的臨界值，設(shè)定車(chē)輛初始速度為120 km/h,帶擋滑行直至車(chē)輛穩(wěn)定為怠速狀態(tài)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定閾值為0.05，則可得車(chē)輛油門(mén)/剎車(chē)切換閾值，如圖3所示。

圖3 車(chē)輛油門(mén)/剎車(chē)切換閾值

1.1.4下層控制器仿真測(cè)試

為了驗(yàn)證下層控制器的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性，設(shè)定車(chē)輛的初始速度為40 km/h，分別以正弦、斜坡、脈沖信號(hào)源作為激勵(lì)對(duì)下層控制器進(jìn)行仿真測(cè)試與參數(shù)調(diào)整，仿真與測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 下層控制器仿真測(cè)試結(jié)果

根據(jù)圖4中的仿真結(jié)果可知，下層控制器可穩(wěn)定跟蹤設(shè)定的期望加速度，且油門(mén)與制動(dòng)未出現(xiàn)同時(shí)被操控及頻繁切換的情況，其中加速度的突變是由于車(chē)輛換擋所致。因此，可知本文設(shè)計(jì)的下層控制器可滿足要求。

1.2 上層控制器的設(shè)計(jì)

1.2.1多控制模式切換策略

本文將ACC車(chē)輛的控制模式分為定速巡航、跟車(chē)巡航、換道巡航3種，其切換控制邏輯如圖5所示。

圖5 多控制模式切換邏輯框圖

根據(jù)主車(chē)前方是否存在有效目標(biāo)車(chē)輛執(zhí)行定速巡航和跟車(chē)巡航模式，跟車(chē)巡航時(shí)實(shí)時(shí)計(jì)算駕駛員速度不滿意累計(jì)度，并對(duì)ACC車(chē)輛的換道行為進(jìn)行決策，若滿足條件則執(zhí)行換道巡航模式。

換道行為決策的主要作用是根據(jù)當(dāng)前車(chē)輛的狀態(tài)和環(huán)境信息決策是否要觸發(fā)換道請(qǐng)求，其中涉及到換道安全性、換道后的速度優(yōu)勢(shì)、換道觸發(fā)等。由于文章篇幅有限，本文假定鄰車(chē)道不存在其他目標(biāo)車(chē)輛，即鄰車(chē)道具有速度優(yōu)勢(shì)且換道安全。另外，ACC車(chē)輛跟車(chē)時(shí)會(huì)主動(dòng)控制車(chē)輛安全跟車(chē)，本文假定目標(biāo)車(chē)與主車(chē)在短時(shí)間內(nèi)縱向運(yùn)動(dòng)行為不發(fā)生變化，即ACC車(chē)輛在換道時(shí)不會(huì)與目標(biāo)車(chē)發(fā)生碰撞，所以只需要對(duì)ACC車(chē)輛的換道觸發(fā)機(jī)制進(jìn)行設(shè)計(jì)。ACC車(chē)輛換道的主要原因是目標(biāo)車(chē)輛的速度過(guò)低，因此本文以速度不滿意累計(jì)度模型設(shè)計(jì)ACC車(chē)輛換道的觸發(fā)機(jī)制。

速度不滿意累計(jì)度模型[18]描述的是期望車(chē)速與實(shí)際車(chē)速的差值隨著時(shí)間的累積量，令vdes、v分別為期望的車(chē)速和實(shí)際的車(chē)速，則速度不滿意度累計(jì)度模型可表示如下：

(10)

式中:V(k)為k時(shí)刻的速度不滿意累計(jì)度值，ΔT為采樣時(shí)間。當(dāng)V(k)大于設(shè)定的閾值時(shí)，ACC車(chē)輛將被觸發(fā)進(jìn)行換道操作。

本文中是否存在目標(biāo)車(chē)輛的判定條件是主車(chē)當(dāng)前車(chē)道150 m內(nèi)是否存在前車(chē)，設(shè)定速度不滿意累計(jì)度的閾值為5。

1.2.2車(chē)間距策略

車(chē)間距策略的最主要作用是根據(jù)主車(chē)狀態(tài)和目標(biāo)車(chē)狀態(tài)求解出主車(chē)的期望車(chē)間距離，車(chē)間距策略主要分為固定車(chē)間距策略和可變車(chē)間據(jù)策略，由于可變車(chē)間距策略具有諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用?？勺冘?chē)間距策略根據(jù)車(chē)頭時(shí)距的不同又分為可變車(chē)頭時(shí)距策略和固定車(chē)頭時(shí)距策略，由于固定車(chē)頭時(shí)距策略未考慮因素較少，其控制效果較差。因此，本文采用考慮前車(chē)車(chē)速、加速度的可變車(chē)頭時(shí)距策略。

車(chē)間距策略可表示如下：

Δxdes=thv+d0

(11)

th=t0-a(vl-ν)-bal

(12)

式中: Δxdes為期望車(chē)間距離，th為車(chē)頭時(shí)距，t0為默認(rèn)的車(chē)頭時(shí)距，v為主車(chē)車(chē)速，vl為目標(biāo)車(chē)車(chē)速，al為目標(biāo)車(chē)加速度，d0為最小車(chē)間距離，a、b分別為系數(shù)。

1.2.3縱向期望加速度決策模型

MPC算法由于可約束多目標(biāo)并在線優(yōu)化求解，控制效果較好、魯棒性較強(qiáng)。因此，本文將基于模型預(yù)測(cè)理論設(shè)計(jì)車(chē)輛的縱向期望加速度決策模型，以求解車(chē)輛的期望加速度。

1) 車(chē)輛縱向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

車(chē)輛縱向運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系示意圖如圖6，則主車(chē)和目標(biāo)車(chē)的縱向運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系可表示為：

圖6 車(chē)輛縱向運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系示意圖

(13)

式中:vl(k)、v(k)、al(k)、a(k)、Δv(k)、Δx(k)分別表示k時(shí)目標(biāo)車(chē)的車(chē)速、主車(chē)車(chē)速、目標(biāo)車(chē)加速度、主車(chē)加速度、主車(chē)與目標(biāo)車(chē)的速度差、主車(chē)與目標(biāo)車(chē)的距離差，Ts為采樣時(shí)間，vl(k+1)、Δv(k+1)及Δx(k+1)分別表示k+1時(shí)刻目標(biāo)車(chē)的速度、主車(chē)與目標(biāo)車(chē)速度差、主車(chē)與目標(biāo)車(chē)的距離差。

由于車(chē)輛控制系統(tǒng)的非線性較強(qiáng)，上層控制器與下層控制器之間存在一定的遲滯，則將實(shí)際的加速度與期望的加速度關(guān)系表示如下：

(14)

式中:τ為慣性時(shí)間常數(shù)，u(k)為求解的期望加速度。

為了使上層控制器的求解效果更加準(zhǔn)確，本文將主車(chē)的加速度變化率引入到到車(chē)輛縱向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型之中。由離散差分原理求解主車(chē)的加速度變化率表示如下，其中j(k+1)表示主車(chē)的加速度變化率。

(15)

則可以將式(13)轉(zhuǎn)化為：

(16)

選取x(k)=[Δx(k) Δv(k)v(k)a(k)j(k)]T為控制系統(tǒng)的狀態(tài)變量，主車(chē)的期望加速度μ(k)為控制變量，前車(chē)的加速度為al(k)擾動(dòng)變量，y(k)=[δ(k) Δv(k)a(k)j(k)]T為系統(tǒng)的輸出變量，則建立車(chē)輛縱向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的狀態(tài)空間表達(dá)式：

(17)

2) 控制目標(biāo)分析

為了兼顧車(chē)輛巡航跟車(chē)時(shí)安全性、舒適性、跟車(chē)性等多方面的要求，將控制目標(biāo)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)。

安全性：在巡航行駛中需要滿足相應(yīng)的法規(guī)要求，并避免車(chē)輛發(fā)生碰撞，將車(chē)輛的行駛實(shí)際速度和車(chē)間距約束如式(18)，式中d0為避免發(fā)生碰撞的最小安全距離，vmin和vmax分別為滿足交通法規(guī)約束的車(chē)輛速度上下限。

Constraints: Δx(k)>d0,vmin≤v(k)≤vmax

(18)

舒適性：一般利用車(chē)輛加速度和加速度變化率衡量駕駛舒適性，對(duì)其約束為：

(19)

Constraints:amin≤a(k)≤amax,jmin≤j(k)≤jmax

(20)

式中amin、amax、jmin、jmax分別為加速度及加速度變化率的最小值、最大值。

跟車(chē)性：為滿足車(chē)輛跟車(chē)時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，車(chē)輛期望的車(chē)間距和實(shí)際車(chē)間距的誤差δ(k)應(yīng)趨于0，實(shí)際車(chē)速與目標(biāo)車(chē)的車(chē)速誤差Δv(k)應(yīng)趨近于0，跟車(chē)性的優(yōu)化目標(biāo)如下：

(21)

3) 多目標(biāo)MPC控制器設(shè)計(jì)

基于已經(jīng)建立的車(chē)輛縱向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的狀態(tài)空間表達(dá)式，設(shè)定ξ(k)=[x(k)μ(k-1)]T，則可得：

(22)

Y(t)=ΨtX(t)+ΘtΔU(t)+ΥtW(t)+Z

(23)

基于多控制目標(biāo)約束和優(yōu)化指標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)如下：

(24)

1.2.4換道軌跡規(guī)劃

換道是車(chē)輛運(yùn)動(dòng)控制的常規(guī)操作之一，主要包括強(qiáng)制換道和自由換道[19]。強(qiáng)制換道一般發(fā)生在危險(xiǎn)駕駛、匝道、匯流等交通場(chǎng)景，自主換道一般是由于駕駛員不滿意當(dāng)前車(chē)道的行車(chē)速度追求更高的行車(chē)速度及駕駛習(xí)性所致。因此，本文主要針對(duì)自主換道行為進(jìn)行換道軌跡規(guī)劃及軌跡跟蹤控制器設(shè)計(jì)。

軌跡規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)車(chē)輛換道的關(guān)鍵，目前常用的軌跡規(guī)劃方法有圖搜索、隨機(jī)采樣、幾何曲線、基于動(dòng)態(tài)優(yōu)化等方法，其中幾何曲線中的五次多項(xiàng)式規(guī)劃方法具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、曲線曲率連續(xù)且平滑、不存在階躍等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。

多項(xiàng)式曲線利用車(chē)輛換道起點(diǎn)、終點(diǎn)位置和姿態(tài)信息可得到滿足換道的參考軌跡曲線，五次多項(xiàng)式的表達(dá)式如下：

y(x)=a5x5+a4x4+a3x3+

a2x2+a1x+a0

(25)

式中，a0～a5為五次多項(xiàng)式的系數(shù)，其可由下式求解得到。

(26)

式中:x0、y0、x1、y1分別表示車(chē)輛換道的初始位置和終止位置。

1.2.5軌跡跟蹤控制

軌跡跟蹤控制是實(shí)現(xiàn)車(chē)輛換道的關(guān)鍵，本文采用兼顧多目標(biāo)約束及優(yōu)化的MPC算法進(jìn)行軌跡跟蹤控制器的設(shè)計(jì)。

(27)

其中H=

基于上述建立的狀態(tài)空間方程，本文將其轉(zhuǎn)化為M腳本，利用Matlab中的MPC Designer工具箱設(shè)計(jì)適用于換道的MPC控制器。定義MPC控制器的輸入及輸出結(jié)構(gòu)、控制器參數(shù)、約束條件等即可完成MPC控制器的設(shè)計(jì)。通過(guò)多次調(diào)參與仿真測(cè)試設(shè)定預(yù)測(cè)時(shí)域?yàn)?0、控制時(shí)域?yàn)?0、采樣時(shí)間為0.01,控制約束為-0.5 rad≤δ≤0.5 rad。

2 仿真測(cè)試與結(jié)果分析

利用Prescan/Carsim/Simulink軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真測(cè)試，其中車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型部分參數(shù)如表1所示。

表1 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型部分參數(shù)

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的具有換道功能的自適應(yīng)巡航控制策略，分別設(shè)計(jì)了定速巡航、定速巡航-跟車(chē)巡航、定速巡航-跟車(chē)巡航-換道巡航3類(lèi)工況進(jìn)行仿真測(cè)試。另外，為了驗(yàn)證多控制模式切換策略，并便于對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，分別用數(shù)字‘1’‘2’‘3’代表定速巡航、跟車(chē)巡航、換道巡航模式。

2.1 定速巡航工況

定速巡航工況中主車(chē)前方不存在目標(biāo)車(chē)輛，車(chē)輛將根據(jù)駕駛員設(shè)定的車(chē)速巡航行駛，本文設(shè)計(jì)了2種工況進(jìn)行仿真測(cè)試,主要驗(yàn)證ACC車(chē)輛對(duì)設(shè)定巡航車(chē)速的響應(yīng)。

工況一：主車(chē)的初始速度為40 km/h，前方不存在目標(biāo)車(chē)輛，設(shè)定期望巡航車(chē)速?gòu)?0 km/h等速遞增至120 km/h，仿真測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 定速巡航工況一仿真測(cè)試結(jié)果

工況二：主車(chē)的初始速度為120 km/h，前方不存在目標(biāo)車(chē)輛，設(shè)定期望巡航車(chē)速?gòu)?20 km/h等速遞減至40 km/h，仿真測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 定速巡航工況二仿真測(cè)試結(jié)果

根據(jù)圖7和圖8的仿真測(cè)試結(jié)果分析可知，ACC車(chē)輛對(duì)設(shè)定的期望巡航車(chē)速響應(yīng)較好，可滿足定速巡航的功能要求。

2.2 定速巡航-跟車(chē)巡航工況

定速巡航-跟車(chē)巡航工況中，當(dāng)主車(chē)前方存在目標(biāo)車(chē)輛時(shí)，主車(chē)將跟隨前車(chē)穩(wěn)定行駛。本文設(shè)計(jì)了復(fù)合工況進(jìn)行仿真測(cè)試，主要驗(yàn)證ACC車(chē)輛定速巡航-跟車(chē)巡航控制模式切換及跟車(chē)行駛的穩(wěn)定性等。

設(shè)定主車(chē)的初始車(chē)速為40 km/h，巡航車(chē)速為80 km/h；主車(chē)前方250 m處存在目標(biāo)車(chē)，目標(biāo)車(chē)初始車(chē)速為36 km/h，在50、86 s時(shí)目標(biāo)車(chē)車(chē)速分別增加至72、108 km/h，仿真測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

根據(jù)圖9中仿真測(cè)試結(jié)果分析可知，初始時(shí)刻主車(chē)前方不存在目標(biāo)車(chē)輛，車(chē)輛執(zhí)行定速巡航模式并迅速響應(yīng)設(shè)定的巡航車(chē)速80 km/h。在6.2 s時(shí)主車(chē)檢測(cè)到存在目標(biāo)車(chē)輛，執(zhí)行跟車(chē)巡航模式，19 s時(shí)主車(chē)跟隨目標(biāo)車(chē)輛以36 km/h的車(chē)速穩(wěn)定行駛。在50 s時(shí)目標(biāo)車(chē)車(chē)速增加至72 km/h，主車(chē)響應(yīng)目標(biāo)車(chē)的動(dòng)態(tài)變化以72 km/h的車(chē)速穩(wěn)定跟車(chē)行駛。在86 s時(shí)目標(biāo)車(chē)車(chē)速增加至108 km/h逐漸遠(yuǎn)離主車(chē)，主車(chē)車(chē)速?gòu)?2 km/h增加至80 km/h，并在99 s時(shí)執(zhí)行定速巡航模式。綜合仿真測(cè)試結(jié)果可知，ACC車(chē)輛在定速巡航-跟車(chē)巡航時(shí)的控制效果較好。

圖9 定速巡航-跟車(chē)巡航工況仿真測(cè)試結(jié)果

2.3 定速巡航-跟車(chē)巡航-換道巡航工況

定速巡航-跟車(chē)巡航-換道巡航工況中主車(chē)前方存在低速行駛目標(biāo)車(chē)輛且當(dāng)速度不滿意累計(jì)度大于閾值時(shí)，主車(chē)將主動(dòng)控制車(chē)輛進(jìn)行換道以追求更高的行駛速度。本文設(shè)計(jì)多復(fù)合工況進(jìn)行仿真測(cè)試，主要驗(yàn)證ACC車(chē)輛的多模式切換、換道功能激活及自主換道等。

設(shè)定主車(chē)的初始車(chē)速為40 km/h，巡航車(chē)速為80 km/h；主車(chē)前方250 m處存在目標(biāo)車(chē)，目標(biāo)車(chē)初始車(chē)速為54 km/h，并保持該車(chē)速穩(wěn)定行駛，仿真測(cè)試結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 縱向控制仿真測(cè)試結(jié)果

圖11 橫向控制仿真測(cè)試結(jié)果

根據(jù)圖10中的仿真測(cè)試結(jié)果可知，初始時(shí)刻主車(chē)前方不存在目標(biāo)車(chē)輛，車(chē)輛執(zhí)行定速巡航模式并迅速響應(yīng)設(shè)定的巡航車(chē)速80 km/h。在10.7 s時(shí)主車(chē)檢測(cè)到存在目標(biāo)車(chē)輛，執(zhí)行跟車(chē)巡航模式，32 s時(shí)主車(chē)跟隨目標(biāo)車(chē)輛以54 km/h的車(chē)速穩(wěn)定行駛。在46 s時(shí)速度不滿意累計(jì)度大于設(shè)定的閾值執(zhí)行換道巡航模式，換道結(jié)束后主車(chē)前方不存在目標(biāo)車(chē)輛執(zhí)行定速巡航模式，50 s時(shí)主車(chē)迅速響應(yīng)設(shè)定的期望車(chē)速巡航行駛。根據(jù)圖11中橫向控制的仿真結(jié)果可知，主車(chē)可穩(wěn)定跟蹤規(guī)劃的參考軌跡且前輪轉(zhuǎn)角控制量及狀態(tài)量橫擺角均在合理的范圍。

PreScan軟件中的VisServer可對(duì)仿真過(guò)程中的視頻進(jìn)行回放，本文利用其Replay模塊將ACC車(chē)輛自主換道時(shí)的狀態(tài)展示于表2，其中t表示仿真時(shí)間。

表2 ACC車(chē)輛換道狀態(tài)

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了具有換道功能的自適應(yīng)巡航控制策略，當(dāng)ACC車(chē)輛在面對(duì)前方低速行駛的目標(biāo)車(chē)輛時(shí)可執(zhí)行換道操作，其可有效地提高ACC車(chē)輛的行車(chē)效率。首先，將ACC車(chē)輛的控制模式分為定速巡航、跟車(chē)巡航、換道巡航3種，并基于速度不滿意累計(jì)度設(shè)計(jì)了多模式切換策略。然后，采用分層式控制結(jié)構(gòu)，基于MPC算法設(shè)計(jì)了自適應(yīng)巡航控制器和軌跡跟蹤控制器，基于五次多項(xiàng)式進(jìn)行了換道軌跡規(guī)劃等。最后，利用Prescan/Carsim/Matlab軟件進(jìn)行了聯(lián)合仿真測(cè)試。

由仿真測(cè)試結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的具有換道功能的自適應(yīng)巡航控制策略在定速巡航模式下可按照設(shè)定的車(chē)速穩(wěn)定行駛；在跟車(chē)巡航模式下可跟隨前車(chē)穩(wěn)定巡航，響應(yīng)快速且魯棒性較好；在換道巡航模式下可穩(wěn)定跟蹤規(guī)劃的參考軌跡實(shí)現(xiàn)自主換道。另外，ACC車(chē)輛可按照設(shè)計(jì)的多模式切換策略進(jìn)行模式切換。本文設(shè)計(jì)的控制策略及控制器穩(wěn)定、高效且可靠，可為后來(lái)的研究提供參考。本文亦存在不足之處，研究過(guò)程中未考慮不同駕駛員的駕駛特性、換道時(shí)的工況比較單一等，后續(xù)可進(jìn)一步研究。