姜順明,王奕軒,吳朋朋
(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)
在目前自適應(yīng)巡航(adaptive cruise control,ACC)系統(tǒng)控制算法的研究中,主要有動(dòng)態(tài)規(guī)劃控制(dynamic programming,DP)、滑膜控制(sliding mode control,SMC)以及經(jīng)典PID控制等,多以安全性和跟車性為控制目標(biāo)而忽視了經(jīng)濟(jì)性和舒適性的需求,難以滿足各種復(fù)雜工況下的多目標(biāo)需求。目前,由于模型預(yù)測(cè)控制(model predictive control,MPC)具有預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正等優(yōu)點(diǎn),可以很好地兼顧多個(gè)控制目標(biāo)需求以及控制約束,因此得到了廣泛運(yùn)用。
陳濤等[1]考慮駕駛風(fēng)格對(duì)安全距離的影響,根據(jù)駕駛風(fēng)格調(diào)節(jié)速度、加速度和相對(duì)距離,提升了一定的舒適性。冷姚等[2]根據(jù)行駛工況設(shè)計(jì)4種ACC控制模式,采用二次最優(yōu)控制理論,考慮多目標(biāo)優(yōu)化,能夠在復(fù)雜工況下完成跟蹤控制。Yang 等[3]針對(duì)坡道工況油耗利用率低和彎道易打滑的問題,提出一種多工況適應(yīng)性自適應(yīng)巡航架構(gòu),有效地提升了系統(tǒng)在坡道工況下的經(jīng)濟(jì)性和彎道工況下的安全性。張亮修等[4]綜合考慮車輛跟車時(shí)的跟車性、燃油經(jīng)濟(jì)性、駕乘人員舒適性和安全性,最終求解帶約束的二次規(guī)劃問題。李旗等[5]在控制目標(biāo)的權(quán)重調(diào)整中,通過分析車輛間的危險(xiǎn)程度,采用模糊推理實(shí)現(xiàn)變權(quán)重設(shè)計(jì)。章軍輝等[6]在控制目標(biāo)的權(quán)重調(diào)整方面,通過調(diào)整待優(yōu)化目標(biāo)與控制輸入權(quán)重,將ACC系統(tǒng)分出6種工作模式,同樣采用模糊推理與加速度加權(quán)平均策略。魏洪貴等[7]使用高斯樸素貝葉斯算法預(yù)測(cè)前方車輛未來行為,進(jìn)而調(diào)整權(quán)重參數(shù)。姜順明等[8]針對(duì)城市、城郊和公路3種工況將跟車性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行加權(quán)作為目標(biāo)函數(shù)。
綜上所述,多目標(biāo)優(yōu)化主要分為固定權(quán)重和變權(quán)重兩類:第一類針對(duì)自車行駛工況或前車駕駛行為的變化分別設(shè)計(jì)不同的控制模式,一定程度上能夠提升各目標(biāo)性能,但適用范圍有限,難以應(yīng)對(duì)各類復(fù)雜工況。第二類采用變權(quán)重,權(quán)重系數(shù)可隨工況的變化而靈活地變化,但大多采用模糊控制思想,主觀性較強(qiáng),無法體現(xiàn)不同復(fù)雜工況的客觀規(guī)律。為此,本文基于模型預(yù)測(cè)控制原理,結(jié)合一種基于熵權(quán)法的權(quán)重在線調(diào)優(yōu)方法[9],避免以往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)賦予權(quán)重而導(dǎo)致主觀性太強(qiáng)。此方法根據(jù)行車環(huán)境的變化客觀實(shí)時(shí)地計(jì)算出城市、城郊和公路3種工況下的跟車性、經(jīng)濟(jì)性以及舒適性各權(quán)重系數(shù)的變化趨勢(shì),充分協(xié)調(diào)各子目標(biāo)之間的關(guān)系。最后,結(jié)合Simulink的動(dòng)力學(xué)模型和CarSim車輛模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
由于CTH算法減少了復(fù)雜度且相對(duì)穩(wěn)定可靠,故用CTH算法作為安全車間距模型[10],如式(1)示:
ddes=τhvh+d0
(1)
式中:ddes為自車與跟隨車輛的期望車間距;τh為車間時(shí)距;d0為兩車相對(duì)最小的安全距離。
本文將車間距、車速誤差、自車車速以及自車加速度作為狀態(tài)向量,構(gòu)建車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型,并將前車加速度作為本系統(tǒng)的外部擾動(dòng)。所建立的縱向動(dòng)力學(xué)模型能完整真實(shí)地反映車輛間的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律,可靠性較高。車輛行駛運(yùn)動(dòng)如圖1所示。
圖1 ACC縱向動(dòng)力學(xué)模型示意圖
考慮到車輛期望加速度和實(shí)際加速度的延遲,可以用一階慣性環(huán)節(jié)表示[11]:
(2)
式中:ades為車輛期望加速度(m/s2);ah為自車實(shí)際加速度(m/s2);TL為系統(tǒng)時(shí)間延遲常數(shù)(s)。
由車輛間動(dòng)力學(xué)關(guān)系可知,自車與前車的動(dòng)力學(xué)關(guān)系為:
(3)
式中:Δv為前車與自車縱向車速誤差,(m/s);vf為前車車速(m/s);vh為自車車速(m/s);Δd為車間距誤差(m);d為實(shí)際車間距(m)。
選取x=[dΔvvhah]T作為車輛狀態(tài)參數(shù),將期望加速度u=ades作為系統(tǒng)的控制輸入,并將前車的加速度φ=af作為系統(tǒng)擾動(dòng)。結(jié)合式(2)和式(3)對(duì)車間縱向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程進(jìn)行離散化處理[12],得:
(4)
式中:k為當(dāng)前時(shí)刻;TS為采樣時(shí)間,本文取0.1 s。
在設(shè)計(jì)自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的上層控制算法時(shí),必須同時(shí)兼顧多個(gè)相互矛盾的優(yōu)化目標(biāo),滿足各方面的需求。首先需要保證安全性,其次綜合考慮跟車性、駕乘舒適性以及燃油經(jīng)濟(jì)性,并通過加權(quán)求和,將這些控制目標(biāo)轉(zhuǎn)化成帶約束二次規(guī)劃求解問題[13]。
1) 安全性
ACC系統(tǒng)車輛在跟車過程中,首先需要保證安全性,車間距必須大于安全車間距。綜合考慮THW及安全跟車條件[14],以約束的形式給出安全性條件:
(5)
式中:ds為跟車安全車距;tTHW為碰撞時(shí)間;ds0為最小跟車安全距離。
2) 跟車性
用車間距誤差和車速誤差表征跟車性,當(dāng)穩(wěn)定跟車行駛時(shí),車間距誤差和車速誤差均要趨向于0,表示為:
(6)
故用二次型表示,即為[15]:
JT=ωΔdΔd2+ωΔvΔv2
(7)
式中:JT為跟車性目標(biāo)函數(shù);ωΔd、ωΔv分別為車間距誤差和車速誤差的權(quán)重系數(shù)。
3) 燃油經(jīng)濟(jì)性
由于目標(biāo)控制輸入越平滑,就越有利于提升經(jīng)濟(jì)性,同時(shí)降低加速度的峰值有利于降低整車的能耗,故用控制量和控制量變化率加權(quán)和的形式表示燃油經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)[16],即為:
JE=ωuu2+ωΔuΔu2
(8)
式中:ωu為輸入控制量權(quán)重系數(shù),ωΔu為控制量增量權(quán)重系數(shù)。
4) 駕乘舒適性
駕乘舒適性直接影響駕乘人員對(duì)ACC的接受程度。研究表明,舒適性與加速度變化率密切相關(guān),式(8)已有體現(xiàn),在此不再贅述,故用參考加速度和跟車實(shí)際加速度差值的二次型來表示舒適性[17],即:
JC=ωca(ah,ref-ah)2
(9)
式中:JC為乘坐舒適性指標(biāo);ωca為其權(quán)重系數(shù);ah,ref=kvΔv+kdΔd為駕駛員參考加速度[18]。
ACC多目標(biāo)函數(shù)中,JT、JE和JC之間既有聯(lián)系又存在一定的矛盾。在城市、城郊和公路不同的工況下,需要充分協(xié)調(diào)三者的關(guān)系,需要以加權(quán)的形式將3個(gè)子目標(biāo)結(jié)合起來,尋求最佳的權(quán)重系數(shù)優(yōu)化策略。
ACC多目標(biāo)系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為:
J=ωTJT+ωEJE+JC=
ωT(ωΔdΔd2+ωΔvΔv2)+
(10)
式中:J為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù);ωT為跟車性權(quán)重;ωE為燃油經(jīng)濟(jì)性權(quán)重。
由于安全性是ACC系統(tǒng)最重要也是最基本的性能指標(biāo),若設(shè)計(jì)成軟約束,將會(huì)增加安全隱患,因此將安全性指標(biāo)設(shè)計(jì)成硬約束:
d≥ds
(11)
為使車間距在可接受范圍內(nèi),減少跟車誤差,故以期望車間距上下偏離一段距離來設(shè)計(jì)車間距誤差。同時(shí)為了保證高速行駛時(shí)車間距在可控范圍,故車間距的上下限設(shè)計(jì)成軟約束形式[19],即:
(12)
跟車性中的車速誤差約束如下:
(13)
對(duì)控制量及其增量進(jìn)行軟約束處理:
(14)
為了避免松弛因子的無限增加,一般在優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中增加懲罰項(xiàng),以便控制系統(tǒng)得到優(yōu)化問題的可行解。
定義k為當(dāng)前時(shí)刻,P為預(yù)測(cè)時(shí)域,C為控制時(shí)域,則預(yù)測(cè)時(shí)域i∈[k:k+P-1],控制時(shí)域?yàn)閕∈[k:k+C-1],目標(biāo)函數(shù)如下:
Q[mx(k+i+1|k)+D0]+
(15)
式中:
基于式(7)(8)(9)的子目標(biāo)函數(shù)JT、JE、JC,使用一種權(quán)重系數(shù)在線實(shí)時(shí)調(diào)優(yōu)方法。用s表示調(diào)優(yōu)的次數(shù)。由于三者權(quán)重系數(shù)具強(qiáng)耦合關(guān)系,為了方便計(jì)算,固定ωc為1保持不變,只討論ωT和ωE的變化。該方法步驟如下:
步驟1:根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定一組初值為ωT0和ωE0,并以其為中心,分別以ΔωT和ΔωE為離散間隔,離散化5個(gè)數(shù)值,如表1所示。
表1 權(quán)重系數(shù)的設(shè)置
步驟2:如表2所示,從表1得到25組權(quán)重系數(shù)。將每組的權(quán)重系數(shù)(ωT(i1),ωE(i2)),i1,i2=1,2,…,5代入式(7)(8)(9)中,可求得ωTJT、ωEJE、JC三個(gè)子目標(biāo)值,從而得到評(píng)價(jià)矩陣Jm×n,其中m為試驗(yàn)組,n為評(píng)價(jià)指標(biāo)。
表2 評(píng)價(jià)矩陣元素
步驟3:找出最佳的試驗(yàn)組。選取一個(gè)評(píng)價(jià)函數(shù)f,由此計(jì)算出試驗(yàn)組的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)Xi。
Xi=f(Ji,1,Ji,2,Ji,3)i=1,2,…,p
(16)
步驟4:將最優(yōu)試驗(yàn)組的權(quán)重系數(shù)繼續(xù)作為離散化中心,令s=s+1,重復(fù)步驟1至步驟4。
在線整體調(diào)優(yōu)過程如圖2所示。
圖2 權(quán)重系數(shù)在線整體調(diào)優(yōu)過程示意圖
需要注意的是:
1) 若權(quán)重系數(shù)間數(shù)量級(jí)相差過大,某些子目標(biāo)對(duì)優(yōu)化結(jié)果影響過小,易被忽視,故需要限制各權(quán)重系數(shù)的數(shù)量級(jí),將ωT、ωE的范圍限定在[0.1,10]。同時(shí)為了便于計(jì)算且保證優(yōu)化精度,離散間距ΔωT和ΔωE的值設(shè)為0.1。
2) 為保證權(quán)重系數(shù)調(diào)優(yōu)和MPC指標(biāo)優(yōu)化的同時(shí)性和一致性,權(quán)重系數(shù)的調(diào)優(yōu)周期與MPC的優(yōu)化采樣時(shí)間保持一致,即0.1 s。當(dāng)滿足(ωT,s+1,ωE,s+1)=(ωT,s,ωE,s)或s≥10時(shí)即可結(jié)束。
下面將確定評(píng)價(jià)函數(shù)f,使用隸屬度和熵權(quán)相結(jié)合的方法定義綜合評(píng)價(jià)函數(shù)。
由于各子目標(biāo)單位數(shù)值不統(tǒng)一,故在優(yōu)化之前,需要對(duì)各參數(shù)進(jìn)行無量綱化處理。
3.2.1無量綱處理方法
基于隸屬度的無量綱處理方法如下:
(17)
式中:Ji, j(i=1,2,…,m;j=1,2,3)為表2中的目標(biāo)函數(shù)值;μij為無量綱化的結(jié)果,表示駕駛員對(duì)此子目標(biāo)值的滿意程度,μij∈[0,1]。
上述隸屬度函數(shù)不僅對(duì)目標(biāo)值進(jìn)行了無量綱化處理,而且引進(jìn)了駕駛員滿意度,具有模糊特性,能夠反應(yīng)駕駛員對(duì)跟車性、經(jīng)濟(jì)性以及舒適性的需求。
3.2.2基于熵權(quán)法的評(píng)價(jià)函數(shù)
無量綱化后,評(píng)價(jià)矩陣Jm×n轉(zhuǎn)為隸屬度矩陣:
(18)
式中:μij為第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象、第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度。
通常,若一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)在各個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象間數(shù)值差距越大,表明其在評(píng)價(jià)指標(biāo)中可以提供更多的信息,在綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)中會(huì)占據(jù)更大的比例,因此應(yīng)賦予更大的權(quán)重系數(shù)。某個(gè)參數(shù)包含的信息隨著熵的增大而增大,隨著熵的減小而減小[20]。故本文引入信息熵來度量指標(biāo)的差異性。
步驟如下[20]:
① 指標(biāo)j下評(píng)價(jià)對(duì)象i的值表示指標(biāo)的比例:
(19)
② 第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值:
(20)
式中:k=1/ln(m)>0,滿足eij≥0。
③ 信息熵的差異:
dj=1-ej,j=1,…,n
(21)
④ 各指標(biāo)的熵權(quán):
(22)
熵權(quán)法的基本原則是根據(jù)指標(biāo)的重要程度來客觀地確定其權(quán)重系數(shù)。
由此可見,定義評(píng)價(jià)函數(shù)如下:
(23)
通過上述評(píng)價(jià)函數(shù),可以確定最佳的一組試驗(yàn)組,進(jìn)而確定一組最佳的權(quán)重系數(shù)。
多目標(biāo)變權(quán)重自適應(yīng)巡航控制流程如圖3所示。以車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型為控制對(duì)象,基于期望安全車間距模型并結(jié)合車輛狀態(tài)參數(shù)對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè),同時(shí)使用熵權(quán)法對(duì)多目標(biāo)性能指標(biāo)權(quán)重系數(shù)進(jìn)行在線調(diào)優(yōu),最終通過滾動(dòng)優(yōu)化求得期望加速度,并作用于被控車輛。
圖3 多目標(biāo)變權(quán)重自適應(yīng)巡航控制流程框圖
選取如圖3所示的WLTP循環(huán)工況作為測(cè)試樣本,包含城市、城郊及高速3種工況且各占1/3。
圖4 WLTP循環(huán)工況
經(jīng)上述的基于隸屬度的熵權(quán)法調(diào)整并將ωT、ωE、ωC歸一化后得到部分時(shí)間段的權(quán)重調(diào)整圖,如圖5—7所示。
從圖5可知,城市工況下經(jīng)濟(jì)性的權(quán)重普遍大于跟車性的權(quán)重和舒適性權(quán)重,這是由于城市工況路況較為復(fù)雜,加減速比較頻繁,惡化了燃油經(jīng)濟(jì)性,因此對(duì)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化的需求較高,但跟車性和舒適性依然需要維持在一個(gè)可接受范圍內(nèi)。在圖6中,可以看到,城郊工況下跟車性權(quán)重、經(jīng)濟(jì)性權(quán)重和舒適性權(quán)重相差無幾,當(dāng)急加速或急減速時(shí),在保證安全性的前提下經(jīng)濟(jì)性權(quán)重略微大于跟車性權(quán)重,在部分穩(wěn)態(tài)行駛工況時(shí),跟車性權(quán)重又逐漸提升。在圖7中,跟車性的權(quán)重普遍大于經(jīng)濟(jì)性的權(quán)重和舒適性權(quán)重,這是由于在公路工況下,汽車普遍處于高速穩(wěn)態(tài)地行駛,燃油經(jīng)濟(jì)性改善能力有限,更加注重跟車性能。
圖5 城市工況權(quán)重調(diào)整
圖6 城郊工況權(quán)重調(diào)整
圖7 公路工況權(quán)重調(diào)整
將本文所設(shè)計(jì)多目標(biāo)熵權(quán)調(diào)優(yōu)變權(quán)重ACC(以下簡稱熵權(quán)調(diào)優(yōu)ACC)與固定權(quán)重ACC以及文獻(xiàn)[6]所提模糊控制權(quán)重調(diào)優(yōu)ACC(以下簡稱模糊調(diào)優(yōu)ACC)進(jìn)行對(duì)比,仿真結(jié)果如圖8—11所示。
圖8 城市工況車間距
圖8—11分別是WLTP循環(huán)工況中城市工況部分時(shí)間段車間距、加速度、加速度變化率和舒適性指標(biāo)的控制結(jié)果。圖8為城市工況下熵權(quán)調(diào)優(yōu)ACC的車間距變化曲線??梢钥吹?,車間距約束在車間距的上下限內(nèi),跟車性和安全性得以保證。由圖9和圖10可知,在城市工況下由于增大了經(jīng)濟(jì)性的權(quán)重系數(shù),熵權(quán)調(diào)優(yōu)ACC與固定權(quán)重ACC、模糊調(diào)優(yōu)ACC相比,加速度和加速度變化率較為平緩且峰值更低,有利于提升燃油經(jīng)濟(jì)性。圖11表明,熵權(quán)調(diào)優(yōu)ACC的舒適性指標(biāo)更接近0,這是由于自車實(shí)際加速度降低明顯,更加符合駕駛?cè)说男睦眍A(yù)期,駕乘舒適性得到改善。
圖9 城市工況加速度
圖10 城市工況加速度變化率
圖11 城市工況舒適性指標(biāo)
圖12—15分別表示W(wǎng)LTP循環(huán)工況中城郊工況部分時(shí)間段車間距誤差、加速度、加速度變化率和舒適性指標(biāo)的控制結(jié)果。此時(shí),跟車性權(quán)重和經(jīng)濟(jì)性權(quán)重基本等同。
圖12 城郊工況車間距誤差
圖12表明,熵權(quán)調(diào)優(yōu)ACC車間距誤差有明顯的降低,跟蹤性能加強(qiáng)。綜合圖13和圖14來看,相較于固定權(quán)重ACC,熵權(quán)調(diào)優(yōu)ACC的加速度和加速度變化率較為平滑,峰值也稍小,這是由于在目標(biāo)函數(shù)中加入了經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo),經(jīng)濟(jì)性得到了改善。由圖15可知,熵權(quán)調(diào)優(yōu)ACC舒適性能最佳,模糊調(diào)優(yōu)ACC次之。這是由于車間距誤差、相對(duì)速度和加速度都有明顯減少,駕乘舒適性也得到改善。
圖13 城郊工況加速度
圖14 城郊工況加速度變化率
圖15 城郊工況舒適性指標(biāo)
圖16—19分別是WLTP循環(huán)工況中公路工況部分時(shí)間段車間距誤差、加速度、加速度變化率和舒適性指標(biāo)的控制結(jié)果。
圖16 公路工況車間距誤差
由圖16可知,在公路工況下,由于公路工況下跟車性的權(quán)重系數(shù)增大,熵權(quán)調(diào)優(yōu)ACC車間距誤差稍有降低,跟蹤性能加強(qiáng)。而圖17和圖18表明,三者的加速度以及加速度變化率差別不大,這是由于公路工況下大部分處于穩(wěn)態(tài)工況,加減速頻率降低。由圖19可知,熵權(quán)調(diào)優(yōu)ACC舒適性指標(biāo)表現(xiàn)良好,駕乘舒適性得到一定改善。
圖17 公路工況加速度
圖18 公路工況加速度變化率
圖19 公路工況舒適性指標(biāo)
圖20—22分別表示W(wǎng)LTP循環(huán)工況下各工況的百公里油耗、平均車間距誤差和平均舒適性指標(biāo),分別代表著燃油經(jīng)濟(jì)性、跟車性和舒適性。
圖20 各工況百公里油耗
圖20表明,城市工況下熵權(quán)調(diào)優(yōu)ACC百公里油耗降低最為明顯,約10.2%,城郊工況下油耗降低約為3.4%,而公路工況下幾乎無變化。由圖21可知,熵權(quán)調(diào)優(yōu)ACC在公路工況下平均車間距誤差有了較明顯地降低,保證了行駛安全性和跟車性。圖22表明,在各個(gè)工況下,熵權(quán)調(diào)優(yōu)ACC的平均舒適性指標(biāo)都有降低,駕乘舒適性普遍得到了改善。
圖21 各工況平均車間距誤差
圖22 各工況平均舒適性指標(biāo)
針對(duì)傳統(tǒng)ACC多以安全性和跟車性為主,而忽視燃油經(jīng)濟(jì)性和舒適性的不足,提出一種綜合考慮多目標(biāo)的車輛變權(quán)重ACC控制系統(tǒng),主要結(jié)論如下:
1) 基于MPC控制規(guī)律對(duì)行駛車輛進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,建立車輛間縱向動(dòng)力學(xué)模型,以改善跟車性、燃油經(jīng)濟(jì)性和舒適性,將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)換成一個(gè)帶約束的二次規(guī)劃問題。
2) 為了探究各工況下車輛跟車性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性的權(quán)重變化規(guī)律,使用一種基于熵權(quán)法的權(quán)重在線調(diào)優(yōu)方法,將車間距、車速誤差、加速度、加速度變化率作為輸入變量,實(shí)時(shí)地計(jì)算出不同工況下各個(gè)子目標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。
3) 選取WLTP循環(huán)工況作為測(cè)試樣本,利用Simulink并結(jié)合CarSim汽車模型,仿真結(jié)果表明,相較于傳統(tǒng)固定權(quán)重ACC和模糊控制權(quán)重系數(shù)調(diào)優(yōu)ACC,在城市工況下,所設(shè)計(jì)熵權(quán)調(diào)優(yōu)變權(quán)重ACC燃油經(jīng)濟(jì)性與舒適性有明顯地提升。在城郊工況下,跟車性、經(jīng)濟(jì)性以及舒適性都要優(yōu)于傳統(tǒng)固定權(quán)重ACC。在公路工況下,熵權(quán)調(diào)優(yōu)變權(quán)重ACC與傳統(tǒng)ACC各性能基本一致,無明顯差別。