基于自適應(yīng)巡航的車輛主動換道仿真

付 鵬

（襄陽汽車職業(yè)技術(shù)學(xué)院 直屬工業(yè)學(xué)校，湖北 襄陽 441000）

自適應(yīng)巡航（Adaptive Cruise Control, ACC）系統(tǒng)是一項(xiàng)舒適性的輔助駕駛功能，為駕駛者提供了一種更輕松的駕駛方式。其成熟的技術(shù)有助于在實(shí)際的長距離行駛中減少駕駛員操作步驟，輔助車輛行駛過程中更加安全，減少發(fā)生交通事故的機(jī)率。但是如果遇到前方車輛長時(shí)間緩慢行駛，ACC系統(tǒng)只能使得本車在特定車道跟隨前車行駛，影響行車效率，特別是在車流量較嚴(yán)峻的道路上，易造成擁堵，能夠進(jìn)行自主換道的ACC系統(tǒng)將使得車輛向著智能化更進(jìn)一步，緩解駕駛員工作。

1 自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)

1.1 自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)工作原理

ACC系統(tǒng)是一種在傳統(tǒng)巡航控制系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，盡量少地增加軟硬件設(shè)備而開發(fā)出更加自主化、智能化的駕駛輔助系統(tǒng)，比較傳統(tǒng)的巡航控制系統(tǒng)工作原理和控制策略，傳統(tǒng)方案是駕駛員設(shè)置理想的目標(biāo)車速，車輛動力系統(tǒng)和制動系統(tǒng)做出響應(yīng)，使得車輛按照設(shè)定車速行駛，而在前方出現(xiàn)障礙物或者與前車行駛距離較近時(shí)不能夠主動做出操作，影響行車安全。ACC系統(tǒng)運(yùn)用智能傳感器技術(shù)實(shí)時(shí)采集前車及自車行駛情況，根據(jù)不同情況做出加速或者減速控制使得跟車距離在設(shè)定的范圍，使得系統(tǒng)功能更加完善，從而輔助甚至接替駕駛員控制油門踏板和制動踏板，提升駕駛舒適感，通過電子設(shè)備的設(shè)定，使用該系統(tǒng)可以使車輛在設(shè)定的車速和設(shè)定的安全車距行駛，合理使用系統(tǒng)可以在安全車速下行駛，保障行車安全。

1.2 基于ACC的主動換道系統(tǒng)

國內(nèi)外學(xué)者對基于主動換道的ACC系統(tǒng)進(jìn)行了研究，如文獻(xiàn)[1]就在自適應(yīng)協(xié)調(diào)巡航控制系統(tǒng)條件下，采用滑膜控制的方法針對道路狀況不明確的情況進(jìn)行控制，換道過程中一定程度上考慮到行車的安全性和平滑性。文獻(xiàn)[2]研究具有換道輔助功能的ACC多模式控制，在多模式自適應(yīng)巡航接近前車的工況增設(shè)換道輔助策略，改進(jìn)后的控制策略可以滿足多種模式下自適應(yīng)巡航控制策略，弱化對車輛換道操作的影響，靈活的控制策略使得車輛更加滿足城市繁雜交通環(huán)境下安全舒適的行車。文獻(xiàn)[3]研究基于車輛多種模式切換及主動完成換道的控制策略，達(dá)到識別駕駛員換道意圖，為了完成車輛換道控制，首先設(shè)計(jì)了換道路徑，根據(jù)理想換道路徑得出期望的橫擺角，設(shè)計(jì)滑?？刂破鞲櫰谕臋M擺角，得到理想的方向盤轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)車輛對換道路徑的跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)車輛在換道過程中的ACC多模式切換控制。

在ACC系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過從定速巡航控制器延伸到自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的方式，適當(dāng)增強(qiáng)控制器軟硬件，拓寬管理系統(tǒng)控制功能，自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)無需添加更多的設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)汽車的部分工況下自主行駛等多種延伸控制功能[4]。基于ACC的主動換道控制，通過增加控制器與收集的汽車方向盤旋轉(zhuǎn)角度信息，及轉(zhuǎn)向器運(yùn)行單元信息之間的數(shù)據(jù)通信，當(dāng)本車行進(jìn)的機(jī)動車道內(nèi)未監(jiān)測到前車時(shí)，車輛按照設(shè)定的速度定速巡航，當(dāng)感應(yīng)器監(jiān)測到前方有障礙物車輛，根據(jù)本車與前車的車距和速度關(guān)系判斷下一步操作，若車距大于安全車距，車輛將在保障安全距離的情況下跟隨前車行駛；如果車距小于安全車距，在保障換道目標(biāo)車道安全的情況下，執(zhí)行換道指令切換至目標(biāo)車道，換道成功后分析目標(biāo)車道環(huán)境情況，由前方是否有車，來判斷車輛執(zhí)行定速巡航或自動跟車巡航操作，其原理如圖1所示。

圖1 基于ACC的主動換道系統(tǒng)工作原理

2 安全距離分析

當(dāng)ACC自車前方存在車輛時(shí)，需要計(jì)算出最小安全距離（理想安全距離），當(dāng)車距小于這一距離時(shí)，車輛需要及時(shí)反饋信息給ACC控制單元，控制單元立即發(fā)出信號給到執(zhí)行單元進(jìn)行換道準(zhǔn)備，當(dāng)判斷出可以換道時(shí)，進(jìn)行換道，避免ACC制動距離不夠發(fā)生追尾事故，影響行車安全[5]。同時(shí)在保障車輛安全性的基礎(chǔ)上，考慮舒適性對車輛的影響，安全距離如式（1）所示，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 相關(guān)參數(shù)

在實(shí)際應(yīng)用中，車輛在減速過程中速度線性變化可以提高汽車的乘坐舒適性，為了增強(qiáng)系統(tǒng)的性能特性，故上式中βc為大量數(shù)據(jù)處理后得到常量，以確保汽車的乘坐舒適性。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 基于CarSim的模型設(shè)置

為了保障仿真的真實(shí)性，本次選擇國產(chǎn)某品牌兩廂轎車進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驅(qū)動行駛為前輪驅(qū)動，發(fā)動機(jī)的功率為125 kW。

自車基本參數(shù)設(shè)置完成后，再設(shè)置前車模型，將前車設(shè)置為TOUR BUS模型，并在前車模型庫里添加自車的動力學(xué)模型，同時(shí)在自車模型庫里添加前車的模型。仿真路面設(shè)置為1 200 m平直道路，路面附著系數(shù)為 0.85，帶有虛線中心線的行駛車道[6]。

3.2 仿真結(jié)果分析

進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)置前車以30 km/h速度勻速行駛，本車與前車的距離為80 m，本車以80 km/h的巡航速度行駛，周圍無其他環(huán)境干擾。從圖 2得出雷達(dá)測量出自車與前車之間的距離隨著時(shí)間變化關(guān)系，由于本車車速大于前車設(shè)定車速，兩車之間的距離越來越近，當(dāng)本車與前車小于安全距離閾值時(shí)，車輛執(zhí)行換道指令。換道車道設(shè)定為無車輛，前方條件滿足安全行駛條件，車輛繼續(xù)以設(shè)定車速行駛，前車雖然此時(shí)不在本車道內(nèi)，但是本車在換道過程中丟失目標(biāo)，當(dāng)在目標(biāo)車道內(nèi)正常行駛一段時(shí)間后，前車仍然在雷達(dá)的可探測范圍內(nèi)，圖3中兩車距離變近。

圖2 本車與前車縱向距離

圖3 雷達(dá)識別目標(biāo)

圖4為車輛換道軌跡圖，分析圖像發(fā)現(xiàn)車輛跟隨行駛一段距離后開始進(jìn)行換道，因?yàn)榇藭r(shí)達(dá)到車輛最小安全距離閾值，系統(tǒng)發(fā)出指令使得車輛執(zhí)行換道，整個(gè)過程能夠及時(shí)順利進(jìn)行，保障了車輛安全行駛。

圖4 仿真車輛換道軌跡

由圖 5得到了車輛的橫擺角度，其變化率較小，在換道過程中沒有發(fā)生較大的橫擺角度變化，橫擺角度變化能夠控制在合理范圍內(nèi)，由此可以得出基于ACC的車輛主動換道在考慮最小安全距離的前提下可以滿足換道需要。

圖5 車輛橫擺角

4 結(jié)論

在ACC系統(tǒng)基礎(chǔ)上，不過多地添加硬件設(shè)備，擴(kuò)展系統(tǒng)主動換道的功能，使得自適應(yīng)巡航系統(tǒng)功能更豐富、更智能?；诎踩嚯x，分析主動換道在實(shí)際場景中的必要性，并建立最小安全車距模型，運(yùn)用CarSim/Simulink對車距小于安全車距的場景進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，采用該模型可以完成主動換道，并保障換道過程的合理性，在一定程度上緩解了駕駛員駕駛強(qiáng)度，保障行車安全。