余黃軍，張 昕，任傳喜

(1.沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，沈陽 110159； 2.上汽通用(沈陽)北盛汽車有限公司，沈陽 110044)

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汽車自動(dòng)巡航控制系統(tǒng)控制策略與仿真

余黃軍1，張 昕1，任傳喜2

(1.沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，沈陽 110159； 2.上汽通用(沈陽)北盛汽車有限公司，沈陽 110044)

提出一種基于PID控制器實(shí)現(xiàn)定速模式、模糊控制器實(shí)現(xiàn)跟車模式的自動(dòng)巡航控制策略。該控制方法使用不同的控制器控制兩種巡航模式，保留了兩種控制器的優(yōu)點(diǎn)，又避免了單一控制系統(tǒng)控制品質(zhì)的下降，并利用Matlab/Simulink軟件建立汽車縱向動(dòng)力學(xué)、發(fā)動(dòng)機(jī)和控制器模型。仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有可行性和有效性。

自動(dòng)巡航；縱向動(dòng)力學(xué)模型；發(fā)動(dòng)機(jī)模型；仿真

汽車自動(dòng)巡航控制系統(tǒng)屬于主動(dòng)安全技術(shù)，近些年來在汽車尤其是高檔汽車中的應(yīng)用越來越廣泛，它能根據(jù)車輛當(dāng)前行駛狀況和道路環(huán)境變化，實(shí)時(shí)控制自車與前車之間的相對(duì)車距和相對(duì)速度以匹配車流，有效地減輕了駕駛員在駕駛過程中的操作負(fù)擔(dān)，提高了道路的流通性，改善了車輛行駛的舒適性和安全性。

對(duì)于自動(dòng)巡航控制系統(tǒng)，以往的研究者已經(jīng)進(jìn)行了大量的探索，提出了多種多樣的控制思路，例如：基于PID控制算法的研究[1]、基于模糊PID控制算法的研究[2]、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制算法的研究[3]等。但是研究后發(fā)現(xiàn)面對(duì)復(fù)雜多變的車輛行駛環(huán)境，單一控制算法制作的控制器不能完美的實(shí)現(xiàn)所有的車輛工作模式，在某些行駛模式下控制效果非常理想，一旦切換到另一些模式時(shí)就會(huì)出現(xiàn)速度波動(dòng)大、反映時(shí)間長、誤差增大等控制品質(zhì)明顯下降的問題。本文提出一種基于PID控制器實(shí)現(xiàn)定速模式、模糊控制器實(shí)現(xiàn)跟車模式的自動(dòng)巡航控制策略。

1 自動(dòng)巡航的工作原理

自動(dòng)巡航控制系統(tǒng)又叫ACC(Automatic Cruise Control)，是一種20世紀(jì)90年代中期發(fā)展起來的輔助駕駛系統(tǒng)[4]，它將汽車定速巡航控制系統(tǒng)和跟車巡航控制系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合起來，既有巡航控制功能，又有防止前向撞擊功能。ACC系統(tǒng)主要使用在高速公路、寬路面的遠(yuǎn)程道路和鄉(xiāng)間道路行駛的汽車上。

ACC系統(tǒng)最基本的組成部分是雷達(dá)傳感器和電子控制單元(控制器)。雷達(dá)傳感器用以探測主車前方的目標(biāo)車輛，并向電控單元提供主車與目標(biāo)車輛間的相對(duì)速度、相對(duì)距離、相對(duì)方位角度等信息。電控單元根據(jù)駕駛員所設(shè)定的安全車距及巡航行駛速度，結(jié)合雷達(dá)傳送來的信息調(diào)整主車的行駛狀態(tài)。

定速巡航是指控制單元按照駕駛員設(shè)定的巡航速度控制車輛勻速行駛。當(dāng)主車行駛前方出現(xiàn)目標(biāo)車輛，且目標(biāo)車輛的速度低于主車設(shè)定的速度時(shí)，為防止兩車相撞且保持安全車距，電控單元將定速模式切換到跟車模式，使主車車速降到理想目標(biāo)值后跟隨前方目標(biāo)車輛行駛，與目標(biāo)車輛以相同的速度行駛。當(dāng)前方的目標(biāo)車輛發(fā)生移線或本車移線行駛使得本車前方又無行駛車輛時(shí)，對(duì)本車進(jìn)行加速控制，使本車恢復(fù)到設(shè)定速度后勻速行駛。當(dāng)駕駛員參與車輛駕駛后ACC系統(tǒng)將自動(dòng)退出對(duì)車輛的控制[5]。

2 車輛各部分模型的建立

2.1 汽車縱向動(dòng)力學(xué)模型

ACC系統(tǒng)主要控制車輛的縱向運(yùn)動(dòng)，車輛的行駛阻力由滾動(dòng)阻力Ff、空氣阻力Fa、坡度阻力Fi和加速阻力Fj組成[6]。當(dāng)車輛穩(wěn)態(tài)行駛時(shí)，車輛的驅(qū)動(dòng)力Ft和行駛阻力之和達(dá)到平衡狀態(tài)。

Ft=Ff+Fa+Fi+Fj

(1)

1)驅(qū)動(dòng)力模型

(2)

式中：Ttq為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；i0為主減速器傳動(dòng)比；ig為變速器傳動(dòng)比；ηt為傳動(dòng)系機(jī)械效率；r為車輪半徑，m。

2)滾動(dòng)阻力模型

Ff=Gf

(3)

3)空氣阻力模型

(4)

式中：CD為空氣阻力系數(shù)；A為汽車迎風(fēng)面積，m2。

4)坡度阻力模型

Fi=Gsinα

(5)

式中，α為坡道角度，i為坡度。

由于α較小，故sinα≈tanα=i；因此Fi=Gi。

5)加速阻力

(6)

式中：δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)，δ>1；m為汽車質(zhì)量，kg。

6)建立汽車縱向動(dòng)力學(xué)模型

由車輛平衡方程式可得

(7)

轉(zhuǎn)換公式后可得速度表達(dá)式:

(8)

由此表達(dá)式建立汽車縱向動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示。輸入為車輛的驅(qū)動(dòng)力Ft，輸出為車輛速度v。

圖1 汽車縱向動(dòng)力學(xué)模型

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的動(dòng)力核心，本設(shè)計(jì)為達(dá)到貼近實(shí)際的控制效果添加了發(fā)動(dòng)機(jī)模塊。當(dāng)電控單元接收到速度和距離傳感器傳送來的信號(hào)后，通過運(yùn)算輸出一個(gè)控制量，這個(gè)控制量將會(huì)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩也將隨之改變，改變后的扭矩傳遞至汽車縱向動(dòng)力學(xué)模型，最后通過縱向動(dòng)力學(xué)模型展現(xiàn)控制效果。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的工作負(fù)載是動(dòng)態(tài)的，運(yùn)行工況處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此很難以比較準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型將這種動(dòng)態(tài)的工況表達(dá)出來，所以一般都是在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上采用數(shù)表或公式擬合的方法來建立發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)模型[7]。

根據(jù)GT-power中模擬發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行得到的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在Simulink仿真環(huán)境中可以調(diào)用Look-up table查表模塊來表示發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、節(jié)氣門開度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速三者之間的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩特性圖

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出力矩之間的關(guān)系：

Jβ=Ttq-Tp

(9)

式中：J為發(fā)動(dòng)機(jī)有效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；β為發(fā)動(dòng)機(jī)角加速度，rad/s2；Ttq為發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)輸出扭矩，N·m；Tp為液力變矩器的泵輪扭矩，N·m。

在Simulink中建立的發(fā)動(dòng)機(jī)模型，如圖3所示。輸入為節(jié)氣門開度a及液力變矩器的泵輪扭矩Tp；輸出為發(fā)動(dòng)機(jī)角速度ω和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)輸出扭矩Ttq。

2.3 自動(dòng)巡航控制器的選擇

汽車自動(dòng)巡航一般分為兩種工作模式：定速巡航和跟車巡航。目前的自動(dòng)巡航控制器多為單一型，即一種控制器控制多種工作模式，現(xiàn)提出一種基于PID控制器實(shí)現(xiàn)定速巡航、模糊控制器實(shí)現(xiàn)跟車巡航的控制算法。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)模型框圖

1)PID控制器模型

PID(比例、積分、微分)控制作為最早發(fā)展起來的控制策略在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用，它具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好、參數(shù)易于整定等優(yōu)點(diǎn)[8]。PID控制的原理圖如圖4所示。

圖4 PID控制原理圖

簡單說來，PID控制各校正環(huán)節(jié)的作用如下：

(1)比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。

(2)積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，時(shí)間常數(shù)越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。

(3)微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號(hào)的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號(hào)變化太多之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間[9]。

本設(shè)計(jì)選定PID控制器來實(shí)現(xiàn)車輛的定速巡航功能，建立的控制器模型如圖5所示。輸入為設(shè)定巡航速度，輸出為車輛實(shí)際速度。

圖5 PID控制系統(tǒng)模型框圖

2)模糊控制器模型

跟車巡航模式控制的是處在跟隨行駛車況下的前后車輛的相對(duì)距離，使其滿足安全車距要求，從而既能保證行車安全，又能減小相隔距離，提高道路的利用率。然而現(xiàn)代汽車的行駛環(huán)境是個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，且受外界的影響特別大，一些研究發(fā)現(xiàn)，想要建立一個(gè)精確的跟車巡航模型幾乎難以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)在實(shí)際車輛行駛過程中，有經(jīng)驗(yàn)的司機(jī)總是可以很好地控制自己的車輛跟隨目標(biāo)車輛安全行駛。

模糊控制系統(tǒng)是以模糊集合化、模糊語言以及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。從線性與非線性的控制角度分類，模糊控制系統(tǒng)是一種非線性控制；從控制器的智能性看，模糊控制屬于智能控制的范疇。模糊控制器主要由模糊化接口、知識(shí)庫、模糊推理機(jī)、解模糊接口四部分組成[10]，其基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)選定模糊控制器來實(shí)現(xiàn)車輛的跟車巡航功能。

選取設(shè)定安全車距與實(shí)際車距的偏差e與偏差的變化率ec作為控制器輸入，經(jīng)模糊推理后的解模糊輸出為油門開度變化Δθ。各量的模糊集均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，分別表示負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。輸入量車距的論域?yàn)閧-150，150}，車距變化率的論域?yàn)閧-8，8}，輸出論域?yàn)閧-20，20}。

總結(jié)人們駕駛的經(jīng)驗(yàn)，得到如下控制規(guī)則：

If 距離誤差為ZO and距離變化率為ZO then油門開度變化為ZO；

If 距離誤差為 PB and距離變化率為PB then油門開度變化為NB；

If 距離誤差為NB and距離變化率為NB then油門開度變化為PB；

…… ……

由上述模糊控制算法建立的控制模型如圖7所示。

圖7 模糊控制系統(tǒng)模型框圖

3 系統(tǒng)仿真結(jié)果

本設(shè)計(jì)利用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行汽車自動(dòng)巡航控制系統(tǒng)的仿真，系統(tǒng)仿真如圖8、圖9所示。具體參數(shù)選取如下：

定速巡航：主車巡航速度設(shè)為90km/h，500ms后因行駛車況或其他原因需要修改巡航速度至72km/h。

跟車巡航：安全車距設(shè)為150m，主車巡航速度設(shè)為20m/s，200ms后遇到速度為18m/s的目標(biāo)車輛，400ms時(shí)目標(biāo)車輛：1)加速到22m/s;2)減速至16m/s。

圖8 定速巡航仿真模型

圖9 跟車巡航仿真模型

3.1 定速巡航仿真結(jié)果分析

如圖10所示，0～300ms階段，車輛從靜止啟動(dòng)到加速至穩(wěn)定的90km/h巡航速度；500ms時(shí)由于巡航目標(biāo)速度的變化，控制器迅速地改變車輛速度降至穩(wěn)定的72km/h，只需要50ms。從仿真結(jié)果來看，PID定速巡航模式可以快速、穩(wěn)定的達(dá)到巡航速度要求，及時(shí)滿足不同的速度變化需要。

圖10 定速巡航速度控制

3.2 跟車巡航仿真結(jié)果分析

如圖11所示，0～200ms階段，主車輛以20m/s的速度穩(wěn)定向前行駛；200ms時(shí)在主車前進(jìn)方向遇到以18m/s速度穩(wěn)定行駛的目標(biāo)車輛，車載電腦迅速判斷車況，切換至跟車模式，同時(shí)模糊控制器及時(shí)接管車輛控制，250ms時(shí)成功將主車速度迅速降至目標(biāo)車輛速度18m/s；400ms時(shí)目標(biāo)車輛突然加速至22m/s或減速至16m/s，主車控制器都能迅速反應(yīng)，控制車輛加速或減速至目標(biāo)車輛速度。圖11a所示加速控制時(shí)穩(wěn)定控制需要250ms；圖11b所示減速控制時(shí)只需要180ms。為防止追尾，無論車輛加速還是減速，控制器都能將兩車的車距一直維持在安全車距150m左右，完成了跟隨目標(biāo)車輛的安全控制，如圖12所示。

圖11 跟車巡航兩車速度

從仿真結(jié)果來看，模糊跟車巡航模式可以在有效判定目標(biāo)車輛的速度和車距變化的前提下，準(zhǔn)確、快速的實(shí)現(xiàn)主車的速度控制和車輛間的車距控制。

上述仿真結(jié)果分析表明本次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有可行性和有效性。

圖12 跟車巡航兩車車距

4 結(jié)束語

提出了基于PID控制器實(shí)現(xiàn)定速模式、模糊控制器實(shí)現(xiàn)跟車模式的自動(dòng)巡航控制系統(tǒng)控制策略，仿真結(jié)果表明，兩種控制器在各自的控制部分都顯示了良好的控制效果，有效實(shí)現(xiàn)了車輛在一定誤差范圍內(nèi)的穩(wěn)定行駛，既保留了兩種控制器的優(yōu)點(diǎn)，又改善了單一控制系統(tǒng)的控制效果。該控制策略方法簡單、算法成熟、易于實(shí)現(xiàn)，可以減輕長時(shí)間駕駛旅途中駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

[1]王春蕾，周美嬌，易淑友.汽車自動(dòng)巡航系統(tǒng)PID控制策略的研究[J].電子技術(shù)，2012(10)：92-95.

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[3]張志遠(yuǎn)，萬沛霖.汽車自動(dòng)巡航系統(tǒng)智能控制策略[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006(2)：234-237.

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[10]劉中海，自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[D].北京：清華大學(xué)，2005.

(責(zé)任編輯：趙麗琴)

The Control Strategy and Simulation of Automobile Automatic Cruise Control System

YU Huangjun1，ZHANG Xin1，REN Chuanxi2

(1.Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China; 2.SAIC GM (Shenyang) NorSom Motors Co.,Ltd.,Shenyang 110044,China)

A kind of automatic cruise control strategy is put forward by PID controller and fuzzy controller，which realizes a constant speed mode and a car following model.This control method uses different way to control two cruise modes,which not only retains both the advantages of the two kinds of controller,but also effectively avoids the single control system to decline control quality.And Matlab/Simulink software is adopted to establish vehicle longitudinal dynamics model,engine model and controller model.Simulation results show that the designed control system has good feasibility and effectiveness.

cruise control；longitudinal dynamics model；engine model；Simulation

2015-06-08

余黃軍(1989—)，男，碩士研究生；通訊作者：張昕(1977—)，女，副教授，研究方向：汽車電子控制。

1003-1251(2016)04-0056-06

U461.6

A