黃 晶，韋 偉，鄒德飚

（湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082）

前言

自適應(yīng)巡航系統(tǒng)（ACC）是先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的重要組成部分，通過環(huán)境信息感知模塊進(jìn)行前方行駛環(huán)境監(jiān)測(cè)，以一定的控制策略使車輛以預(yù)設(shè)定車速定速巡航或自動(dòng)跟隨前車行駛，如速度控制模式和距離控制模式［1-3］。自適應(yīng)巡航系統(tǒng)以其可減輕駕駛?cè)斯ぷ髫?fù)荷，有效避免碰撞，保障行駛安全和駕乘舒適［4-6］的特點(diǎn)被廣泛研究和應(yīng)用。

現(xiàn)有ACC控制模式的劃分較為簡(jiǎn)單，一般只有巡航與跟車兩種模式，適用場(chǎng)景單一，魯棒性較差，模式工況適應(yīng)性不強(qiáng)。為解決上述問題，美國(guó)密歇根大學(xué)Fancher等［7］應(yīng)用相對(duì)車距-相對(duì)車速關(guān)系將ACC分為6種工況。清華大學(xué)張德兆等［8］將ACC分為定速巡航、車距保持、接近前車和超車4種模式。吉林大學(xué)嚴(yán)偉［9］充分考慮駕駛?cè)说母S行為特性，提出ACC系統(tǒng)5種控制模式，以及依賴于駕駛?cè)怂俣雀S行為特性參數(shù)的多模式切換策略。北京理工大學(xué)裴曉飛等［10］在現(xiàn)有上、下位控制器的基礎(chǔ)上增加模式切換層，通過將車輛縱向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)劃分為8種工況，使得系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際工況條件選擇最優(yōu)的控制模式，并采用加速度加權(quán)平均算法提高模式切換的準(zhǔn)確性和輸出連續(xù)性。

間距策略主要應(yīng)用于工況劃分，基于車頭時(shí)距的可變間距策略目前應(yīng)用廣泛［11］。Ioannau等［12］認(rèn)為行駛過程的車間距應(yīng)和自身車速成正比。孫曉文等［13］采用基于相對(duì)速度的間距策略將模式劃分為速度控制模式和車距控制模式。朱敏等［14］提出了反應(yīng)時(shí)距的概念代替車頭時(shí)距，認(rèn)為反應(yīng)時(shí)距與駕駛?cè)嗽O(shè)定限速、安全時(shí)距、自車速度以及目標(biāo)車輛速度有關(guān)。趙健等［15］提出使用基于制動(dòng)過程和基于車頭時(shí)距兩種間距策略用于不同工況，但間距策略并未考慮到具體制動(dòng)過程以及駕駛?cè)颂匦?。因此針?duì)不同工況考慮不同因素以及駕駛?cè)孙L(fēng)格，應(yīng)靈活使用不同間距策略。

接管距離是防止碰撞發(fā)生而保持的必要車間距，對(duì)其準(zhǔn)確度要求高。國(guó)內(nèi)外對(duì)接管距離模型做了大量研究。大致可分為3類：基于車輛制動(dòng)過程運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的安全距離模型［16-17］，基于碰撞時(shí)間的安全距離模型［18-19］和基于駕駛?cè)颂匦缘陌踩嚯x模型［20-21］等。但均存在安全距離模型不精準(zhǔn)、報(bào)警精確性低、未考慮駕駛?cè)颂匦缘葐栴}，因此現(xiàn)有模型算法仍有很大的改進(jìn)空間。

基于前述研究，本文中對(duì)ACC系統(tǒng)工況進(jìn)行重新劃分，并針對(duì)不同ACC工況，采用個(gè)性化間距策略，充分考慮快速性、跟隨性和舒適性，設(shè)計(jì)了各工況適用的控制方法，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、可靠、適應(yīng)駕駛?cè)孙L(fēng)格的工況間平滑切換。

1 模式切換策略設(shè)計(jì)

1.1 個(gè)性化的間距策略

間距策略主要應(yīng)用于縱向工況，基于車間距將車輛行駛狀態(tài)劃分為巡航、跟車和接管工況，其對(duì)應(yīng)的間距分別定義為巡航間距S0、跟車間距S2和接管間距S1，如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)巡航系統(tǒng)間距區(qū)域分布

1.1.1 巡航間距設(shè)計(jì)

基于車間時(shí)距進(jìn)行巡航距離的計(jì)算，如式（1）所示。

式中：S0為最小巡航間距；Th為巡航車間時(shí)距，一般取5～8 s［9］，本文中取6 s；vf為本車車速；d0為停車時(shí)兩車應(yīng)保持的最小安全距離，一般取2～5 m［22］，本文中取2 m。

1.1.2 跟車間距設(shè)計(jì)

期望跟車間距同樣由式（1）計(jì)算求得，其中車間時(shí)距一般取1.5～2 s［9］。為保障不同風(fēng)格駕駛?cè)烁囘^程中的安全性和舒適性，根據(jù)駕駛?cè)说谋Ｊ?、適中和激進(jìn)3種駕駛風(fēng)格，對(duì)車間時(shí)距進(jìn)行調(diào)整，如表1所示［23-24］。

表1 不同駕駛?cè)孙L(fēng)格跟車時(shí)距

1.1.3 接管間距設(shè)計(jì)

接管間距模型根據(jù)是否考慮駕駛?cè)私槿?，把接管間距分為制動(dòng)安全距離和預(yù)警安全距離。預(yù)警安全距離考慮了駕駛?cè)丝山邮艿淖钚“踩珪r(shí)距thmin內(nèi)前車走過的距離?；谲囕v制動(dòng)過程［25］可分別計(jì)算前后車的制動(dòng)距離sf和sl，由于無法得知前車駕駛?cè)诵畔?，所以?duì)前車制動(dòng)距離計(jì)算時(shí)省略駕駛?cè)朔磻?yīng)時(shí)間以及部分制動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間。通過本車與前車最危險(xiǎn)狀態(tài)，即前后車制動(dòng)距離差值的最小值，并考慮到兩車停車之后應(yīng)保持最小安全間距sm來確定制動(dòng)安全距離，如式（2）所示。

為分析本車與前車最危險(xiǎn)狀態(tài)，將前車行進(jìn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分為4種情況［26］：前車靜止、勻速、加速和減速，如圖2所示。并分別計(jì)算不同行駛工況下的制動(dòng)安全距離和預(yù)警安全距離。

圖2 前車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

（1）前車靜止、勻速與加速行駛工況

當(dāng)前車靜止時(shí)，自車停車時(shí)距離前車最近；當(dāng)前車勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，假設(shè)前車速度為vl，本車速度為vf，本車以vf-vl速度相對(duì)速度相對(duì)前車前進(jìn)，該情況可回歸到前車靜止情況；前車加速情況比前車勻速更安全，該情況可簡(jiǎn)化為前車勻速運(yùn)動(dòng)情況，因此以上3種工況的制動(dòng)距離與預(yù)警距離可統(tǒng)一如式（3）和式（4）所示。

（2）前車減速行駛工況

表2 前車減速行駛工況分類

道路上很大一部分的追尾事故是由于前車緊急制動(dòng)，后車制動(dòng)不及時(shí)造成的。該工況可根據(jù)兩車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分為3種情況，如表2所示。由于本車先停時(shí)，兩車速度相同時(shí)間點(diǎn)可在制動(dòng)過程任何一個(gè)階段，將最危險(xiǎn)時(shí)刻認(rèn)定為兩車都停車時(shí)［26］。前車減速時(shí)制動(dòng)距離與預(yù)警距離分別如式（5）和式（6）所示。

式中：ab1為自車制動(dòng)減速度；ab2為前車制動(dòng)減速度，假設(shè)前車以最大減速度制動(dòng)，此時(shí)制動(dòng)距離最小最危險(xiǎn)，取-8 m/s2［27］。

駕駛?cè)嗽试S最小時(shí)距以及自車減速度考慮到不同駕駛風(fēng)格，取值如表3所示［27-28］。

表3 不同駕駛?cè)孙L(fēng)格最小時(shí)距和減速度

圖3 模式切換策略

1.2 基于間距策略的模式切換策略

本文中提出的基于個(gè)性化間距策略的自適應(yīng)巡航系統(tǒng)多模式切換策略如圖3所示。圖中S為自車與前車實(shí)際間距，ACC系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收整車決策系統(tǒng)給出的變道信號(hào)，當(dāng)變道信號(hào)為否時(shí)，則進(jìn)一步判斷前后車距，前方?jīng)]車時(shí)，自車進(jìn)入巡航模式；兩車車距大于S0時(shí)，自車同樣進(jìn)入巡航模式；兩車車距位于S0、S1之間時(shí)，自車進(jìn)入跟車模式；當(dāng)車間距小于S1時(shí)，則進(jìn)入需要其他諸如AEB、ABS系統(tǒng)［29］介入的接管模式；當(dāng)整車決策系統(tǒng)發(fā)出變道信號(hào)時(shí)，變道模式激活進(jìn)行變道，完成變道后進(jìn)一步判斷前后車距從而切換進(jìn)入巡航、跟車、接管中某一模式。

2 自適應(yīng)巡航系統(tǒng)模式切換分層控制策略設(shè)計(jì)

2.1 控制方案設(shè)計(jì)

自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)總體方案如圖4所示。

圖4 自適應(yīng)巡航模式切換分層控制方案

圖4中，Sdes表示期望跟車距離，S0表示巡航距離，S1表示接管距離，Ir表示換道信號(hào)，Stat表示工況模式，ades表示期望的自車加速度，acor表示調(diào)整加速度，αdes表示期望的自車節(jié)氣門開度，pdes表示期望的自車制動(dòng)壓力。分層控制由上、下兩層控制器［30-31］組成，上層控制器根據(jù)傳感器獲得的車距、速度和加速度信息，判斷自車安全狀態(tài)，決策自車行車模式并輸出期望加速度［32］；下層控制器的控制對(duì)象是車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，由于車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的非線性，采用車輛逆縱向動(dòng)力學(xué)模型［33］對(duì)其進(jìn)行控制。上層控制器輸出的期望加速度經(jīng)過逆縱向動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)換成期望節(jié)氣門開度和期望制動(dòng)壓力輸出，直接作用于發(fā)動(dòng)機(jī)與制動(dòng)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)期望加速度的跟蹤控制［34-35］。

2.2 上層控制器設(shè)計(jì)

巡航模式和換道模式僅對(duì)縱向速度進(jìn)行控制，因此采用簡(jiǎn)單可靠的PID控制器；跟車模式要對(duì)兩車相對(duì)距離、相對(duì)速度進(jìn)行控制，為考慮乘坐舒適性還應(yīng)對(duì)加速度進(jìn)行適當(dāng)約束，為協(xié)調(diào)各性能指標(biāo)，使控制器具有良好的魯棒性，采用MPC控制算法進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)［36］。

2.2.1 PID控制器設(shè)計(jì)

巡航和換道模式采用PID控制，其控制量計(jì)算如式（7）所示。

式中：ec（t）為當(dāng)前速度與設(shè)定速度的差值；通過試湊法，確定巡航模式參數(shù)Kp＝10，Ki＝0.1，Kd＝0.05，確定換道模式參數(shù)Kp＝80，Ki＝0.2，Kd＝0.3。

2.2.2 MPC控制器設(shè)計(jì)

跟車控制器采用車距控制策略，基于車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，建立跟車預(yù)測(cè)模型［37］，并通過不等式約束和目標(biāo)代價(jià)函數(shù)實(shí)現(xiàn)以下性能指標(biāo)。

（1）跟隨性指標(biāo)

以兩車相對(duì)距離和相對(duì)速度作為跟隨性指標(biāo)，設(shè)立目標(biāo)代價(jià)函數(shù)：

式中：P為預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度；wΔd、wΔv分別為車距、車速誤差權(quán)重。

（2）安全性指標(biāo)

為保證本車安全性，車間距要始終保持大于安全車間距，同時(shí)兩車之間距離不能過大，兩車車速誤差也不宜過大［37］。因此對(duì)兩車間距誤差Δd（k）和車速誤差Δv（k）進(jìn)行約束。

（3）舒適性指標(biāo)

車輛行駛越平順，燃油經(jīng)濟(jì)性及乘坐舒適性越好，通過約束車輛實(shí)際加速度和期望加速度實(shí)現(xiàn)行駛過程的平順度要求［38］。

MPC控制器參數(shù)如表4所示，表中Ts為采樣周期，K為液壓制動(dòng)系統(tǒng)增益，T為延遲時(shí)間；Q為誤差權(quán)矩陣。

表4 MPC控制器主要參數(shù)

2.3 下層控制器設(shè)計(jì)

基于前饋和PID控制算法進(jìn)行下層控制器設(shè)計(jì)，其中前饋控制有助于改善液壓系統(tǒng)中建壓遲滯的影響，反饋PID控制能夠滿足系統(tǒng)快速響應(yīng)的要求。下層控制器的輸入是期望加速度，輸出是實(shí)際加速度，控制對(duì)象是逆縱向動(dòng)力學(xué)模型和車輛動(dòng)力學(xué)模型，其控制框圖如圖5所示。

將上層控制器得到的期望加速度ades（t）與當(dāng)前車輛的實(shí)際加速度area（t）之差作為下層PID控制器的輸入：

式中增益分別為Kp=0.8，Ki=0.6，Kd=0.05。

制動(dòng)前饋控制器采用查表法，預(yù)先測(cè)定無控制效果的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果，并與給定期望結(jié)果相比較，分析偏差制定前饋補(bǔ)償方案，最后做成二維表格形式。根據(jù)輪缸實(shí)際壓力與理想壓力的壓差X，控制增壓閥和減壓閥的占空比信號(hào)Y1和Y2從而控制增減壓閥的開閉，達(dá)到精確控制輪缸壓力的目的，具體情況如表5所示。

圖5 下層控制器控制框圖

表5 前饋補(bǔ)償器參數(shù)

3 仿真與驗(yàn)證

為了對(duì)設(shè)計(jì)的自適應(yīng)巡航系統(tǒng)模式切換策略及控制器進(jìn)行驗(yàn)證，搭建Matlab/Simulink與CarSim聯(lián)合仿真模型，CarSim中兩車的車型均選用B級(jí)掀背式轎車，前輪驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率為125 kW，其他系統(tǒng)參數(shù)如表6所示。

表6 整車基本參數(shù)

3.1 仿真試驗(yàn)設(shè)置

設(shè)置巡航、跟車、換道和接管工作模式和全工況切換模式5種仿真工況，各工況設(shè)置如下。

（1）巡航工況

汽車初始速度為25 m/s。0-10 s，設(shè)定巡航速度為27 m/s；10-20 s，設(shè)定巡航速度為20 m/s；20-30 s，設(shè)定巡航速度為10 m/s；30-40 s，設(shè)定巡航速度為15 m/s；40-50 s，設(shè)定巡航速度為10 m/s。

（2）跟車工況

前車速度在0-15 s以速度20 m/s進(jìn)行勻速行駛，15-23 s以加速度1 m/s2加速到28 m/s，23-35 s保持勻速狀態(tài)28 m/s行駛；35-40 s以減速度-2 m/s2減速到18 m/s；兩車初始距離為50 m，本車初始速度為25 m/s。

（3）換道工況

0-30 s前車以車速20 m/s勻速行駛，30 s時(shí)，自適應(yīng)巡航系統(tǒng)接收到換道命令，本車以變道前車速開始變換車道至旁車道，縱向車速為變道前車速20 m/s；變道之后，前方無車輛，本車以巡航速度15 m/s行駛；初始本車車速為25 m/s，相對(duì)距離為50 m。

（4）接管工況

前車車速在0-15 s保持為20 m/s，15 s時(shí)，前車急減速至10 m/s并保持本車速行駛；本車初始速度為25 m/s，兩車初始距離為40 m。

（5）混合切換工況

前車在0-20 s以20 m/s速度勻速行駛，在20 s開始急減速到10 m/s，之后一直以10 m/s勻速行駛；本車在45 s接到換道命令，換道之后，本車道前方無車輛，本車以15 m/s的巡航速度行駛；本車初始車速為25 m/s，初始距離為40 m。

圖6 各工況下車輛速度時(shí)間歷程曲線

3.2 仿真試驗(yàn)結(jié)果

各試驗(yàn)工況下自車與前車的速度時(shí)間歷程曲線如圖6所示；本車加速度時(shí)間歷程曲線如圖7所示；跟車、接管、混合切換工況下本車與前車距離時(shí)間歷程曲線如圖8所示。

圖7 各工況下本車加速度時(shí)間歷程曲線

3.3 性能分析

3.3.1 快速性

由圖6（a）可知，巡航工況下對(duì)于不同巡航速度，本車均在2 s左右加速至巡航速度；由圖6（b）、圖8（a）可知，跟車工況下5 s后，相對(duì)距離誤差從12.5 m減到0，兩車相對(duì)速度由5 m/s減到0；由圖6（c）可知，自車開始變道后，縱向速度略有起伏，但基本保持與變道前速度一致；由圖6（d）、圖8（b）可知，在15 s之后的不到2 s的時(shí)間內(nèi)由于前車的制動(dòng)，兩車實(shí)際距離小于接管間距34 m，本車快速進(jìn)入接管模式，以自適應(yīng)巡航系統(tǒng)允許的最大減速度-4 m/s2減速。各工況下系統(tǒng)均響應(yīng)快速。

3.3.2 跟隨性

由圖6（a）可知，本車在達(dá)到預(yù)定巡航速度后均穩(wěn)定跟隨預(yù)定速度；由圖6（b）、圖8（a）可知，跟車過程中本車速度與前車速度差值、實(shí)際距離與期望距離的差值均很小，跟隨性能良好。

3.3.3 舒適性

由圖7（a）～圖7（d）可知，除接管工況下緊急制動(dòng)情況，加速度均未超過3 m/s2，保證了乘坐舒適性。

3.3.4 切換有效性

混合切換工況下，由圖8（c）可知，0-20 s前車勻速行駛，兩車間距大于接管間距13 m，本車進(jìn)入跟車模式，控制系統(tǒng)響應(yīng)較快，跟車過程平穩(wěn)；20-22 s前車急減速，本車迅速進(jìn)入接管模式，以自適應(yīng)巡航系統(tǒng)允許最大減速度-4 m/s2持續(xù)進(jìn)行減速，如圖6（e）、圖7（e）所示；如圖8（c）所示，22-45 s前車保持勻速行駛，跟車間距大于接管間距9 m，本車進(jìn)入跟車模式，與前車間距縮小，相對(duì)速度減??；在45 s時(shí)，本車進(jìn)行換道操作，換道中主要對(duì)本車縱向車速進(jìn)行控制，如圖6（e）所示，換道過程本車速度穩(wěn)定在變道前速度10 m/s左右；如圖6（e）、圖7（e）所示，在48 s后，本車道前方無車，本車進(jìn)入巡航工況，巡航速度為15 m/s，本車先加速一小段時(shí)間，然后巡航行駛。綜上，混合切換工況下，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了有效平穩(wěn)切換。

圖8 各工況下本車與前車距離時(shí)間歷程曲線

4 結(jié)論

（1）本文中針對(duì)不同縱向工況，采用了個(gè)性化間距策略。期望巡航距離和跟車距離基于行車安全性和道路行車效率，采用車頭時(shí)距策略建立相關(guān)間距模型，并針對(duì)不同駕駛?cè)说母囂匦栽O(shè)置了3種跟車時(shí)距，且基于制動(dòng)過程建立了適應(yīng)駕駛?cè)孙L(fēng)格的接管間距模型，對(duì)接管工況下前后車碰撞距離進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，在保證安全性的基礎(chǔ)上進(jìn)一步滿足駕駛?cè)说膫€(gè)性化需求，提高了接管準(zhǔn)確性。

（2）采用分層控制器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)巡航的多模式切換。上層MPC控制器通過設(shè)計(jì)代價(jià)函數(shù)及約束條件，保證了自車行駛的安全性，跟隨性和舒適性，下層控制器充分考慮液壓制動(dòng)系統(tǒng)的建壓遲滯效應(yīng)和車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的強(qiáng)非線性，采用前饋和PID的控制達(dá)到快速、準(zhǔn)確控制的目的。

（3）開展了巡航、跟車、換道和接管以及全工況切換模式5種仿真試驗(yàn)，4種基本工況下本車速度和與前車間距均能快速達(dá)到期望值，加速度除接管工況緊急制動(dòng)情況外均未超過3 m/s2；混合切換工況下，控制模式根據(jù)實(shí)際工況平穩(wěn)切換。結(jié)果表明本文中設(shè)計(jì)的自適應(yīng)巡航系統(tǒng)模式切換策略及控制器滿足快速性、跟隨性和舒適性要求，實(shí)現(xiàn)了各工況之間有效平穩(wěn)切換。