湯 峰

(安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與機(jī)械工程系，安徽 合肥 230051)

近年來(lái)，我國(guó)私家車數(shù)量逐漸增加，雖然為人們的出行提供了便利，但是交通擁擠問(wèn)題比較嚴(yán)重，尤其是出行高峰期，在此時(shí)段發(fā)生的交通事故較多。除此之外，還有一部分司機(jī)因操作不熟練，或者疲勞駕駛，發(fā)生多起交通事故。在此時(shí)代背景下，人們加大了對(duì)汽車駕駛安全性的要求。汽車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)(adaptive cruise control,ACC)是一種支持自動(dòng)化控制的輔助駕駛系統(tǒng)，能夠在汽車行駛期間定速巡航，檢測(cè)與前車之間的距離，根據(jù)車輛相對(duì)速度自動(dòng)調(diào)節(jié)氣門開(kāi)度，有效制動(dòng)踏板作業(yè)狀態(tài)，以達(dá)到控制行程的目的。因此，ACC成為了汽車發(fā)展領(lǐng)域重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。目前，ACC系統(tǒng)的研發(fā)停留在目標(biāo)車輛的識(shí)別及相對(duì)車速的判斷，并且方案尚不成熟，目標(biāo)車輛的識(shí)別及判斷精準(zhǔn)度偏低，仍需進(jìn)一步探究。本文利用模糊控制技術(shù)提出汽車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)模型，通過(guò)搭建模糊控制機(jī)器結(jié)構(gòu)，構(gòu)建ACC系統(tǒng)體系，設(shè)計(jì)控制流程，完善ACC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，研究旨在為ACC系統(tǒng)的深入研發(fā)提供理論支撐。

1 優(yōu)化模糊理論概述

1.1 模糊理論概念

模糊理論(fuzzy theory)是指運(yùn)用現(xiàn)階段的模糊集合概念或者相關(guān)的隸屬度函數(shù)而形成的理論，其包含的內(nèi)容較多，如模糊決策、模糊系統(tǒng)、模糊數(shù)學(xué)、模糊邏輯等，各領(lǐng)域之間存在密切的關(guān)聯(lián)性，被廣泛的應(yīng)用在汽車領(lǐng)域中[1]。例如，現(xiàn)階段靈活運(yùn)用模糊理論內(nèi)容來(lái)進(jìn)行模糊系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)模糊控制，為人們提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。[2]

1.2 模糊控制

模糊邏輯控制理論(fuzzy logic control theory)又被稱模糊控制理論(fuzzy control theory)[3]，原理是通過(guò)模糊的概念或者方法進(jìn)行處理，模擬人的思維，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜過(guò)程的控制。該理論的優(yōu)勢(shì)在于實(shí)踐過(guò)程中不需要建立數(shù)學(xué)模型就可以控制，降低復(fù)雜系統(tǒng)的控制難度，滿足現(xiàn)階段的發(fā)展需求。當(dāng)前的模糊控制系統(tǒng)可以劃分為三部分，包括模糊化、模糊推理、清晰化，其各自的功能呈現(xiàn)出明顯的不同。首先，通過(guò)模糊化進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模糊量；其次，對(duì)模糊量進(jìn)行分析，明確模糊量，進(jìn)行推理與判斷；最后，進(jìn)行合理的模糊量輸出，將其內(nèi)容轉(zhuǎn)化為精確的數(shù)字量，達(dá)到清晰化的目的，達(dá)到輸出控制的目的，圖1[4]為實(shí)際的模糊控制器。

圖1 模糊控制機(jī)器組成

圖1中模糊化過(guò)程比較常用的方法為加權(quán)平均法，輸出信號(hào)結(jié)果為：

(1)

公式(1)中，系數(shù)ki為變量，需要根據(jù)實(shí)際情況確定具體數(shù)值。

經(jīng)過(guò)模糊化處理后，通過(guò)模糊推理及清晰化處理，最終得到被控對(duì)象。由于模糊控制器輸出的結(jié)果為模糊子集，所以清晰化處理的作用是提高模糊量的精準(zhǔn)度，對(duì)模糊推理的結(jié)果進(jìn)一步縮小范圍，從而獲取可以識(shí)別的精準(zhǔn)控制量。目前應(yīng)用比較多的清晰化處理方法為重心法，見(jiàn)計(jì)算公式(2)：

(2)

1.3 ACC模糊控制系統(tǒng)

模糊控制是智能控制的重要組成部分，出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，其將模糊數(shù)學(xué)與控制理論相結(jié)合，形成模糊邏輯。ACC系統(tǒng)控制器以PID控制算法為基礎(chǔ)，主要有分層式控制與直接式控制，利用控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，為后續(xù)的控制提供數(shù)據(jù)信息[5]。在ACC系統(tǒng)運(yùn)行中，應(yīng)合理的預(yù)設(shè)巡航車速，通過(guò)控制器對(duì)過(guò)程進(jìn)行控制，保證其達(dá)到預(yù)定的車速，圖2為ACC系統(tǒng)的PID控制框圖。

圖2 ACC系統(tǒng)的PID控制框圖

在此基礎(chǔ)上融入模糊控制理念，提升控制系統(tǒng)的適應(yīng)性，保證其可以有效地進(jìn)行分析，并利用模糊隸屬函數(shù)進(jìn)行總結(jié)，以駕駛數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)保證系統(tǒng)符合人體行為操作習(xí)慣，圖3為實(shí)際的系統(tǒng)構(gòu)成圖。[6]

圖3 ACC系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

2 基于優(yōu)化模糊控制的汽車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)模型

2.1 車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型

對(duì)于ACC系統(tǒng)而言，在應(yīng)用過(guò)程中想要保證系統(tǒng)充分發(fā)揮出自身的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)既定的定速巡航與跟隨巡航目標(biāo)，應(yīng)以精準(zhǔn)的車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，全面分析汽車運(yùn)行情況，在仿真運(yùn)行中探索各種情況，開(kāi)發(fā)出更高價(jià)值的產(chǎn)品[7]。針對(duì)性的進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，開(kāi)展汽車縱向動(dòng)力學(xué)模型假設(shè)，如車輛在平直路面上的剛體運(yùn)動(dòng)規(guī)律、車輛左右輪胎的動(dòng)力學(xué)分析、路面系數(shù)分析，根據(jù)實(shí)際情況分析、制作車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型(見(jiàn)圖4)，分析各部分組成。

圖4 車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型

2.2 汽車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的距離模型

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段的ACC系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中想要實(shí)現(xiàn)自身的功能，應(yīng)做好各項(xiàng)內(nèi)容的基礎(chǔ)控制，以促使其整體性提升，保證行車安全，同時(shí)為乘客營(yíng)造舒適的乘車環(huán)境，達(dá)到最終的目的[8]。靈活利用安全距離算法進(jìn)行計(jì)算，將現(xiàn)階段的安全行車間距進(jìn)行合理的劃分，可以劃分為可變安全距離與固定安全距離，二者的內(nèi)容存在一定的不同，可變安全距離是指行車過(guò)程中與前車的安全距離呈現(xiàn)出明顯的變化，而固定距離則是現(xiàn)階段行車過(guò)程中安全車距保持不變的狀態(tài)，并且不受道路環(huán)境因素的影響，因此應(yīng)合理的進(jìn)行安全距離算法設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到安全行駛的目的。

3 基于優(yōu)化模糊控制的汽車自適應(yīng)巡航技術(shù)分析

3.1 模糊控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

研究發(fā)現(xiàn)，在基于優(yōu)化模糊控制的汽車自適應(yīng)巡航技術(shù)分析過(guò)程中，應(yīng)首先明確模糊集合，分析其產(chǎn)生的影響，利用模糊概念來(lái)定義，選擇多種方法進(jìn)行表示，如矢量表示法、函數(shù)描述法、序偶表示法等。隸屬度函數(shù)是模糊控制的重點(diǎn)，也是其應(yīng)用的基礎(chǔ)，應(yīng)通過(guò)準(zhǔn)確的隸屬度函數(shù)來(lái)開(kāi)展各項(xiàng)控制，常見(jiàn)的函數(shù)有高斯型隸屬度函數(shù)、梯形隸屬度函數(shù)、三角形隸屬度函數(shù)等，在應(yīng)用實(shí)踐過(guò)程中也可以進(jìn)行合理的函數(shù)組合，以達(dá)到精準(zhǔn)控制的目的。[9]去模糊化過(guò)程較為重要，靈活利用現(xiàn)階段的模糊化推理來(lái)進(jìn)行清晰化處理，以此來(lái)獲得精準(zhǔn)的控制過(guò)程，優(yōu)化其最終的結(jié)果[10]。

3.2 ACC系統(tǒng)模糊控制器設(shè)計(jì)

3.2.1 ACC控制流程

在處理過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際情況來(lái)分析ACC系統(tǒng)控制策略流程，優(yōu)化現(xiàn)階段的策略，明確汽車自身呈現(xiàn)出的性質(zhì)特點(diǎn)，以提升整體的控制質(zhì)量。汽車可以歸屬于非線性系統(tǒng)，在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，容易受到外界的路況、環(huán)境等多種因素影響，形成較為復(fù)雜的過(guò)程，因此在分析過(guò)程中，可以根據(jù)實(shí)際情況建立精確的模型，優(yōu)化整體的系統(tǒng)性，實(shí)現(xiàn)整體的汽車巡航控制，滿足現(xiàn)階段的需求。在進(jìn)行模糊控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)保證實(shí)際距離與安全距離的誤差作為輸入量，而制動(dòng)踏板與開(kāi)度的行程作為輸出，選擇模糊語(yǔ)言變量來(lái)設(shè)計(jì)，做好隸屬度函數(shù)的選取，明確控制器模糊規(guī)則，確定變量論域[11]。如圖5所示為ACC系統(tǒng)的具體控制流程。

圖5 ACC控制流程

3.2.2 控制器輸入量模糊

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段的模糊化實(shí)際上是指將輸入量與輸出量的精確數(shù)字表達(dá)按照實(shí)際的程序進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)換為當(dāng)前某些限制范圍中模糊語(yǔ)言的變量值，以促使其整體性提升[12]。首先根據(jù)現(xiàn)階段的輸入量與輸出量的實(shí)際變化范圍進(jìn)行分析，利用模糊控制來(lái)對(duì)語(yǔ)言變量模糊集的論域進(jìn)行選擇，確定語(yǔ)言變量值，通過(guò)隸屬度函數(shù)進(jìn)行控制，完成模糊化的過(guò)程，達(dá)到最終的目的。[13]例如，對(duì)安全距離與實(shí)際距離開(kāi)展分析，明確距離差值變量，獲得踏板量的語(yǔ)言變量。

3.3 輸入輸出變量

設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)應(yīng)確定其輸入變量，從物理論域與模糊論域兩方面進(jìn)行，確定比例因子與定量化因子[14]。實(shí)際上，量化因子的功能在于輸入值的控制，將輸入值轉(zhuǎn)化為現(xiàn)階段相對(duì)應(yīng)的論域，從物理論域轉(zhuǎn)化為模糊論域，而比例因子則存在明顯的不同，其是將現(xiàn)階段的輸出從模糊論域轉(zhuǎn)化為實(shí)際的物理論域，以達(dá)到最終的目的。以實(shí)際為例，對(duì)距離變化的區(qū)間開(kāi)展分析，確定其區(qū)間，根據(jù)當(dāng)前的實(shí)際情況進(jìn)行測(cè)量，利用距離差值變化量變化區(qū)間進(jìn)行確定，做好踏板增量變化分析，確定各項(xiàng)數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理的進(jìn)行隸屬度函數(shù)選擇。

3.4 控制器模糊規(guī)則

模糊規(guī)則是現(xiàn)階段模糊推理過(guò)程中需要遵循的控制規(guī)則。通常情況下通過(guò)模糊語(yǔ)言進(jìn)行描述，如以曲線圖來(lái)表達(dá)，可以根據(jù)現(xiàn)階段的實(shí)際情況進(jìn)行處理，確定其距離差值的語(yǔ)言變量值子集與期望踏板行程的語(yǔ)言變量值子集，利用控制器來(lái)控制其差值，以此來(lái)明確控制量與差值之間的邏輯關(guān)系，獲得實(shí)際的控制規(guī)則。以實(shí)際為例，在某距離差值時(shí)間響應(yīng)曲線中，需要根據(jù)現(xiàn)階段的具體情況進(jìn)行分析。當(dāng)現(xiàn)階段的距離差值達(dá)到差值零時(shí)，其正向的距離差值則可能呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，產(chǎn)生明顯的影響，因此應(yīng)保證汽車具有較強(qiáng)的制動(dòng)力。當(dāng)正向的距離差值達(dá)到最大值時(shí)，距離差值的變化量等于零，此時(shí)也需要汽車產(chǎn)生較大的制動(dòng)力，以保證其運(yùn)行安全。

4 結(jié) 論

本研究與其他研究相比的改進(jìn)點(diǎn)在于利用模糊控制技術(shù)，縮小前車速度和安全距離計(jì)算結(jié)果誤差，以此提高ACC系統(tǒng)控制汽車行駛作業(yè)精準(zhǔn)度，使得系統(tǒng)控制安全性作用得以充分發(fā)揮。目前，大部分研究停留在前車目標(biāo)檢測(cè)及控制相關(guān)參數(shù)計(jì)算方面，缺少對(duì)目標(biāo)車輛行駛速度等參數(shù)的計(jì)算機(jī)控制方法研究。在接下來(lái)的研究中，應(yīng)該以多目標(biāo)車輛作為ACC系統(tǒng)控制模型設(shè)計(jì)重要內(nèi)容，全面分析汽車行駛情況，逐漸完善系統(tǒng)自動(dòng)控制功能。