歐 健,黃 棟,林嘉玉,楊鄂川,韓先勝

(1.重慶理工大學(xué) 車(chē)輛工程學(xué)院, 重慶 400054;2.重慶工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 車(chē)輛工程學(xué)院, 重慶 408000;3.重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 重慶 400054)

近年來(lái),汽車(chē)的保有量逐年增加,據(jù)國(guó)家公安部統(tǒng)計(jì)[1],截至2021年底機(jī)動(dòng)車(chē)保有量達(dá)3.95億輛。為了提高駕駛員的行車(chē)安全性和便捷性,全世界各汽車(chē)行業(yè)都在開(kāi)發(fā)高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(advanced driving assistance system,ADAS),特別是自適應(yīng)巡航控制的研究與開(kāi)發(fā)備受關(guān)注[2]。

ACC控制結(jié)構(gòu)會(huì)影響到控制器運(yùn)行的整體效率,通常采用分層設(shè)計(jì),包括上、下層控制器[3-5],其中上層控制器將傳感器檢測(cè)到的車(chē)輛信息,通過(guò)合適的控制方法,輸出期望加速度;下層控制器則將上層的輸出轉(zhuǎn)化為節(jié)氣門(mén)開(kāi)度(驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩)和制動(dòng)壓力,從而達(dá)到控制目標(biāo)。針對(duì)控制器控制算法,國(guó)內(nèi)外研究人員都做了大量的研究。清華大學(xué)的李升波等[6]總結(jié)到,目前已有多種算法被用于設(shè)計(jì)上層控制器:PD反饋控制器、模型預(yù)測(cè)控制(model predictive control,MPC)、滑?？刂?sliding mode control,SMC)、最優(yōu)控制(linear quadratic regulator,LQR)、線性變參數(shù)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等。下層控制器的設(shè)計(jì)也是ACC系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。其中,動(dòng)力總成、制動(dòng)系統(tǒng)模型以及驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)間的切換策略是主要研究方向。下層控制器模型主要使用逆模型對(duì)上層輸出量進(jìn)行跟蹤控制[7-8],文獻(xiàn)[9-10]則采用基于閾值的驅(qū)動(dòng)制動(dòng)模式切換策略。在以上控制算法中,PID[11-12]、LQR[13-14]和MPC[15-16]算法在ACC系統(tǒng)中有著更為普及的研究與應(yīng)用,然而,相較于傳統(tǒng)PID的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且魯棒性好的優(yōu)點(diǎn),MPC則具有預(yù)測(cè)功能以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn),且在處理多約束多目標(biāo)問(wèn)題上具有較大優(yōu)勢(shì)。

目前,合理的切換模式和切換策略對(duì)整個(gè)ACC系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義,但關(guān)于這方面的研究相對(duì)較少。合肥工業(yè)大學(xué)的孫曉文等[17]將ACC系統(tǒng)分為巡航速度控制和跟車(chē)距離控制2種模式,提出的控制策略能夠保證ACC車(chē)輛的行車(chē)安全,但在車(chē)距與車(chē)速模式之間切換時(shí),加速度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)超出期望值,降低了舒適性;吉林大學(xué)的高振海等[18]根據(jù)自車(chē)的加速度將ACC分為巡航、穩(wěn)態(tài)跟隨和瞬態(tài)跟隨模式,但并未充分考慮前車(chē)加速度變化對(duì)ACC系統(tǒng)的影響;清華大學(xué)的王建強(qiáng)等[19]基于零期望加速度曲線,將ACC分為定速巡航、車(chē)距保持、接近前車(chē)和超車(chē)模式,較好地解決了模式切換中的加速度突變問(wèn)題,但超車(chē)模式隸屬于駕駛員操作,不應(yīng)存在于系統(tǒng)自動(dòng)駕駛模式中;南昌大學(xué)的劉明春等[20]將ACC劃分為5個(gè)控制模式,將跟車(chē)模式細(xì)分為加速接近、穩(wěn)態(tài)跟車(chē)、減速接近與緊急跟車(chē)4個(gè)模式,但文中并未考慮前方緊急工況與駕駛員特性;中國(guó)科學(xué)院微電子研究所的章軍輝等[21]將ACC系統(tǒng)劃分出6種工作模式,同時(shí)采用模糊推理與加速度加權(quán)平均策略,以實(shí)現(xiàn)工作模式最佳匹配與平穩(wěn)過(guò)渡,文中雖考慮了部分駕駛員心理,但采用固定時(shí)距會(huì)在一定程度上降低車(chē)輛對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性能;北京理工大學(xué)的裴曉飛[22]將ACC更加詳細(xì)地劃分為8個(gè)模式,在處理縱向前車(chē)急加速、急減速與緊急工況中,具有良好的性能,但跟車(chē)過(guò)程太過(guò)詳細(xì),反而導(dǎo)致整體控制模式太過(guò)繁瑣,不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

針對(duì)現(xiàn)階段ACC系統(tǒng)切換模式較為簡(jiǎn)單,且未考慮前方突現(xiàn)靜止物的復(fù)雜交通狀況,將ACC系統(tǒng)劃分3種主模式和4種子工況,采用分層控制策略設(shè)計(jì)ACC控制器,其中,定速巡航模式采用模糊PID進(jìn)行設(shè)計(jì),可根據(jù)環(huán)境變化動(dòng)態(tài)調(diào)整PID參數(shù);跟隨模式在充分考慮行駛過(guò)程中的跟車(chē)性、安全性以及舒適性等指標(biāo)的前提下,采用MPC算法進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化;基于電機(jī)模型設(shè)計(jì)下層控制器,并選取最大輪缸壓力作為接管模式下的制動(dòng)壓力。最后采用CarSim/Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真,驗(yàn)證所設(shè)計(jì)ACC系統(tǒng)的可行性。

1 ACC框架定義

根據(jù)前方車(chē)輛是否處于自車(chē)巡航間距范圍,并考慮到緊急工況,本文基于距離和TTC將ACC模式劃分為巡航、跟隨和接管3種,為提高該控制器對(duì)復(fù)雜多變環(huán)境的適應(yīng)能力,通過(guò)引入指標(biāo)參數(shù)TTC-1,將跟隨模式進(jìn)一步劃分為4種子工況:加速、強(qiáng)減速、弱減速、穩(wěn)態(tài)跟隨,并設(shè)計(jì)基于MPC的多目標(biāo)ACC控制器;基于模糊PID設(shè)計(jì)定速巡航模式;通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)選取特定輪缸壓力作為緊急制動(dòng)壓力,用于設(shè)計(jì)接管模式;最后通過(guò)搭建下層控制器和仿真環(huán)境形成ACC框架,如圖1所示。

圖1 ACC總體框架示意圖

2 模式切換策略與劃分設(shè)計(jì)

切換條件直接影響到整個(gè)模型的運(yùn)行流暢性與邏輯性。距離和TTC由于計(jì)算量低且能減少?zèng)Q策時(shí)間,而被用于切換判據(jù)。

2.1 安全距離設(shè)計(jì)

2.1.1巡航距離

當(dāng)前方無(wú)車(chē)、距離過(guò)遠(yuǎn)或者前方車(chē)輛駛出當(dāng)前車(chē)道時(shí),自車(chē)進(jìn)入定速巡航模式?？紤]到控制器對(duì)復(fù)雜工況的適應(yīng)能力,選取車(chē)頭時(shí)距和自車(chē)車(chē)速動(dòng)態(tài)計(jì)算巡航間距,公式如下:

S=Thvf+d0

(1)

式中:S為巡航間距;Th為車(chē)頭時(shí)距,一般取值范圍為5～8 s,設(shè)置6 s作為巡航時(shí)距;vf為自車(chē)速度;d0為最小固定車(chē)間距,設(shè)置5 m作為最小車(chē)間距。

2.1.2接管距離

當(dāng)前車(chē)緊急減速或者前方車(chē)輛掉落的障礙物,且滿足切換條件時(shí),自車(chē)進(jìn)入接管模式,本車(chē)以設(shè)定最大制動(dòng)輪缸壓力進(jìn)行縱向制動(dòng)避撞。為了減少計(jì)算量,基于制動(dòng)過(guò)程搭建縱向安全距離模型,計(jì)算接管間距,因此可得縱向安全距離表達(dá)式:

S=Sf+d0-Sd

(2)

考慮到緊急工況,選取前車(chē)靜止與緊急制動(dòng)2種工況進(jìn)行分析。

1) 前車(chē)靜止工況。

當(dāng)同一車(chē)道前方車(chē)輛靜止時(shí),自車(chē)執(zhí)行緊急制動(dòng),制動(dòng)過(guò)程前車(chē)位移Sd=0,自車(chē)制動(dòng)位移為Sf。安全距離模型公式如下:

S=Sf+d0=

(3)

式中:t1為加速度從0到amax所需時(shí)間;t2為車(chē)速?gòu)膙0減到0所需時(shí)間;v0為自車(chē)初始速度;Jmax為車(chē)輛制動(dòng)減速度梯度,取Jmax=21 m·s-3。

2) 前車(chē)緊急制動(dòng)工況。

當(dāng)同一車(chē)道前車(chē)緊急制動(dòng)時(shí),自車(chē)也執(zhí)行緊急制動(dòng),以避免碰撞。緊急制動(dòng)下安全距離公式為:

(4)

2.1.3跟隨距離

當(dāng)車(chē)間距處于巡航間距和接管間距之間時(shí),自車(chē)進(jìn)入跟隨模式?？紤]到前車(chē)速度變化會(huì)影響車(chē)頭時(shí)距,為了使車(chē)間距更加貼合實(shí)際工況,設(shè)計(jì)一種可方便預(yù)測(cè)的VTH策略,其表達(dá)式如下:

(5)

式中:th為車(chē)頭時(shí)距值;t0、cv為大于0的常數(shù),其中t0=1.5 s,cv=0.05;vrel為兩車(chē)相對(duì)速度;th_max、th_min分別為車(chē)頭時(shí)距的上、下限值,其中,th_max=2.2,th_min=0.2;ca為大于0的常數(shù),其中ca=0.3;ap為前車(chē)加速度。

結(jié)合可變車(chē)頭時(shí)距,可得期望跟車(chē)間距如下:

S=thv+d0

(6)

2.2 子模式劃分策略設(shè)計(jì)

跟隨模式主要針對(duì)安全距離下的穩(wěn)態(tài)跟隨、加速、強(qiáng)減速、弱減速等工況,因此需對(duì)子工況進(jìn)行劃分?；赥TC-1設(shè)計(jì)子模式,定義如下:

(7)

式中:Δv為兩車(chē)相對(duì)速度,Δv=v2-v1,v2為前車(chē)車(chē)速,v1為自車(chē)車(chē)速;d為兩車(chē)車(chē)間距。

當(dāng)TTC-1接近0時(shí),自車(chē)越安全,且穩(wěn)態(tài)跟隨前車(chē);當(dāng)v2大于v1時(shí),兩車(chē)越安全;反之,兩車(chē)容易發(fā)生碰撞。因此將子模式進(jìn)行詳細(xì)的劃分:

1) 當(dāng)-0.05≤TTC-1≤0.05時(shí),車(chē)輛為穩(wěn)態(tài)跟隨工況,加速度范圍為-0.6～0.6 m/s2;

2) 當(dāng)-0.12≤TTC-1≤-0.05時(shí),車(chē)輛為弱減速工況,最大減速度約束為-2 m/s2;

3) 當(dāng)TTC-1≤-0.12時(shí),車(chē)輛為強(qiáng)減速工況,最大減速度約束為-5 m/s2;

4) 當(dāng)TTC-1≥0.05時(shí),車(chē)輛為加速工況,加速度約束范圍為0.6～3.5 m/s2。

2.3 整體模式切換策略設(shè)計(jì)

在2.1節(jié)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)整體模式控制邏輯如圖2所示。

圖2 整體模式控制邏輯框圖

圖2中,S0、S1、S3以及TTCs分別為各種模式的切換條件,其中,定義S0為巡航間距,S1為接管間距,S3為無(wú)法避撞間距,TTCs=1.3 s[23],當(dāng)滿足條件時(shí),則進(jìn)入對(duì)應(yīng)模式,否則繼續(xù)保持模式不變,其工作流程如下:

1) 當(dāng)S0

2) 當(dāng)S1

3) 當(dāng)S3TTCs時(shí),進(jìn)入接管模式,車(chē)輛緊急制動(dòng);否則,車(chē)輛將無(wú)法通過(guò)制動(dòng)進(jìn)行避撞。

3 ACC分層控制設(shè)計(jì)

3.1 上層控制器設(shè)計(jì)

3.1.1定速巡航模式設(shè)計(jì)

PID控制是通過(guò)輸入當(dāng)前狀態(tài)值與設(shè)定值之間的誤差,計(jì)算變量輸出,其形式為:

(8)

式中:u(t)為控制器的輸出變量;e(t)為當(dāng)前值與設(shè)定值之間的誤差;kp、ki和kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。

設(shè)定模糊PID控制器的輸入為當(dāng)前速度與巡航速度的差值e,以及差值的變化率ec,輸出為車(chē)輛的期望加速度ades;E、Ec、Kp、Ki、Kd分別為e、ec、kp、ki、kd所對(duì)應(yīng)的模糊值。定義e的基本論域?yàn)閇-90,90],ec的基本論域?yàn)閇-8.33,3.5];增益kp的基本論域?yàn)閇1,10];增益ki的基本論域?yàn)閇0.001,0.01];增益kd的基本論域?yàn)閇0,2]。模糊變量均設(shè)定7個(gè)模糊集:負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。選用三角函數(shù)描述模糊輸入變量,如圖3所示,輸出變量與輸入變量隸屬度一致,不再贅述。

圖3 輸入變量隸屬度函數(shù)曲線

為保證曲線上升時(shí)間、超調(diào)量、穩(wěn)定時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差合理,需調(diào)節(jié)增益Kp、Ki、Kd,最終建立模糊規(guī)則表,如表1所示,并在Matlab/Simulink中搭建量化因子與比例因子部分,從而控制車(chē)輛快速且舒適地跟蹤上巡航車(chē)速。

表1 Kp、Ki、Kd模糊推理規(guī)則

3.1.2跟隨模式設(shè)計(jì)

跟隨模式設(shè)計(jì)的好壞直接影響整體ACC控制器的性能表現(xiàn),該模式主要功能是對(duì)復(fù)雜工況做出快速反應(yīng),同時(shí)兼顧多個(gè)優(yōu)化目標(biāo),基于此,設(shè)計(jì)基于MPC的多目標(biāo)ACC控制器。

1) 縱向動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)。

通過(guò)分析兩車(chē)間運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系,如圖4所示,考慮到自車(chē)加速度與加速度變化率,可得自車(chē)與前車(chē)的運(yùn)動(dòng)學(xué)公式如下:

(9)

式中:Δx為實(shí)際車(chē)間距;ap為前車(chē)加速度;a為自車(chē)加速度;v為自車(chē)車(chē)速;vrel為相對(duì)車(chē)速;u為期望加速度;j為自車(chē)加速度變化率;Ts為采樣時(shí)間;τ為下層控制器控制時(shí)間。

圖4 兩車(chē)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系示意圖

選取兩車(chē)車(chē)間距、自車(chē)車(chē)速、相對(duì)車(chē)速、自車(chē)加速度和自車(chē)加速度變化率作為ACC控制系統(tǒng)的狀態(tài)量[24],即x(k)= [Δx(k),v(k),vrel(k),a(k),j(k)]T。定義x為自車(chē)位置,選擇w作為系統(tǒng)干擾量,選取y(k)=[δ(k),vrel(k),a(k),j(k)]T作為待優(yōu)化目標(biāo),整理得到縱向運(yùn)動(dòng)學(xué)狀態(tài)方程模型:

(10)

式中:

式中,th為可變車(chē)頭時(shí)距。

文中引入指數(shù)衰減函數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)的參考軌跡,例如,兩車(chē)車(chē)間距的參考軌跡如下:

δref(k+i)=δ(k)+

(11)

式中:δref為車(chē)間距誤差的參考軌跡;αδ為該參考軌跡的時(shí)間常數(shù);同理,相對(duì)速度、自車(chē)加速度與自車(chē)加速度變化率設(shè)置同樣形式的參考軌跡,將參考軌跡用向量形式表示如下:

每個(gè)單元都要有明確目標(biāo)，特別要突出能力目標(biāo)。教師要把知識(shí)講授型為主變成知識(shí)應(yīng)用型為主；從以理論思維為主，變成以能力訓(xùn)練為主；從以知識(shí)點(diǎn)、定義、語(yǔ)法為載體，變成以完成項(xiàng)目任務(wù)為載體；從學(xué)生被動(dòng)聽(tīng)講，變成學(xué)生主動(dòng)參與課堂，積極參與新知探索；從教師講解為主，變成由教師積極引導(dǎo)、創(chuàng)造學(xué)習(xí)的環(huán)境條件為主。把課程評(píng)價(jià)從 “老師講過(guò)”、“老師講得好”、“老師完成了教學(xué)進(jìn)度”[2]為目的，變成以學(xué)生有興趣、學(xué)生的能力明顯提高為目的。老師精講知識(shí)，學(xué)生強(qiáng)練技能，在技能訓(xùn)練過(guò)程中，學(xué)生自己學(xué)到了知識(shí)。

yrel(k+i)=φiy(k)

(12)

式中:φ為車(chē)間距、相對(duì)速度、自車(chē)加速度與自車(chē)加速度變化率組成的對(duì)角矩陣;yrel為優(yōu)化目標(biāo)的參考軌跡向量。

2) 控制目的與約束分析。

通過(guò)控制兩車(chē)車(chē)間距保證兩車(chē)安全性,假定xp為前車(chē)位置,dc為最小安全間距,其安全性約束如下:

xp(k)-x(k)≥dc

(13)

車(chē)輛間的實(shí)際與期望車(chē)間距間的誤差應(yīng)保證盡可能地小,且兩車(chē)在行駛過(guò)程中處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài),其跟車(chē)性約束如下:

δ(k)→0,vrel(k)→0 當(dāng)k→∞

(14)

影響舒適性的主要因素是自車(chē)加速度以及加速度變化率jerk2個(gè)參數(shù),因此,需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化控制,其舒適性約束如下:

(15)

此外,還需要對(duì)其他狀態(tài)量進(jìn)行約束,使求解值在約束下達(dá)到最優(yōu),因此乘坐舒適性和燃油經(jīng)濟(jì)性約束如下:

(16)

3) 基于MPC的多目標(biāo)ACC控制算法設(shè)計(jì)。

根據(jù)式(10),可建立預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)的預(yù)測(cè)方程,定義ex為實(shí)際狀態(tài)量與預(yù)測(cè)值之間的誤差;W(k+p)為p時(shí)域內(nèi)的干擾量集合,且假定每一時(shí)刻值相等。整理得到表達(dá)式:

(17)

增加權(quán)重參數(shù)Q和R,其中,Q代表跟車(chē)性,R代表安全性。整理得到如下函數(shù)表達(dá)式:

(18)

式中:Q=diag(qδ,qv,qa,qj),u(k+i)為k+i采樣時(shí)刻的加速度控制值。

根據(jù)二次規(guī)劃(quadratic programming,QP)問(wèn)題的求解規(guī)則,整理前述約束條件,得到如下形式:

ΩU(k+n)≤T

(19)

式中:

其中:

結(jié)合式(18)和(19),使用Matlab中積極求解器進(jìn)行求解,輸出控制量序列,取輸出序列中的第一個(gè)控制量作為下層控制器的輸入。

3.2 下層控制器設(shè)計(jì)

本文采用輪轂電機(jī)作為動(dòng)力源[25],因此,下層控制器便將上層控制器計(jì)算得到的期望加速度ades轉(zhuǎn)換為控制整車(chē)模型的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tm與輪缸壓力Pb。

3.2.1輪轂電機(jī)模型

PMSM的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高度復(fù)雜的系統(tǒng),為了使PMSM能更好地工作并施加相關(guān)控制,在做一定簡(jiǎn)化與假設(shè)后,建立PMSM的數(shù)學(xué)模型如下:

(20)

式中:Ld和Lq分別為d軸和q軸定子自感系數(shù);id和iq分別為d軸和q軸定子電流;ud和uq分別為d軸和q軸定子端電壓;R為定子繞組電阻;ω為轉(zhuǎn)子的電子角速度;ψk為電機(jī)定子磁鏈;Te為電機(jī)扭矩;np為極對(duì)的數(shù)量;J為負(fù)載和機(jī)械轉(zhuǎn)子的慣性矩;Tl為負(fù)載扭矩;B為負(fù)載與機(jī)械的摩擦系數(shù)。

3.2.2車(chē)輛驅(qū)動(dòng)模型

為簡(jiǎn)化車(chē)輛行駛過(guò)程,在僅考慮縱向阻力下,通過(guò)對(duì)車(chē)輛受力分析,整理得到驅(qū)動(dòng)力矩表達(dá)式為:

(21)

式中:r為車(chē)輪滾動(dòng)半徑;i0為主減速器傳動(dòng)比;ηt為傳動(dòng)系傳遞效率;CD為空氣阻力系數(shù);A為汽車(chē)縱向受風(fēng)面積;v為車(chē)速;m為整車(chē)質(zhì)量;f為滾動(dòng)阻力系數(shù);θ為路面坡度;δ旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);ades為加速度。

3.2.3車(chē)輛制動(dòng)模型

在制動(dòng)過(guò)程,不考慮加速阻力和驅(qū)動(dòng)力,且假定車(chē)輛在平路上行駛,整理可得縱向制動(dòng)力Fb公式:

(22)

在最大縱向制動(dòng)力Fb約束范圍內(nèi),車(chē)輛的制動(dòng)力Fb與油壓Pb呈線性變化,定義Kb為制動(dòng)系數(shù)[26],Kb=1 286,其表達(dá)式如下:

(23)

當(dāng)前車(chē)緊急減速時(shí),自車(chē)則需比其更大的減速度進(jìn)行制動(dòng),以避免碰撞。在CarSim環(huán)境下,選取車(chē)速節(jié)點(diǎn)80、100、120 km/h作為測(cè)試初始車(chē)速,然后以特定輪缸壓力Pb進(jìn)行制動(dòng),反向得到對(duì)應(yīng)制動(dòng)減速度ae,如表2所示。經(jīng)分析對(duì)比,最后采用7 MPa作為緊急制動(dòng)輪缸壓力。

表2 各車(chē)速、輪缸壓力下的制動(dòng)減速度

3.2.4驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)切換策略

在CarSim軟件中進(jìn)行滑行實(shí)驗(yàn),得到各速度(10～120 km/h)下的加速度閾值a,為保證驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)間的平穩(wěn)切換,在原曲線基準(zhǔn)的上下設(shè)置過(guò)渡區(qū)域Δh,設(shè)置Δh=0.1 m/s2,得到驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)切換邏輯。

3.2.5下層控制器控制方法

本文采用簡(jiǎn)單快捷的PID控制方案設(shè)計(jì)下層控制器,并在此基礎(chǔ)上引入前饋和誤差反饋的方式來(lái)彌補(bǔ)模型失配的不足,前饋即是通過(guò)上層控制器的計(jì)算輸出作用于ACC車(chē)輛的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制車(chē)輛,而誤差反饋則是通過(guò)實(shí)際狀態(tài)與期望狀態(tài)的偏差值進(jìn)行調(diào)節(jié),用來(lái)補(bǔ)償線性模型失配帶來(lái)的控制誤差,提升系統(tǒng)的控制精度,利用PID方法使得期望縱向加速度與實(shí)際縱向加速度的偏差值迅速收斂為0,實(shí)現(xiàn)對(duì)ACC車(chē)輛的高效控制,運(yùn)用試湊法,設(shè)定PID控制器的控制參數(shù)為kp=0.2、ki=1.8。

4 聯(lián)合仿真驗(yàn)證與分析

為了對(duì)所設(shè)計(jì)的模式切換策略以及控制器進(jìn)行驗(yàn)證,搭建Matlab/Simulink與CarSim聯(lián)合仿真平臺(tái),其仿真參數(shù)如表3所示。

表3 主要仿真參數(shù)

4.1 仿真工況設(shè)置與結(jié)果分析

設(shè)置定速巡航、跟隨、緊急制動(dòng)以及混合切換4種工況進(jìn)行仿真驗(yàn)證,并在CarSim中將前車(chē)駕駛設(shè)置為駕駛員操作,并應(yīng)用于所有工況。

4.1.1定速巡航工況

車(chē)輛定速巡航時(shí),ACC進(jìn)入速度控制模式。車(chē)輛設(shè)置仿真環(huán)境如:自車(chē)初始車(chē)速為90 km/h,巡航車(chē)速為120 km/h,且當(dāng)前車(chē)道無(wú)前方車(chē)輛,其仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 速度變化曲線

圖6 加速度變化曲線

從圖5中可以看出,當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入巡航模式時(shí),車(chē)輛能迅速響應(yīng)控制器決策,大約在4.8 s時(shí),車(chē)速?gòu)?0 km/h加速至120 km/h,且速度超調(diào)量幾乎為0,其后車(chē)輛以當(dāng)前設(shè)定巡航速度行駛;從圖6中可以看出,自車(chē)加速度在些許波動(dòng)后能快速恢復(fù)穩(wěn)定,保證了乘坐舒適性,同時(shí)表明控制器具有穩(wěn)定性。

4.1.2跟隨工況

車(chē)輛跟隨前車(chē)行駛時(shí),ACC進(jìn)入距離控制模式。設(shè)置仿真環(huán)境如:本車(chē)的初始速度為90 km/h,且在0～160 s之間做加速、強(qiáng)減速、弱減速以及穩(wěn)態(tài)行駛動(dòng)作,兩車(chē)初始車(chē)間距為50 m。其仿真結(jié)果如圖7—9所示。

圖7 速度變化曲線

圖8 加速度變化曲線

圖9 車(chē)間距變化曲線

從圖7和圖9中可以看出,自車(chē)在各種子工況下都能很好地跟隨前車(chē)速度,且響應(yīng)迅速,雖存在超調(diào)現(xiàn)象,但最終都能穩(wěn)定跟隨前車(chē)行駛;在減速期間,自車(chē)與前車(chē)未發(fā)生碰撞,始終保持安全距離行駛;從圖8可以看出,自車(chē)實(shí)際加速度皆在子模式下的加速度約束范圍內(nèi),整個(gè)過(guò)程的加速度保持在-5～3.5 m/s2。

4.1.3前車(chē)緊急制動(dòng)工況

當(dāng)車(chē)輛面臨緊急工況時(shí),切換至接管模式,ACC進(jìn)入距離控制模式。設(shè)置仿真環(huán)境如:自車(chē)初始車(chē)速為120 km/h,前車(chē)初始車(chē)速為100 km/h,兩車(chē)初始車(chē)間距為50 m,當(dāng)車(chē)輛行駛到30 s時(shí),前車(chē)開(kāi)始緊急制動(dòng)約2.7 s,車(chē)速降至30 km/h。其仿真結(jié)果如圖10—12所示。

圖10 速度變化曲線

圖11 加速度變化曲線

圖12 車(chē)間距變化曲線

從圖10和圖11可以看出,在30 s時(shí),前車(chē)開(kāi)始緊急減速行駛,最大減速度為7.2 m/s2,為避免碰撞,自車(chē)切換至接管模式,并以7 MPa的制動(dòng)輪缸壓力制動(dòng),最大減速度為7.9 m/s2,當(dāng)控制器判斷為非緊急工況時(shí),自車(chē)則切換至跟隨模式,且切換策略工作流暢,保證了乘員的舒適性;從圖12可以看出,在38 s時(shí),兩車(chē)車(chē)間距為6 m,說(shuō)明兩車(chē)在緊急工況下仍能保證安全。

4.1.4混合切換工況

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)切換策略以及控制器,設(shè)置混合工況仿真環(huán)境如:自車(chē)初始車(chē)速為70 km/h,前車(chē)初始車(chē)速為100 km/h,兩車(chē)初始車(chē)間距為40 m;在29 s和63 s時(shí),前車(chē)分別切出、切入當(dāng)前車(chē)道,在99 s時(shí),前車(chē)在2.7 s內(nèi)緊急制動(dòng)至 30 km/h,前車(chē)在其他時(shí)間段做加速、強(qiáng)減速、弱減速以及穩(wěn)態(tài)行駛。其仿真結(jié)果如圖13—16所示。

圖13 速度變化曲線

圖14 加速度變化曲線

圖15 車(chē)間距變化曲線

圖16 Jerk變化曲線

從圖13和圖14可以看出,在整個(gè)仿真過(guò)程中,自車(chē)速度能很好地跟隨前車(chē),且和加速度并未產(chǎn)生不正常突變;在緊急制動(dòng)過(guò)程中,自車(chē)能快速反應(yīng),最大減速度達(dá)7.9 m/s2,在保證安全性的同時(shí),亦能較快吻合前車(chē)速度,大部分時(shí)間段的減速度均能維持在-5～3.5 m/s2,保證了行駛舒適性;整體模式切換流程從跟隨模式至定速巡航模式至跟隨模式至接管模式至跟隨模式,模式間均能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)切換;從圖15中可以看出,在行駛至99 s時(shí),車(chē)輛開(kāi)始緊急制動(dòng),最終兩車(chē)車(chē)間距能保持在5.6 m,且未與前車(chē)發(fā)生碰撞;從圖16中可以看出,除了緊急制動(dòng)工況,其他工況下的jerk基本維持在-3～3 m/s3,再次體現(xiàn)了駕乘舒適性。

5 結(jié)論

本文提出了一種具有緊急制動(dòng)功能的多模式自適應(yīng)巡航控制策略。針對(duì)目前復(fù)雜多變的工況,特別是緊急工況,將整體控制模式劃分為巡航、跟隨和接管3種模式,并將跟隨模式下的工況進(jìn)行了更加詳細(xì)的劃分;同時(shí),對(duì)3種模式進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì);多種仿真工況結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的ACC控制器能快速且穩(wěn)定地跟蹤前車(chē)速度或巡航速度,模糊PID控制下的速度幾乎無(wú)超調(diào),MPC控制能保持在10 km/h以內(nèi),且迅速恢復(fù)穩(wěn)定;除緊急工況,其他情況下的加速度均能保持在-5～3.5 m/s2;在緊急工況下,自車(chē)與前車(chē)最終能保持5.5 m左右的車(chē)間距,其他工況下的車(chē)間距可根據(jù)相對(duì)速度以及加速度參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整;且所有控制模式可根據(jù)復(fù)雜多變的工況進(jìn)行快速平穩(wěn)切換。

所設(shè)計(jì)的ACC控制策略滿足跟隨性、安全性、舒適性以及適應(yīng)性的要求,且切換模式有效平穩(wěn),在緊急工況下能通過(guò)縱向避撞策略實(shí)現(xiàn)緊急避撞。本文不足之處為在研究過(guò)程中未考慮不同駕駛員的駕駛特性以及換道工況等,且僅采用了聯(lián)合仿真進(jìn)行驗(yàn)證,后續(xù)還需進(jìn)一步研究與進(jìn)行硬件在環(huán)驗(yàn)證。