李 朋，魏民祥，侯曉利

(1.南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京 210016;2.內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，赤峰 024005)

前言

目前自適應(yīng)巡航控制(ACC)是汽車主動安全和智能交通系統(tǒng)(ITS)研究的熱點。它能夠根據(jù)車輛當(dāng)前行駛狀況與道路環(huán)境變化，實時控制自車與前車之間的相對車距和相對速度以匹配車流，有效地減輕了駕駛員在駕駛過程中的操作負(fù)擔(dān)，提高了道路的交通流量，改善了車輛行駛的舒適性和主動安全性［1］。

由于汽車動力學(xué)系統(tǒng)存在較強的非線性，行駛過程中又存在大量不確定性因素，因此國內(nèi)外學(xué)者對車輛動力學(xué)系統(tǒng)的建模和控制系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)［2］中在ACC制動系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，引入發(fā)動機(jī)二狀態(tài)模型，并給出了驅(qū)動與制動的切換準(zhǔn)則，建立了汽車縱向動力學(xué)模型，并用DSC控制算法進(jìn)行了仿真研究。文獻(xiàn)［3］中采用分層控制對所建立的2階車間距縱向相對距離控制進(jìn)行了研究，提高了汽車縱向控制的精確性和魯棒性。文獻(xiàn)［4］在文獻(xiàn)［3］基礎(chǔ)上建立相對完整的動力學(xué)模型，并利用模糊邏輯和滑?？刂圃O(shè)計了自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)，使被控車輛能夠精確跟蹤期望加速度。在這些研究中，大都對車輛動力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了不同程度的簡化處理，沒有全面考慮發(fā)動機(jī)模型的動態(tài)特性和輪胎模型滑移特性對動力學(xué)模型特性的影響等，因此很難真實反映ACC在加速和制動等行駛工況下的控制效果。

針對常規(guī)線性建模方法的不足，本文中基于Carsim軟件和Matlab/Simulink建立了能夠模擬車輛運行工況，反映系統(tǒng)動態(tài)特性并能兼顧模型精確性的汽車動力學(xué)系統(tǒng)模型［5］。然后基于最優(yōu)控制和PID控制設(shè)計了自適應(yīng)巡航控制器，對典型的ACC行駛工況進(jìn)行了聯(lián)合仿真。

1 車輛動力學(xué)系統(tǒng)建模

1.1 Carsim車輛動力學(xué)模型

本文中利用Carsim軟件為聯(lián)合仿真提供車輛動力學(xué)模型［6］，該模型能夠?qū)崟r模擬車輛的運行過程，反映其各種動力學(xué)及運動學(xué)特性，它輸出給Simulink的信號包括:車輛的縱向速度v、加速度a、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速ωe和位置s等信息。

車輛模型分為車體、空氣動力學(xué)、傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)和輪胎7個子系統(tǒng)。

所選自車車型為B級掀背式轎車，前輪驅(qū)動，其發(fā)動機(jī)功率為125kW，制動系統(tǒng)帶ABS功能，傳動系、懸架及其他系統(tǒng)參數(shù)采用默認(rèn)設(shè)置。

前車車型為歐洲大型面包車，其模型各項參數(shù)全部采用默認(rèn)值，僅對前車車速變化和制動時間等實驗條件進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。

1.2 車輛逆縱向動力學(xué)建模

上位控制器發(fā)出的控制指令是車輛的控制加速度acon，須通過車輛逆縱向動力學(xué)模型轉(zhuǎn)變?yōu)槠谕墓?jié)氣門開度αacc和制動壓力pbrk，然后將它們輸入到車輛縱向動力學(xué)模型，以控制車輛的加速、減速和勻速運動，實現(xiàn)自適應(yīng)巡航系統(tǒng)的功能。車輛逆縱向動力學(xué)模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

實際車輛在行駛過程中，加速和制動是分開動作的，制動時首先應(yīng)松開加速踏板，利用發(fā)動機(jī)倒拖、風(fēng)阻和滾動阻力等形式制動;如果仍無法滿足車輛減速的需要，再踩制動踏板，施加制動力，增大車輛減速度。考慮到駕乘舒適性和車輛相應(yīng)部件的可靠性，應(yīng)盡量避免在加速控制與制動控制之間進(jìn)行頻繁切換。

在Carsim中取該車節(jié)氣門開度為0，直接測出不同車速下該車能夠獲得的最大減速度值amax，繪制出車輛定車速下最大減速度曲線。為了提高車輛的駕乘舒適性和部件的可靠性，在切換邏輯曲線上下兩側(cè)設(shè)置了寬度為2Δh的過渡區(qū)域，經(jīng)驗上一般取Δh=0.1m/s2。該曲線即為加速控制/制動控制切換邏輯曲線，如圖2所示。

定義車輛的期望加速度為acdes，根據(jù)邏輯切換曲線可得到:當(dāng)acdes≥amax+Δh時，為加速控制;當(dāng)acdes≤amax+Δh時，為制動控制。

1.2.1 加速控制

經(jīng)邏輯切換后，如果切換為加速控制，則須按照期望加速度的要求，經(jīng)過計算得到期望發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩，再通過發(fā)動機(jī)逆向模型查得期望的節(jié)氣門開度。

首先對車輛進(jìn)行縱向動力學(xué)分析，忽略旋轉(zhuǎn)部件的換算質(zhì)量，得到車輛運動方程如下:

式中:acdes為期望加速度;m為整車質(zhì)量;Ft為路面作用于車輛的驅(qū)動力;Fxb為路面作用于車輛的制動力;∑F(v)為車輛所受各種阻力之和;CD為空氣阻力系數(shù);A為迎風(fēng)面積;ρ為空氣密度;v為汽車速度;g為重力加速度;f為滾動阻力系數(shù)。

不考慮傳動系的彈性變形，可得車輛所受驅(qū)動力Ft為

式中:η為機(jī)械效率;Te為發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩;ωt為液力變矩器渦輪轉(zhuǎn)速;ωe為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速;Rg為變速器擋位速比;Rm為主減速器減速比;τ(ωt/ωe)為液力變矩器轉(zhuǎn)矩特性函數(shù);r為車輪滾動半徑;Kd為一個可實時觀測的變量:

當(dāng)車輛處于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出控制工況時，此時無制動力，即Fxb=0，根據(jù)變速器當(dāng)前擋位和速比，可得到期望發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為

利用Carsim所建模型中的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩特性曲線圖中的數(shù)據(jù)，取不同轉(zhuǎn)速ωe下輸出不同轉(zhuǎn)矩Tdes所需的節(jié)氣門開度αdes，可得到發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度特性脈譜圖，如圖3所示。

根據(jù)Tdes和ωe，利用發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度特性脈譜圖，可以求得期望的節(jié)氣門開度αdes為

1.2.2 制動控制

經(jīng)過邏輯切換之后，如切換為制動控制，須按照期望加速度acdes，求得期望制動力Fbdes，繼而通過制動器逆向模型求得制動壓力pdes，將pdes通過執(zhí)行器施加于車輛動力學(xué)模型進(jìn)行制動控制。

此時發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為0，即車輛驅(qū)動力Ft為0，式(1)簡化為

在不超過路面最大制動力的情況下，制動力Fbdes和制動壓力pdes可以近似表示為線性關(guān)系，即

式中:Kb為一系數(shù)。

由式(7)和式(8)可得

經(jīng)過在Carsim中進(jìn)行的車輛制動仿真，得到系數(shù)Kb=1 286.174。

利用Simulink建立分層控制器模型和逆縱向動力學(xué)模型，根據(jù)Carsim提供的各種信號計算得到期望節(jié)氣門開度αdes和制動壓力pdes，將其輸入到Carsim所建的車輛動力學(xué)模型中，來控制車輛縱向加速、勻速和減速運動。

將在Simulink中建立的加速/制動邏輯切換模型、加速控制模型和制動控制模型與Carsim動力學(xué)模型相連接，組成一個閉合的仿真系統(tǒng)，即車輛自適應(yīng)巡航控制聯(lián)合仿真模型［7］。

2 自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)設(shè)計

ACC車輛在跟隨前車行駛時面臨的工況復(fù)雜，對駕駛員跟隨行駛操作行為的分析表明:ACC控制系統(tǒng)應(yīng)具備兩個功能:一是能合理控制ACC車輛的跟隨車速;二是要具有適應(yīng)如前車車速變化的外部干擾能力。因此自適應(yīng)巡航控制采用相互獨立的分層控制，即上層控制目標(biāo)生成模塊和下層控制目標(biāo)實現(xiàn)模塊［8－9］。

上層控制模塊根據(jù)傳感系統(tǒng)提供的行車信息和駕駛員的設(shè)定，確定此時自車的期望加速度acdes;下層控制模塊根據(jù)上層控制模塊的輸入，對車輛動力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行控制，實現(xiàn)期望的加速度。

2.1 上層控制器設(shè)計

期望加速度acdes的選取應(yīng)反映實際駕駛員的操作特點，根據(jù)自適應(yīng)巡航運行工況，可得自車與前車各變量之間的關(guān)系為式中:為自車實際速度為前車實際速度;為自車與目標(biāo)車輛間的相對速度。

另外根據(jù)自車加速度到自車期望加速度acdes的傳遞特性［10］可得

其中:C=［100］，

根據(jù)狀態(tài)反饋原理，設(shè)計合適的狀態(tài)反饋控制規(guī)律，使自車在盡可能小的加速度波動情況下跟蹤前車行駛，這是一個最優(yōu)跟蹤問題，定義控制誤差為期望車間距離與實際車間距離的差值，即

取控制指標(biāo)函數(shù)為

式中:qe、ru分別為控制誤差和控制量的加權(quán)值。

尋求最優(yōu)控制，使上述性能指標(biāo)J取最小值。檢驗系統(tǒng)的可控性:

根據(jù)控制系統(tǒng)狀態(tài)可控性判據(jù)可知，該系統(tǒng)狀態(tài)完全可控。利用最優(yōu)跟蹤問題的求解方法，式(15)可寫成如下形式:

式中:k1、k2、k3為求得的狀態(tài)反饋系數(shù);y為期望車距，此處取y為定車間時距模型的安全距離;t0為車間時距;d為兩車停止后車距。選擇適當(dāng)?shù)募訖?quán)值qe和ru，使自車的特性接近駕駛員實際駕駛特性，經(jīng)取不同值的比較，最后取qe=1，ru=8，得到

為避免期望加速度過大，用飽和限制函數(shù)將加速度限制在－8～8m/s2的范圍。Simulink中上層控制器模型如圖4所示。

2.2 下層控制器設(shè)計

下層控制器采用PID控制，該算法簡單，魯棒性好，可靠性高，被廣泛用于過程控制和運動控制中，PID算法中kp、kI、kD值的確定十分關(guān)鍵，如果選擇不當(dāng)，會給系統(tǒng)帶來許多問題，一般比較常用的方法是試湊法。用試湊法確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)，須對參數(shù)實行先比例，后積分，再微分的整定步驟，具體如下。

(1)首先只整定比例部分，將比例系數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。

(2)如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差無法滿足設(shè)計要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)，整定時首先設(shè)置積分時間Ti為一較大值，并將經(jīng)第一步整定得到的比例系數(shù)略微縮小，然后減小積分時間，在保持系統(tǒng)良好動態(tài)性能的情況下，使靜差得到消除。

(3)若使用比例和積分調(diào)節(jié)器消除了靜差，但動態(tài)過程經(jīng)過反復(fù)調(diào)整仍不能滿意，則可加入微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成比例積分微分調(diào)節(jié)器。

通過反復(fù)整定試驗，確定下層控制器的PID值分別為:kp=5，kI=10，kD=0.02

在Simulink中下層控制器模型如圖5所示。

3 仿真驗證

為驗證控制器的效果，在Matlab/Simulink中與Carsim進(jìn)行了聯(lián)合仿真，并與模糊控制器的控制效果進(jìn)行對比，驗證車輛模型在復(fù)雜工況下與前車保持一定車距的效果。

在Carsim中設(shè)置前車初始位置距離原點45m處，其最大車速為80km/h，最低車速為50km/h，并在50s時突然以15MPa的最大制動壓力制動直至車輛停止。其運動規(guī)律如圖6所示。

設(shè)置自車初始位置為距離原點10m處，初始速度為50km/h，仿真時間為60s，道路設(shè)置為半徑50m的彎道和長200m的直道組成的近似橢圓形閉合道路。仿真結(jié)果如圖7～圖10所示。

由圖7可見:在6～9s前車車速發(fā)生突變時，自車車速響應(yīng)及時且沒有超調(diào);勻速行駛時，自車速度與前車速度幾乎保持相同;在加速和減速過程中，自車車速能夠較好地跟蹤前車車速，且自車車速變化有一定滯后，但在合理范圍內(nèi)。自車能夠跟隨前車速度變化自動加減速，可滿足一般的跟車工況。

由圖8可見:實際車距能很好地跟蹤期望車距變化，且實際車距略大于期望車距，這樣自車行車安全性得到充分保證;當(dāng)在50s前車緊急制動時，自車隨即采取制動，最后兩車停下后兩車車頭間距為7.2m，這說明自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)對緊急制動工況具有較好的適應(yīng)性。

由圖9可見:自車加速度變化與前車加速度變化趨勢大體相同，對前車加速度突變具有一定的抗干擾性，并且自車加速度變化范圍適中，減輕了過大的減速度對乘坐舒適性的影響。

由圖10可見:在50s之前，自車能跟隨前車運動，且始終與其保持適當(dāng)?shù)木嚯x。當(dāng)前車緊急制動時(50s)，自車能采取緊急制動，最終在距前車尾部3.2m處停止，避免了與前車發(fā)生碰撞。

4 結(jié)論

(1)由Carsim所建立的車輛動力學(xué)模型數(shù)據(jù)源于實際車輛的試驗和測試，能較真實地反映車輛縱向動力學(xué)的非線性時變特點，可以滿足自適應(yīng)巡航系統(tǒng)對車輛動力學(xué)模型的要求。

(2)從仿真結(jié)果可見，基于最優(yōu)控制和PID控制所設(shè)計的分層控制系統(tǒng)能使自車在典型工況下較準(zhǔn)確地跟隨前車運行，在保持一定安全車距的前提下，車速隨前車變化而改變;當(dāng)前車緊急制動時，自車能夠采取緊急制動，提高了車輛的安全性能。

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