李徑亮，夏湯忠，陸志成，劉昭度

（1.神龍汽車(chē)有限公司技術(shù)中心，武漢 430056；2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京 100081）

車(chē)輛自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng) （Adaptive Cruise Control system，下簡(jiǎn)稱(chēng)ACC）是一種被廣泛研究且具有廣闊前景的車(chē)輛主動(dòng)安全裝置。一般認(rèn)為ACC是一種增強(qiáng)駕乘舒適性的電控裝置，其原理是利用激光/毫米波雷達(dá)、攝像頭等傳感器對(duì)相同車(chē)道內(nèi)前方目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)電控系統(tǒng)自主地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及制動(dòng)系統(tǒng)的聯(lián)合控制實(shí)現(xiàn)安全車(chē)距保持功能［1，2］。ACC有助于緩解駕駛員的駕駛疲勞感，現(xiàn)已經(jīng)越來(lái)越多被應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外中高檔轎車(chē)上。

在ACC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：①車(chē)輛狀態(tài)測(cè)量（輪速、質(zhì)心加速度、橫擺角速度等）；②目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤（基于雷達(dá)或攝像頭的目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤）；③ACC核心控制算法的開(kāi)發(fā)；④發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)系統(tǒng)的通訊與控制等。利用CAE軟件輔助開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)能顯著提高ACC裝置開(kāi)發(fā)效率，尤其在ACC核心控制算法開(kāi)發(fā)過(guò)程中，CAE軟件輔助開(kāi)發(fā)具有結(jié)果直觀、開(kāi)發(fā)周期短、成本低廉等顯著優(yōu)勢(shì)。

CarSim是一種專(zhuān)業(yè)的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件，能準(zhǔn)確模擬車(chē)輛對(duì)駕駛員操作行為、空氣動(dòng)力學(xué)以及路面激勵(lì)的響應(yīng)。在車(chē)輛操縱穩(wěn)定性、平順性、燃料經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用［3］。其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在能方便的模擬各種復(fù)雜路面幾何形式及峰值附著特性、模擬復(fù)雜的駕駛員操作行為和試驗(yàn)工況、通過(guò)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)定義輸出復(fù)雜的多剛體機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型等。其強(qiáng)大的可擴(kuò)展性及豐富的接口使其能方便的與 Matlab/Simulink、dSpace、Labview 等軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真，用于各種高級(jí)功能開(kāi)發(fā)，尤其在車(chē)輛電控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)模擬方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。同時(shí)CarSim軟件存在一定局限性，主要體現(xiàn)在：某些部件具有顯著幾何非線性特性及材料非線性特性，需要借FEM方法進(jìn)行剛?cè)狁詈嫌?jì)算才能獲得較理想的計(jì)算值，CarSim在處理此類(lèi)部件上顯得手段較單一。

結(jié)合現(xiàn)有條件，擬采用CarSim與Simulink聯(lián)合仿真的方式進(jìn)行ACC控制器開(kāi)發(fā)，并將成功開(kāi)發(fā)的ACC控制器移植到試驗(yàn)樣車(chē)，以完成原理樣機(jī)的試驗(yàn)。其具體開(kāi)發(fā)流程可以描述為：

（1）在CarSim和Simulink環(huán)境下進(jìn)行基于試驗(yàn)的參數(shù)化建模，并完成試驗(yàn)對(duì)標(biāo)；

（2）在CarSim與Simulink的集成環(huán)境下進(jìn)行ACC控制器開(kāi)發(fā)調(diào)試；

（3）將ACC控制器移植到樣車(chē)嵌入式電控系統(tǒng)，并完成實(shí)車(chē)試驗(yàn)。

1 基于CarSim和Simulink的建模與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)

為了保持CarSim的模型特性與物理樣車(chē)的一致性，在建模過(guò)程中需盡可能準(zhǔn)確的模擬物理樣車(chē)各部件的特性，試驗(yàn)樣車(chē)主要參數(shù)見(jiàn)表1、表2。在CarSim中能便捷地按車(chē)輛結(jié)構(gòu)參數(shù)建立模型，同時(shí)也能在模板中建立車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、轉(zhuǎn)向器等特性；對(duì)于CarSim沒(méi)有專(zhuān)門(mén)定義的部件則需要在Simulink中定義，如節(jié)氣門(mén)開(kāi)度特性、制動(dòng)輪缸電磁閥特性等［2］。

表1 試驗(yàn)樣車(chē)主要參數(shù)

試驗(yàn)樣車(chē)在CarSim中建立的發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線及動(dòng)力因數(shù)曲線見(jiàn)圖1、圖2。

表2 試驗(yàn)樣車(chē)變速箱及主減速器傳動(dòng)比

將已經(jīng)建立好的模型與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)標(biāo)?？紤]到ACC工作主要涉及直線加速、滑行、減速等工況，分別利用上述工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與相同工況下的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果見(jiàn)圖3～圖6。

圖3～圖6中仿真與實(shí)車(chē)試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比表明，在加速、制動(dòng)以及滑行狀態(tài)下，CarSim模型均能較精確的反映試驗(yàn)樣車(chē)的性能，符合ACC控制器開(kāi)發(fā)要求。

2 ACC控制策略及控制器開(kāi)發(fā)

當(dāng)主車(chē)道內(nèi)存在目標(biāo)車(chē)輛時(shí)，ACC車(chē)輛通過(guò)傳感器檢測(cè)前方主車(chē)道目標(biāo)的車(chē)距與相對(duì)車(chē)速，并依據(jù)自身車(chē)速計(jì)算出安全車(chē)距［4］。ACC車(chē)輛通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度與主動(dòng)調(diào)節(jié)制動(dòng)輪缸壓力實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)速的調(diào)節(jié)。本文選取的車(chē)輛安全車(chē)距為：

式中：ddes為安全車(chē)距，m；Vtar為目標(biāo)車(chē)輛縱向速度，m/s；Tset為駕駛員設(shè)定的時(shí)間，s；d0為距離變量，m，一般依路面類(lèi)型選取。

以ddes作為車(chē)距控制目標(biāo)設(shè)計(jì)ACC控制器。實(shí)際車(chē)距與安全車(chē)距偏差如式（2）所示：

式中：ed為實(shí)際車(chē)距與安全車(chē)距偏差，m；dreal為實(shí)際車(chē)距，m；其它參數(shù)意義同上。

定義實(shí)際車(chē)距與安全車(chē)距偏差變化率為：

車(chē)輛ACC控制器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。

考慮到控制程序的可移植性，采取模糊控制策略作為 ACC控制手段［5］（見(jiàn)圖 8）：以實(shí)際車(chē)距與安全車(chē)距的偏差ed以及偏差變化率作為輸入，并確定車(chē)距偏差ed論域?yàn)椋?30 m，30 m］，車(chē)距偏差變化率論域?yàn)椋?15 m/s，15 m/s］。以車(chē)輛期望加速度作為模糊輸出，且期望加速度區(qū)間為論域?yàn)椋?0.6 m/s2，0.6 m/s2］。

利用控制器得到的期望加速度數(shù)據(jù)，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)控制或制動(dòng)系統(tǒng)主動(dòng)壓力調(diào)節(jié)控制，其方法可以簡(jiǎn)述為：當(dāng)期望加速度高于某一閾值時(shí)，采取控制節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的方式進(jìn)行速度調(diào)控；當(dāng)期望加速度處于某兩閾值之間時(shí)，通過(guò)使發(fā)動(dòng)機(jī)保持怠速開(kāi)度進(jìn)行控制；當(dāng)期望加速度低于某一閾值時(shí)，保持發(fā)動(dòng)機(jī)怠速開(kāi)度，同時(shí)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)壓力調(diào)節(jié)，使制動(dòng)器輪缸內(nèi)產(chǎn)生一定壓力，以實(shí)現(xiàn)減速控制［2～6］。

3 ACC控制仿真結(jié)果及初步實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果

利用上一節(jié)開(kāi)發(fā)的ACC控制器進(jìn)行CarSim/Simulink聯(lián)合仿真，仿真工況描述如下：ACC車(chē)輛以90 km/h的初始速度在良好附著平直路面行駛，雷達(dá)檢測(cè)到主車(chē)道正前方60 m處存在車(chē)速約80 km/h的目標(biāo)車(chē)輛。在CarSim中設(shè)置目標(biāo)車(chē)輛為4×2后驅(qū)GT車(chē)，其發(fā)動(dòng)機(jī)功率300 kW。由于初始車(chē)距大于安全車(chē)距，且ACC車(chē)輛速度略高于目標(biāo)車(chē)輛速度，控制器調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)首先使實(shí)際車(chē)距與安全車(chē)距接近，同時(shí)使ACC車(chē)輛車(chē)速與目標(biāo)車(chē)輛車(chē)速一致。此后車(chē)輛進(jìn)入穩(wěn)定的ACC控制，保持相對(duì)車(chē)距在安全車(chē)距附近，同時(shí)保持ACC車(chē)輛車(chē)速與目標(biāo)車(chē)速基本相同。圖9與圖10對(duì)比結(jié)果顯示，ACC仿真控制器控制效果良好。

將ACC模糊控制器移植入自主研發(fā)的ACC電控系統(tǒng)并進(jìn)行ACC實(shí)車(chē)試驗(yàn)，初步試驗(yàn)結(jié)果如圖11與圖12所示。試驗(yàn)中利用Delphi ESR毫米波雷達(dá)檢測(cè)目標(biāo)車(chē)輛與ACC主車(chē)的相對(duì)速度、相對(duì)距離及方位角，并依據(jù)自主開(kāi)發(fā)的目標(biāo)識(shí)別及跟蹤算法對(duì)目標(biāo)車(chē)輛實(shí)施跟蹤［2］。ACC控制器根據(jù)實(shí)測(cè)計(jì)算得到的相對(duì)距離變化率及相對(duì)速度變化率利用從仿真控制器中移植得到的控制算法進(jìn)行期望加速度計(jì)算，并利用電子節(jié)氣門(mén)開(kāi)度控制和制動(dòng)輪缸主動(dòng)建壓及壓力調(diào)節(jié)技術(shù)分別實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的加速及減速控制。

實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）ACC車(chē)輛能準(zhǔn)確檢測(cè)并跟蹤車(chē)道內(nèi)目標(biāo)；

（2）ACC車(chē)輛能依據(jù)目標(biāo)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)變化自主地實(shí)現(xiàn)車(chē)速調(diào)節(jié)并保持安全車(chē)距；

（3）現(xiàn)有算法并不完善，在目標(biāo)車(chē)輛出現(xiàn)急加速或急減速時(shí)控制器存在一定程度的滯后與超調(diào)，需要進(jìn)一步完善。

4 結(jié)論

本文利用CarSim/Simulink聯(lián)合仿真的方法建立了某試驗(yàn)樣車(chē)的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真模型并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)標(biāo)驗(yàn)證了模型與樣車(chē)的一致性；基于仿真模型在聯(lián)合仿真環(huán)境下設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了ACC控制器并進(jìn)行了車(chē)輛自適應(yīng)巡航仿真試驗(yàn)；將仿真控制器移植到自主研發(fā)的車(chē)輛ACC電控系統(tǒng)并進(jìn)行實(shí)車(chē)試驗(yàn)并實(shí)現(xiàn)了基本功能。

［1］Xiao Lingyun，Gao Feng.A comprehensive review of the development of adaptive cruise control systems［J］.Vehicle System Dynamics， 2010，48（10）：1167-1192.

［2］李徑亮.車(chē)輛 ABS/ASR/ACC 集成技術(shù)研究［D］.北京：北京理工大學(xué)，2012.

［3］吳利軍，劉昭度，何瑋.汽車(chē)ACC跟隨控制策略研究［J］.汽車(chē)工程， 2005，27（5）：514-515.

［4］Daniele Corona and Bart De Schutter.Adaptive Cruise Control for a SMART Car：A Comparison Benchmark for MPC-PWA Control Methods ［J］.IEEE Transactions on Control Systems Technology，2008，16（2）.

［5］Li Jingliang，Liu Zhaodu.Design of ACC controller based on double level mamdani reasoning ［J］.Proceedings of the 2009 WRI Global Congress on Intelligent Systems，GCIS 2009，2009，2：233-237.

［6］馬岳峰，劉昭度，吳利軍，等.基于ABS的ABS/ASR集成液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.液壓與氣動(dòng)，2004（6）： 27-29.

［7］李徑亮，劉昭度.基于MCU的車(chē)輛ACC電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2009，25（10-2）：1-3.