王 楠 劉衛(wèi)國 張君媛 童寶鋒

（1.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室 長春 130022；2.浙江省汽車安全技術研究重點實驗室 杭州 310000）

0 引言

汽車自適應巡航（ACC）系統(tǒng)具有定速巡航、跟隨前車、緊急制動等功能，在應用時要根據(jù)不同的行駛工況對車輛進行不同的控制，而模式劃分是實現(xiàn)不同控制的1種方法。合理的控制模式劃分方法與切換策略對ACC 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)具有重要作用。

目前國內(nèi)、外大多數(shù)ACC 系統(tǒng)根據(jù)行駛工況將系統(tǒng)劃分成3～4個工作模式，再針對每個模式設計相應的ACC算法［1－5］。意大利都靈大學的Canale等［6］將自動跟車過程分為啟步、巡航、跟隨和停車4個階段，對駕駛員每個階段特性進行分析，并設計了相應的ACC 算法。隨著汽車主動安全和駕乘舒適要求的提高，同時考慮到四模式的ACC系統(tǒng)模式之間過渡不平順，影響乘員舒適性，并且復雜工況下四模式ACC 系統(tǒng)適應性下降問題，北京理工大學的裴曉飛等［7］提出了1種多模式ACC 系統(tǒng)，將ACC 控制模式分為定速巡航、穩(wěn)態(tài)跟隨、接近前車、強加速、強減速和避撞等6種模式，并對六模式ACC系統(tǒng)進行實車試驗，驗證結果表明，其模式之間過渡的平順性、車輛的動態(tài)跟蹤特性以及系統(tǒng)的適應性較四模式ACC系統(tǒng)均有了較大的提高。

但是，現(xiàn)有的六模式ACC 系統(tǒng)仍然無法在前車切入等復雜工況下進行合理的模式切換。為了增強六模式ACC 系統(tǒng)在復雜工況下的適應性，筆者通過理論分析和仿真實驗，對汽車縱向安全控制系統(tǒng)進行了研究，選取兩車相對速度、相對距離和本車速度作為模式劃分的基本參數(shù)，提出了1種新的六模式ACC系統(tǒng)的模式劃分方法，并對各個模式的加速度算法進行研究，制定各個模式的控制策略。最后通過仿真試驗對所設計的六模式ACC系統(tǒng)的劃分方法及控制算法的合理性進行驗證。

1 六模式ACC系統(tǒng)劃分方法研究

1.1 模式劃分方法

參照文獻［7］，筆者也將車輛縱向行駛工況定性地劃分成6類。為實現(xiàn)各工況的合理控制，需對每1種工況設計相應的ACC 控制模式。模式劃分參數(shù)的選用對模式劃分方法的合理性具有重要的影響。目前普遍采用的用來表征車間運動狀態(tài)的參數(shù)包括：本車速度、前車速度、2 車相對速度、2車相對距離、跟車時距和避撞時間。一般來說，選用的參數(shù)太少不足以表示2車運動狀態(tài)，選用的參數(shù)過多或算法較復雜均會導致執(zhí)行時間過長。因此，筆者選取本車速度、2車相對速度和2車相對距離等3個參數(shù)作為基本參數(shù)，提出了如圖1所示的模式劃分方法。

圖1中，Vh為本車速度；Vr為相對速度（前車速度減去本車速度）；R為2車相對距離；Rw1，Rw2分別為Vr＞0 和Vr＜0 時的減速安全距離；Rb1、Rb2分別為Vr＞0和Vr＜0時的避撞安全距離；Rj為加速安全距離。這里，Rw1，Rw2，Rj，Rb1，Rb2均為本車速度Vh與2車相對速度Vr的函數(shù)，將其統(tǒng)稱為模式劃分的邊界條件。

圖1 模式劃分示意圖Fig.1 Mode dividing

在筆者的模式劃分方法中，當前車超出傳感器有效探測距離時本車啟用定速巡航模式；當前車進入傳感器測試范圍時，根據(jù)2車相對速度的關系將行駛工況大致分為2部分：

一部分為Vr＜0（圖1 的左半部分）時的情況。此時，若R≥Rw1，且｜Vr｜≥k，則ACC系統(tǒng)切換至接近前車模式，本車進行適當制動以向穩(wěn)態(tài)模式1過渡；若R≥Rw1，且｜Vr｜＜k，則ACC系統(tǒng)切換至穩(wěn)態(tài)跟隨模式（1），本車進行油門／制動的微調(diào)以穩(wěn)態(tài)跟隨前車；若Rb1＜R＜Rw1，則ACC系統(tǒng)切換至減速模式1，本車進行適當制動；若R≤Rb1，則ACC系統(tǒng)切換至避撞模式1，本車進行強制動。

另一部分為Vr＞0（圖1的右半部分）時的情況。此時，若R≥Rj，則ACC 系統(tǒng)切換至加速模式，本車進行適當加速；若Rw2≤R＜Rj，則ACC系統(tǒng)切換至穩(wěn)態(tài)跟隨模式2，本車進行油門／制動的微調(diào)以穩(wěn)態(tài)跟隨前車；若Rb2＜R＜Rw2，則ACC 系統(tǒng)切換至減速模式2，本車進行適當制動；若R≤Rb2，則ACC 系統(tǒng)切換至避撞模式（2），本車進行強制動。

1.2 模式劃分的邊界條件

ACC系統(tǒng)隨著汽車行駛工況的變化在不同控制模式間進行切換［6－7］。本文ACC系統(tǒng)在本車速度與前車速度的大小關系確定的情況下，模式切換的時機取決于1.1 定義的模式劃分邊界條件，各邊界條件（Rw1，Rw2，Rj，Rb1，Rb2）定義如下。

根據(jù)圖1所示的模式劃分方法，當2車相對距離剛好等于減速安全距離Rw1時，本車處于臨界工況，要保證本車經(jīng)過反應時間t1后以a的減速度制動到與前車速度相等后2車相對距離能夠恰好達到安全車距Rx。因此，Rw1的定義式為

式中：駕駛員反應時間t1根據(jù)文獻［8］的統(tǒng)計研究取為1.1s。減速度a根據(jù)汽車行駛工況的統(tǒng)計結果［9］取為1m／s2；Rx為高速公路安全距離標準［10］規(guī)定的2車速度相同時應該保持的安全車距，見表1。

表1 高速公路安全距離標準Tab.1 Highway safety standards

將表1中數(shù)據(jù)進行擬合，得到圖2所示的車速－距離分段關系曲線，由此得到任意車速下Rx的計算式：當Vh＜80km／h，Rx＝1.25Vh；當Vh＞80km／h，Rx＝2.5Vh－100。

圖2 高速公路安全距離標準擬合曲線Fig.2 Fitting curve of highway safety standards

由圖1可知，當2車相對距離剛好等于減速安全距離Rb1時，本車處于避撞模式臨界工況，必須保證，若前車以最大制動減速度ap制動，本車經(jīng)過反應時間t1后，以最大制動減速度ah進行制動，2車均完全停止后能夠相距R0。因此，Rb1的定義式為

這里，考慮到避撞模式下前車制動減速度大于本車制動減速度時所需的制動安全距離更大，因此保守起見，取ap＞ah，使得避撞安全距離算法更加安全。文中根據(jù)標準ISO 15622：2002，取2車靜止時保持的最小距離R0為4m。

在避撞模式（1）下，Vr＜0，且本車制動減速度小于前車制動減速度，并且本車還有制動滯后，所以可以確定前車先停，因此，避撞安全距離Rb1的定義式為式（2）。但是在避撞模式2下，雖然Vr＞0，但是本車有制動滯后，所以要判斷哪輛車先停，再確定Rb2的定義式。本車制動至完全停止所需要的時間為th：th＝Vh／ah＋t1。前車制動到完全停止所需要的時間為tp：tp＝（Vh＋Vr）／ap。當th＞tp，前車會先停，此時Rb2定義式為式（3）；當th＜tp，本車會先停，此時Rb2定義式為式（4）。

由圖1可知，減速安全距離Rw2為穩(wěn)態(tài)模式2和減速模式2 的劃分邊界條件，即Rw2為Vr＞0時本車進行制動的時機。根據(jù)前文提到的高速公路安全距離標準［10］可知，即使前車速度比本車速度快，一旦2車相對距離小于Rx，本車就要進行適當制動，因此本文將Rx作為穩(wěn)態(tài)模式2與減速模式2的臨界條件，得到Rw2的定義式。

經(jīng)驗總結，當前車速度大于本車速度時，本車要在1個合理的距離開始加速。如果加速過早，若遇到前車突然制動，本車就會缺少足夠的距離減速，這種情況是十分危險的；如果加速過晚，2車距離會逐漸拉大，前車可能超出測試范圍，而無法達到跟車的目的。筆者經(jīng)過大量仿真實驗，最后確定加速安全距離Rj的經(jīng)驗公式

2 六模式ACC系統(tǒng)加速度算法研究

在不同的ACC 控制模式下，下位控制算法大體相似，但上位控制算法有所差異，因此筆者只對上位控制算法進行研究。根據(jù)韓國首爾大學的Moon等［11］的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，駕駛員行車的縱向加速度98%集中于－2.17～1.77 m／s2，并且減速度達到－3～－4m／s2時會引起人體的不適。筆者將該統(tǒng)計數(shù)據(jù)作為參考，分別針對6種模式的加速度算法進行研究。

通常，在定速巡航模式下，駕駛員往往希望實際車速與設定車速盡可能接近。為此，將該模式下的加速度算法分為2部分：當實際車速小于設定車速時，取本車加速度為1 m／s2；當實際車速達到設定車速（誤差在±1km／h范圍內(nèi)），本車加速度a的計算式為

式中：k1為比例系數(shù)，取k1值為1。

如前所述，接近前車模式下2車速度差值較大，且本車比前車速度快，同時相對距離R大于減速安全Rw1，因此需要制動本車保證安全性。為了符合駕駛員的均勻減速特性［12－13］，最終過渡到穩(wěn)態(tài)跟隨模式，根據(jù)運動學關系，加速度a的計算式為

本文穩(wěn)態(tài)跟隨模式1下，2車車速較接近，但相對速度小于零，若本車保持當前車速不變，相對距離會減小，可能減小到小于減速安全距離Rw1，進入到減速模式，而無法達到穩(wěn)態(tài)跟隨前車的目的，因此本車要進行微小的制動，根據(jù)運動學關系得到該模式下加速度a的計算式為

式中：k2為比例系數(shù)。經(jīng)大量仿真實驗發(fā)現(xiàn)，當本車處于穩(wěn)態(tài)模式1，式（9）的加速度值在－0.08～－0.12m／s2內(nèi)，變化范圍很小，因此取該模式下加速度a為－0.1m／s2。

本文穩(wěn)態(tài)跟隨模式2下，2車車速較接近，但相對速度大于零，若本車保持當前車速不變，相對距離會增大，可能增大到大于加速安全距離，進入到加速模式，而無法達到穩(wěn)態(tài)跟隨前車的目的，因此本車要有1個微小的加速度，綜合考慮乘員舒適性與駕駛需求后將該模式下本車加速度a取為0.4m／s2。

特別地，當本車處于穩(wěn)態(tài)跟隨模式1或穩(wěn)態(tài)跟隨模式2，若此時2車速度特別接近，本車可能在穩(wěn)態(tài)模式與減速模式之間頻繁切換，而造成加速度較大地波動，進而導致油門開度和制動壓力不穩(wěn)。為此，將2車速度特別接近時本車加速度a的計算式設定為

式中：k3為比例系數(shù)，通過對控制模型進行大量仿真試驗，得出k3取0.02時較為合理。

在筆者的模式劃分方法中，減速模式1為穩(wěn)態(tài)模式1與避撞模式1的過渡區(qū)，而穩(wěn)態(tài)模式1下本車減速度接近于0、避撞模式1 下本車減速度較大，因此減速模式1的加速度需要覆蓋0～－4 m／s2的范圍。為保證本車在所設計的模式之間切換時的平順性，將圖1中減速模式1部分分成3區(qū)域，如圖3所示，區(qū)域1與2個穩(wěn)態(tài)區(qū)域相鄰，視為亞穩(wěn)態(tài)區(qū)域；區(qū)域2與亞穩(wěn)態(tài)區(qū)域和接近模式區(qū)域相鄰，視為弱減速區(qū)域；區(qū)域3與弱減速區(qū)域和避撞模式區(qū)域相鄰，視為強減速區(qū)域。然后本文將得到的3 個區(qū)域進一步細分成8 部分，考慮到各部分工況的危險程度及均勻減速特性，本文將這8部分的加速度從右至左依次取為：－0.5，－0.75，－1.25，－1.75，－2.25，－2.75，－3.25，－3.75m／s2。由于該模式下的加速度為8個離散值，在實際應用時可能會產(chǎn)生加速度的波動，為了解決這一問題，取當前算出的的期望加速度以及在此之前3次算出的期望加速度的均值作為當前期望加速度。又由于減速模式2為穩(wěn)態(tài)模式2與避撞模式2的過渡區(qū)，所以對減速模式2的控制與減速模式1相同，因此取本車在減速模式2下的加速度算法與減速模式1的加速度算法相同。

圖3 減速模式加速度劃分圖Fig.3 Acceleration dividing of deceleration mode

當ACC系統(tǒng)處于避撞模式時，本車行駛工況非常危險，為確保行車的安全性，本文犧牲乘員舒適性取該模式下本車的加速度為車輛所能達到的最大制動減速度。

在加速模式下，前車車速大于本車車速，同時兩車相對距離較大，因此本車可以進行適當加速。筆者綜合考慮乘員舒適性與駕駛需要等要求，參照汽車行駛工況統(tǒng)計結果，取該模式下本車加速度a為1m／s2。

3 仿真驗證

筆者將提出的模式劃分方法和控制算法建立相應的Simulink 模型?？紤]到PreScan 建立的場景具有可視、快速、方便、易修改等優(yōu)點，筆者采用PreScan建立的仿真場景（見圖4），并將Car－Sim 動態(tài)模型與PreScan中的仿真車輛相結合，對所提出的ACC系統(tǒng)的模式劃分方法和控制算法在典型工況以及前車切入等復雜工況下的適應性進行了驗證。所建立的相應的Simulink／Prescan／Carsim 聯(lián)合仿真的示意圖見圖5。

考慮到現(xiàn)有ACC 控制算法在前車緊急切入工況下的不合理控制甚至是失效，筆者特別針對這一復雜工況進行仿真，來驗證所提出的控制算法的合理性，具體仿真過程如下。

圖4 PreScan仿真場景圖Fig.4 Simulation scenario in PreScan

圖5 Simulink／Prescan／Carsim 聯(lián)合仿真的示意圖Fig.5 The joint simulation diagram of Simulink／Prescan／Carsim

首先設定本車定速巡航模式的既定車速為70km／h、傳感器測試范圍為180m。然后設定車輛運動狀態(tài)：前車以54km／h的初速度與本車在同一車道勻速行駛，2車初始距離為150 m。6s后前車以6m／s2的減速度進行制動，當前車車速減至36km／h時保持勻速行駛。14s時，位于相鄰車道的第3輛車以36km／h的車速，變換車道插入本車與前車之間。其仿真驗證結果如圖6所示。這里，控制模式的代號（1～6）的定義分別為：定速巡航模式；接近前車模式；穩(wěn)態(tài)跟隨模式；減速模式；避撞模式；加速模式。

由圖6（b）可以看出，在0～4s的過程中R＞Rj，因此ACC系統(tǒng)處于加速模式，并以1m／s2的加速度行駛以滿足駕駛需求；在4～8s過程中，前車超出傳感器測試范圍，因此ACC 系統(tǒng)切換至定速巡航模式，而由圖6（c）可以看出，此時Vh＜70km／h，所以本車以1m／s2的加速度行駛；8 s時，R＞Rw1且2車相對速度較大，因此ACC 系統(tǒng)切換至接近前車模式，進行適當制動；14s時，第3輛車以與前車相同的速度插入本車與前車之間，此時相對速度不變但相對距離減小至小于避撞安全距離，因此ACC 系統(tǒng)切換至避撞模式，所以本車進行強制動以躲避危險工況；16s時，有Rb1＜R＜Rw1，因此ACC 系統(tǒng)切換至減速模式；18s時，有R＞Rw1且兩車相對速度較大，因此ACC系統(tǒng)切換至接近前車模式；26s時，有Rb1＜R＜Rw1，因此ACC系統(tǒng)切換至減速模式，所以本車以適當減速度制動至停止。

圖6 仿真驗證結果Fig.6 Simulation results

可以看出，在整個仿真過程中，所提出的ACC系統(tǒng)能夠根據(jù)前方無車、前車減速和前車緊急制動等典型工況及前車切入等復雜工況進行合理的模式切換，并能根據(jù)所處模式使車輛進行適當?shù)刂苿樱铀?，以保證行車安全和駕駛需求。

4 結束語

為了增強六模式ACC 系統(tǒng)在全工況下的適應性，筆者通過理論分析和仿真實驗，對汽車縱向安全控制系統(tǒng)進行了研究。選用2車相對距離、相對速度以及本車速度作為基本參數(shù)，重新定義了模式劃分方法；并研究了ACC系統(tǒng)的6種加速度模式，分析了模式應用的工況特點，基于駕駛員特性和汽車行駛工況統(tǒng)計結果，提出了相應的控制算法；最后對該ACC 系統(tǒng)進行了仿真驗證，驗證結果表明：本文提出的六模式ACC 系統(tǒng)，在全工況特別是前車切入等復雜工況下，較現(xiàn)有的六模式ACC系統(tǒng)表現(xiàn)出更好的適應性，。

筆者僅在仿真環(huán)境中對所提出的六模式ACC系統(tǒng)的適應性進行了驗證。雖然仿真研究可以使前期的ACC 系統(tǒng)開發(fā)節(jié)約時間和成本，但是，仿真環(huán)境沒有考慮到硬件、實車與路面等影響因素。若要投入使用，還需要進行硬件設計、硬件在環(huán)試驗以及實車道路試驗。

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