高琳琳， 戎 輝， 唐風(fēng)敏， 郭 篷，何 佳， 夏海鵬

（1．天津大學(xué)，天津 300072；2．中汽研 （天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300；3．中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

智能無(wú)人車是智能交通系統(tǒng)的重要組成部分，也是目前整個(gè)汽車行業(yè)的研發(fā)焦點(diǎn)。運(yùn)動(dòng)控制是自動(dòng)駕駛技術(shù)的3大核心問題之一，其可以進(jìn)一步劃分為縱向運(yùn)動(dòng)控制與橫向運(yùn)動(dòng)控制［1］?？v向運(yùn)動(dòng)控制是無(wú)人車運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)，其主要控制目標(biāo)是對(duì)期望車速的跟蹤，實(shí)現(xiàn)汽車加速、制動(dòng)、車速保持等功能。

縱向運(yùn)動(dòng)控制方法是縱向運(yùn)動(dòng)控制的核心，其不僅決定了無(wú)人車對(duì)期望車速的跟蹤精度，也決定了整車的舒適性，縱向穩(wěn)定性。針對(duì)智能無(wú)人車縱向運(yùn)動(dòng)控制方法的研究，近年來(lái)已取得了不少研究成果。就現(xiàn)有研究成果而言，PID控制在縱向運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。如，卡梅隆大學(xué)智能車團(tuán)隊(duì)的Boss智能車即設(shè)計(jì)了兩個(gè)PID控制器分別對(duì)加速、制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，完成對(duì)期望車速的跟蹤［2］。與Boss智能車相同，北京工業(yè)大學(xué)的BJUT-IV［3］、南京理工大學(xué)的“巡洋艦”［4］以及中國(guó)科學(xué)院的“北極星”［5］也都采用了相同的控制策略及PID控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)期望車速的跟蹤。

基于此，本文綜合考慮智能無(wú)人車驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)特點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)控制器以及兩者間的切換邏輯，實(shí)現(xiàn)對(duì)期望車速跟蹤的同時(shí)，保證驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)系統(tǒng)的平穩(wěn)過渡。最后，通過Carsim／Simulink聯(lián)合仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)的縱向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的有效性。

1 縱向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

考慮到一般情況下智能無(wú)人車采用集中式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)），其控制量為節(jié)氣門開度 （或電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)）；制動(dòng)系統(tǒng)一般采用液壓制動(dòng)，其控制量為制動(dòng)踏板力或制動(dòng)總缸壓力。為此，文中設(shè)計(jì)的縱向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)控制器、制動(dòng)控制器以及兩者間的切換邏輯3個(gè)部分組成。驅(qū)動(dòng)控制器選擇單神經(jīng)元PSD控制器，以此提高控制精度；制動(dòng)控制器選擇增量式PID控制器，并在輸出端添加一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，以此保證系統(tǒng)輸出控制量的平穩(wěn)過渡，防止出現(xiàn)較大沖擊。切換邏輯以期望車速與實(shí)際車速間的差值作為判斷依據(jù)，切換驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)控制器的工作，保證車輛正常行駛。

圖1 縱向控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 縱向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

針對(duì)智能無(wú)人車的驅(qū)動(dòng)控制問題，文中設(shè)計(jì)了一個(gè)單神經(jīng)元PSD驅(qū)動(dòng)控制器。單神經(jīng)元PSD控制方法是一種以PID控制為基礎(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)自適應(yīng)的智能控制方法。設(shè)計(jì)的單神經(jīng)元PSD驅(qū)動(dòng)控制器以期望車速Vdes與實(shí)際車速Vx間的差值ev作為控制器輸入，以節(jié)氣門開度ud作為控制器輸出，其具體控制律可以描述為：

式中：g1、g2、g3——單神經(jīng)元PSD控制器的權(quán)值；K——控制器增益系數(shù)。

單神經(jīng)元PSD控制最大的特點(diǎn)是其可以依據(jù)當(dāng)前時(shí)刻控制誤差進(jìn)行權(quán)值的自學(xué)習(xí)、自調(diào)整，以此實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制器參數(shù)的自適應(yīng)，其權(quán)值調(diào)整學(xué)習(xí)算法可以描述為：

式中：dI、dP、dD——權(quán)值的學(xué)習(xí)速率；z（k）——教師信號(hào)，且有z（k）=ev（k）。

2.2 制動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)而言，其控制量應(yīng)該盡量避免較大沖擊，由于單神經(jīng)元PSD控制器較為依賴權(quán)值的調(diào)整，因此，文中制動(dòng)控制器選用增量式PID控制器。該控制器同樣以期望車速Vdes與實(shí)際車速Vx間的差值ev作為控制器輸入，以制動(dòng)踏板力ub作為控制器輸出，其控制律描述如下：

式中：kb_p——制動(dòng)控制比例系數(shù)；kb_i——制動(dòng)控制積分系數(shù)；kb_d——制動(dòng)控制微分系數(shù)。

對(duì)于制動(dòng)控制，為保證系統(tǒng)平穩(wěn)，降低超調(diào)進(jìn)而避免頻繁啟動(dòng)，因此在系統(tǒng)中加入一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，即制動(dòng)系統(tǒng)輸出改進(jìn)為：

2.3 切換邏輯

汽車在實(shí)際行駛過程中，驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)系統(tǒng)不會(huì)同時(shí)工作，也不會(huì)頻繁切換，為此，需在驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一定的切換邏輯，保證兩個(gè)系統(tǒng)的順利工作。目前，針對(duì)切換邏輯部分，文中采用一種基于車速誤差閾值的切換邏輯，如圖2所示，其具體原理如下。

1）判斷車速誤差ev與設(shè)定的切換閾值ev_th間的大小關(guān)系。

2）若ev＜ev_th，則關(guān)閉驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，開啟制動(dòng)系統(tǒng)。

3）若ev_th≤ev≤0，則驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)關(guān)閉。

4）若ev＞0，則開啟驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，關(guān)閉制動(dòng)系統(tǒng)。

圖2 切換邏輯原理

3 仿真試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證分析設(shè)計(jì)的縱向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，文中采用Carsim／Simulink聯(lián)合仿真的形式對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。具體測(cè)試工況為：智能無(wú)人車以0km／h起步，在10s內(nèi)勻加速至20km／h（加速度約0．55m／s2），保持均速5s后，在15s內(nèi)勻加速至80km／h （加速度約1．1m／s2），保持均速5s后，在25s內(nèi)減速至停車 （減速度約0．88m／s2）。

測(cè)試結(jié)果如圖3所示。其中，圖3a為期望車速與實(shí)際車速對(duì)比曲線，圖3b為期望車速的跟蹤誤差，圖3c為節(jié)氣門開度變化曲線，圖3d為制動(dòng)踏板力變化曲線。通過圖3a和圖3b可以看出，無(wú)論是驅(qū)動(dòng)控制器還是制動(dòng)控制器，都能較好地跟蹤期望車速，并將車速誤差保持在較小范圍 （最大誤差約1．18km／h）；通過圖3c和圖3d可以看出，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與制動(dòng)系統(tǒng)并未出現(xiàn)頻繁切換的問題，只在車速處于0～6km／h范圍出現(xiàn)兩次切換，這是由于車輛的怠速特性所致。

4 結(jié)論

本文在綜合考慮了一般智能無(wú)人車驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用單神經(jīng)元PSD控制策略設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)控制器，采用增量式PID控制策略設(shè)計(jì)了制動(dòng)控制器，同時(shí)設(shè)計(jì)了兩者的切換邏輯，保證驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)系統(tǒng)的正常工作。最后，文中通過Carsim／Simulink聯(lián)合仿真對(duì)設(shè)計(jì)的縱向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的縱向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠有效跟蹤期望車速，且不會(huì)出現(xiàn)驅(qū)、制動(dòng)系統(tǒng)的頻繁切換。

圖3 縱向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果