鐘豪 賈瑞雪

（重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院）

在智能車自動駕駛領(lǐng)域，自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（adaptive cruise control，簡稱ACC）現(xiàn)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代汽車，既可以實(shí)現(xiàn)定速巡航，跟蹤前車，還能通過車載傳感器獲取前方車輛與道路信息，調(diào)整主車行駛狀態(tài)，保持以安全的車間距行駛[1]。其中，跟車巡航功能對于緩解駕駛員的駕駛壓力、減少交通事故的發(fā)生起到重要作用。由于前車加速度處于一直變化中，舒適性難以保證，因此多數(shù)消費(fèi)者考慮安裝ACC 系統(tǒng)[2]。文章在保證行車安全的基礎(chǔ)上，滿足駕乘人員的舒適性要求，以期實(shí)現(xiàn)更為良好的跟蹤效果。

1 車間運(yùn)動學(xué)模型建立

車輛巡航跟車時，安全性和舒適性一般不可兼得。注重安全性顯然會有急劇減速的情況，從而降低舒適性，而過多考慮舒適性會使得汽車在危險工況時難以保證安全性，進(jìn)而引起交通事故[3]。需在保證安全性的基礎(chǔ)上，增加考慮舒適性指標(biāo)，才能實(shí)現(xiàn)安全跟車。跟車系統(tǒng)控制簡圖，如圖1 所示。

圖1 跟車系統(tǒng)控制目標(biāo)簡圖

跟車控制由感知層和執(zhí)行層組成：感知層將傳感器接收的前車速度與車間距離的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析計算，得出期望加速度，傳遞給執(zhí)行層；執(zhí)行層分析計算兩車速度差值，將誤差輸入車輛逆縱向動力學(xué)模型，輸出油門開度與制動壓力，調(diào)節(jié)本車加速度。分析跟車模型的車間關(guān)系，建立跟車系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程數(shù)學(xué)模型。圖2 示出跟車系統(tǒng)中自車和前車的縱向運(yùn)動關(guān)系。

圖2 跟車系統(tǒng)中兩車縱向運(yùn)動學(xué)關(guān)系圖

根據(jù)圖2 可以定義：

式中：Δd——實(shí)際兩車距離與期望車間距差值，m；

Δv——自車與前車速度差值，m/s；

drel——實(shí)際車間距，m；

ddes——期望車間距，m；

vp——前車速度，m/s；

vf——自車速度，m/s。

2.2.4 大鼠肝微粒體孵育及樣品處理 取“2.2.1”“2.2.2”“2.2.3”項(xiàng)下經(jīng)啟動的孵育體系各適量，置于37 ℃水浴中，分別于孵育0、5、10、15、20、30、45 min時加入含內(nèi)標(biāo)100 μg/L的乙腈溶液400 μL終止反應(yīng)，渦旋混勻30 s后，于4℃下以16 000×g離心10 min；取上清液以氮?dú)饬鞔蹈?，殘渣用甲醇?fù)溶，以16 000×g離心10 min；取上清液適量進(jìn)行UPLC-MS/MS分析，考察各時間點(diǎn)孵育體系中ZG02的質(zhì)量濃度。各孵育體系均平行操作3次。

期望車間距表達(dá)式，如式（2）所示。

式中：dsafe——兩車最小安全距離，m；

th——車間時距，s。

2 跟車模型控制目標(biāo)分析

2.1 車輛安全跟蹤條件

ACC 系統(tǒng)本身可以為駕乘人員提供舒適性，但行車安全還是該系統(tǒng)最基礎(chǔ)的控制目的，為使ACC 系統(tǒng)的安全性在整個行駛過程中得到體現(xiàn)，需對實(shí)際車間距采取約束控制，即：drel≥dsafe。

最小安全間距（dsafe）由兩車距離與車身長度構(gòu)成。在跟蹤模式下，實(shí)際車間距（drel）應(yīng)等于間距策略計算出的期望跟車間距（ddes），則控制效果良好。即使得自車速度（vf）逼近前車速度（vp），兩車速度差值（Δv）趨于 0，即：Δd→0，Δv→0。

2.2 駕駛員舒適性條件約束

行車舒適性的滿足應(yīng)遵循2 個基本原則：一是實(shí)際車距趨近期望車距；二是車輛縱向加速度不能過大或過小，加速度變化率應(yīng)保持在行車舒適范圍之內(nèi)。前者由運(yùn)動學(xué)模型控制兩車間距體現(xiàn)，后者利用約束加速度來反映，定義加速度范圍為：

式中：af,max，af,min——自車加速度上下界，m/s2；

3 模型預(yù)測控制（MPC）策略設(shè)計

模型預(yù)測控制是目前運(yùn)用較多的一種反饋控制策略。其原理是采集當(dāng)前時刻的測量信息，根據(jù)對象前一時段的信息預(yù)測未來信息，不斷地重復(fù)并在線求解一個最優(yōu)化問題來選擇控制行為。分析出控制序列的第1個變量，運(yùn)用到被控對象，然后采樣下一時刻信息，用新的測量值刷新優(yōu)化問題，并重新求解[4-5]。智能車輛配備距離傳感器，如雷達(dá)、激光等，用于測量自車與前車的相對距離，還可以測量前車的相對速度。ACC系統(tǒng)在2 種模式下運(yùn)行。1）自車車速控制：自車保持以駕駛員設(shè)定的速度行駛；2）兩車間距控制：自車保持與前車的安全距離，應(yīng)根據(jù)實(shí)時雷達(dá)測量來決定使用何種模式。例如：如果前車離得太近，ACC 系統(tǒng)就會從速度控制切換到間距控制。同樣，如果相對速度過大，ACC 系統(tǒng)就會從間距控制切換到速度控制，即ACC 系統(tǒng)使自車保持以設(shè)定速度行駛，且保持安全的行車間距。

為了接近真實(shí)的駕駛環(huán)境，在仿真過程中，前車的加速度隨正弦波的變化而變化。自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)塊輸出一個針對自車的加速度控制信號，采樣時間（Ts）為0.1 s，仿真持續(xù)時間為60 s，自車與前車加速度傳遞函數(shù)關(guān)系為：

前車初始位置設(shè)置為x0,lead=48 m，初始速度設(shè)置為v0,lead=22 m/s，自車初始位置設(shè)置為x0,ego=8 m，初始速度為v0,ego=16 m/s，運(yùn)用Simulink 模塊建立跟車模型，如圖3 所示。圖4 示出跟車模型控制流程框圖。

圖3 跟車模型Simulink 模塊圖

圖4 跟車模型控制流程框圖

4 仿真分析

為提高跟車過程的可靠性，對控制系統(tǒng)輸出變量引入綜合白噪聲干擾，輸入為前車的速度和位置信息，輸出為自車加速度以及加速度變化率，設(shè)置仿真時長為60 s，仿真得到自車與前車行駛狀態(tài)關(guān)系圖，包括兩車加速度、兩車速度以及兩車間距3 個對比圖形，如圖5～圖7 所示。

圖5 自車與前車加速度對比

圖6 自車與前車車速對比

圖7 實(shí)際距離與安全距離對比

分析圖5 可知，在前4 s，自車加速度減小，貼近前車加速度，4 s 后，兩車均有加減速，自車加減速度始終貼近前車，且控制在[-2，2]m/s2，滿足舒適性要求；分析圖6 可知，在前4 s，自車速度增加趨近前車，在4 s 后，兩車速度基本保持一致，相對速度較小，且兩車速度均不超過設(shè)置速度；分析圖7 可知，在20 s 之前，兩車間距較大，遠(yuǎn)大于安全距離，自車加速會減小兩車間距，在20 s 后，自車追上前車，兩車間距縮小，但始終大于安全間距，保證了跟車過程的安全性。在整個仿真過程中，控制器能夠使得兩車之間的實(shí)際距離大于設(shè)定的安全距離，且當(dāng)實(shí)際距離遠(yuǎn)大于安全間距時，汽車即按駕駛員設(shè)定的速度行駛。

5 結(jié)論

考慮前車加速度擾動下的跟車穩(wěn)定性，在研究模型預(yù)測控制的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)輸出控制變量加入綜合白噪聲干擾，不僅能全面觀察到跟車系統(tǒng)動態(tài)的變化規(guī)律，而且能夠提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。

從兩車最小安全距離和自車加速度的影響方面分別考慮汽車安全性和舒適性，仿真表明，兩車距離始終大于最小安全距離，且加速度波動在設(shè)置的舒適范圍內(nèi)。此模型可以實(shí)現(xiàn)良好的車輛跟蹤，并且滿足駕駛員期望的跟車特性的要求。