劉明成，申榮衛(wèi)

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222）

1 避撞系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

在聯(lián)合仿真中車輛避撞系統(tǒng)由三部分組成，分別為環(huán)境感知、中央決策、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其具體的組成如圖1所示。

及時(shí)獲取本車和前車的運(yùn)動(dòng)信息是實(shí)現(xiàn)車輛避撞的首要條件，運(yùn)動(dòng)信息包括：本車的加速度、本車車速、本車發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、兩車的相對(duì)車速、相對(duì)距離等信息，其中本車的信息主要是依靠各種車載傳感器獲取，車輛間的參數(shù)主要是依靠車載雷達(dá)來獲取，目前比較先進(jìn)的車載雷達(dá)是毫米波雷達(dá)。

本車車載傳感器會(huì)實(shí)時(shí)獲取運(yùn)動(dòng)信息，防撞系統(tǒng)會(huì)根據(jù)這些運(yùn)動(dòng)信息及時(shí)計(jì)算出本車?yán)碚摪踩嚯x的最小值，并且與實(shí)際的車距來進(jìn)行對(duì)比，避撞系統(tǒng)根據(jù)對(duì)比結(jié)果來判斷當(dāng)前的安全狀態(tài)，并將相應(yīng)的控制指令發(fā)送到執(zhí)行器。

控制指令需要在執(zhí)行器中實(shí)現(xiàn)，避撞系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度或制動(dòng)壓力來實(shí)現(xiàn)車輛的變速運(yùn)動(dòng)。

圖1 避撞系統(tǒng)組成

2 車輛模型的建立

2.1 Carsim車輛動(dòng)力學(xué)模型建立

Carsim軟件可以較精確地搭建車輛動(dòng)力學(xué)模型，在整車仿真中只需要輸入關(guān)鍵的參數(shù)，便可以實(shí)現(xiàn)車輛建模并且對(duì)模型進(jìn)行分析，Carsim建模將整車分為轉(zhuǎn)向系、制動(dòng)系、傳動(dòng)系、懸架、車身、車輪、空氣動(dòng)力學(xué)七部分。

所選車型為兩廂式小轎車，前輪驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率為125kW，ABS功能，傳動(dòng)系為六速變速器，關(guān)于其他車輛設(shè)置采用軟件的默認(rèn)設(shè)置。

2.2 車輛逆動(dòng)力學(xué)模型的建立

車輛在實(shí)際行駛過程中，對(duì)油門和制動(dòng)踏板的控制是分開的，若需要加速行駛，踩下油門，節(jié)氣門開度變大，實(shí)現(xiàn)車輛加速；若需要減速，松開制動(dòng)踏板，在空氣和滾動(dòng)等阻力作用下汽車會(huì)減速。當(dāng)這些阻力達(dá)不到所需要的減速度時(shí)，此時(shí)需要制動(dòng)踏板來提供足夠的制動(dòng)力。因考慮到車輛的舒適性以及在加速和減速間的平穩(wěn)切換，需要設(shè)置節(jié)氣門和制動(dòng)踏板的切換邏輯。

如圖2所示即為在不同車速下松開油門和制動(dòng)踏板減速度的最大值，在切換區(qū)域設(shè)置寬度為△h=0.02g過渡區(qū)域[1]。

圖2 切換邏輯

（1）當(dāng)ades＞ a+△ h，為節(jié)氣門控制，制動(dòng)器無操作。（2）當(dāng) ades＜a-△h，為制動(dòng)器控制，節(jié)氣門無動(dòng)作。（3）a-△h＜ades＜a+△ h時(shí)，維持當(dāng)前狀態(tài)，不進(jìn)行切換。

2.2.1 節(jié)氣門控制

若汽車需要加速行駛，則需要將期望加速度 ades的大小轉(zhuǎn)化為期望發(fā)動(dòng)機(jī)力矩Tdes。

汽車運(yùn)動(dòng)方程如下：

在式（1）中：Ft表示車輛受到的驅(qū)動(dòng)力，∑F（v）表示車輛受到的阻力之和。即：

在式（2）中：ρ為空氣阻力，f為汽車滾動(dòng)阻力系數(shù)，CD為空氣阻力系數(shù)。A為迎風(fēng)面積，

驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式如下：

其中：η為機(jī)械效率；Te為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩；為液力變矩器扭矩特性函數(shù)；Rg為變速器擋位速比，Rm為主減速速比，Kd為實(shí)時(shí)計(jì)算的量。

求出期望的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩Tdes和期望減速度ades，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)map圖，即可得期望節(jié)氣門開度αdes[2]：。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩圖

2.2.2 制動(dòng)控制

車輛在水平路面上行駛受到的阻力為：

聯(lián)立（7）（8）得：

在Carsim中進(jìn)行車輛仿真，得到系數(shù)Kb=1612。

3 控制器設(shè)計(jì)

控制器作為決策單元是發(fā)揮系統(tǒng)安全性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。從駕駛員舒適性、安全性等方面來考慮，控制系統(tǒng)采用分層控制方案。

3.1 上層控制器設(shè)計(jì)

上層控制器一般都是采用經(jīng)典的PID控制，該控制算法簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，在PID控制中，最主要的是確定kP、kI、kD，經(jīng)過多次的設(shè)定，確定PID的三個(gè)參數(shù)數(shù)值依次為：kP=5、kI=10、kD=0.02。

3.2 下層控制器設(shè)計(jì)

基于模糊控制的上層控制器如圖4所示。

圖4 基于模糊控制的上層控制器

模糊控制是根據(jù)人的經(jīng)驗(yàn)來構(gòu)建，駕駛員一般是根據(jù)前后車距與當(dāng)前車速來估算當(dāng)前車輛安全狀態(tài)。因此將實(shí)際距離與安全距離的差作為輸入量[3]。

式中，dr表示實(shí)際車間距離，dh表示期望車間距離，v前表示前車車速，v后表示后車車速。

將輸入和輸出作為七種不同的模糊語言來表示。分別是：正大（PB）、正中（PM）、正?。≒S）、零（ZO）、負(fù)?。∟S）、負(fù)中（NM）、負(fù)大（NB）。

3.2.1 輸入和輸出的模糊化

設(shè)置的相對(duì)速度的論域?yàn)閇-60，60]km/h，實(shí)際車距與安全車距的差值論域?yàn)閇-25，25]m，自車的加速度論域?yàn)閇-5，0]m/s2。

3.2.2 隸屬度函數(shù)的確定

查閱相關(guān)的資料得知，輸入信號(hào)隸屬度函數(shù)為高斯函數(shù)[4]。

圖5 車距差隸屬度函數(shù)

圖6 速度差隸屬度函數(shù)

3.2.3 模糊規(guī)則的建立

（1）dv較小，而Ds較大時(shí)，此時(shí)車輛處于安全狀態(tài)，維持當(dāng)前車速即可。

（2）dv很小，而Ds很小，此時(shí)車輛處于危險(xiǎn)狀態(tài)，應(yīng)該采取較大制動(dòng)力，避免事故的發(fā)生。

（3）dv和Ds都較大或者較小時(shí)，可以進(jìn)行輕微制動(dòng)，提前遠(yuǎn)離危險(xiǎn)工況。

根據(jù)以上三條來制定以下 49條模糊控制規(guī)則，如圖 8所示。

模糊關(guān)系可以很好地體現(xiàn)出輸入與輸出的復(fù)雜的非線性關(guān)系，這種關(guān)系實(shí)際符合人的邏輯推理，容易被接受。

圖8 模糊控制規(guī)則

4 聯(lián)合仿真

車輛在制動(dòng)時(shí)，其舒適性的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為汽車沖擊度j來衡量，即減速度的變化率da/dt；

式中，a為車輛的縱向減速度；v為車速。

德國(guó)相關(guān)研究得知[5]：當(dāng)減速度大于10m/s2時(shí)，舒適性很差，因此汽車在制動(dòng)時(shí)候，在保證安全的前提下，減速度需要盡可能地小，在仿真中若減速度大于10m/s2時(shí)，就要對(duì)控制策略進(jìn)行優(yōu)化，為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的參數(shù)是否符合要求，以前車緊急制動(dòng)來進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，如圖9所示，即為仿真搭建的模型結(jié)構(gòu)。

圖9 聯(lián)合仿真回路

4.1 接近緊急制動(dòng)目標(biāo)的仿真

設(shè)置自車與前車車速均為50km/h，其中自車在原點(diǎn)處，前車位于本車前40m處，前車在某一刻突然緊急制動(dòng)，進(jìn)行仿真的圖像如圖10-13所示。

圖10 前后車速變化

圖11 前后車位移變化

圖12 本車加速度變化

圖13 前后車距變化

由圖10可知，在第3s時(shí)前車開始緊急制動(dòng)，在6s時(shí)前車制動(dòng)停止，由圖11可知，前3s兩車車距保持恒定，在5.5s時(shí)，本車檢測(cè)到危險(xiǎn)開始制動(dòng)，由圖13可知，前后兩車最后車距維持在5m。

由圖12的本車加速度曲線可知，實(shí)際減速度和期望加速度誤差較小，且減速度穩(wěn)定性好。

5 結(jié)論

根據(jù)接近緊急制動(dòng)目標(biāo)的仿真，基于模糊控制的PID控制器能夠?qū)崿F(xiàn)基本的避撞功能。

基于PID控制的控制器在實(shí)現(xiàn)避撞的同時(shí)系統(tǒng)還具有很好的魯棒性以及良好的舒適性，使得避撞系統(tǒng)更容易被駕駛員所接受。