陳 濤,郭叢帥,李旭川,范林坤
(長(zhǎng)安大學(xué) 汽車(chē)運(yùn)輸安全保障技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710064)
ACC系統(tǒng)作為先進(jìn)駕駛?cè)溯o助系統(tǒng)(advanced driver assistance system,ADAS)的重要組成部分已經(jīng)廣泛應(yīng)用于車(chē)輛。ACC系統(tǒng)可有效減輕駕駛?cè)素?fù)荷,提高車(chē)輛的主動(dòng)安全性。
近年來(lái),國(guó)內(nèi)外研究人員在ACC系統(tǒng)研究過(guò)程中從多個(gè)角度進(jìn)行了分析。其中,控制算法方面,PID[1-2]、模糊邏輯控制(fuzzy logic control,F(xiàn)LC)[3]、滑模控制(sliding mode control,SMC)[4]、MPC等[5]控制算法均被應(yīng)用于ACC系統(tǒng)。安全車(chē)距方面,朱敏等[6]引入車(chē)間反應(yīng)時(shí)距并提出考慮車(chē)間反應(yīng)時(shí)距的ACC控制策略,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,目標(biāo)車(chē)輛信息跳變時(shí)該控制策略仍能保持自車(chē)舒適運(yùn)行;許倫輝等[7]針對(duì)運(yùn)行車(chē)隊(duì),分別以固定車(chē)距和固定時(shí)距建立控制策略,且分別考慮了有領(lǐng)車(chē)、無(wú)領(lǐng)車(chē)和理想、非理想情況,提出了考慮不同安全車(chē)距的ACC策略,仿真結(jié)果表明,整個(gè)車(chē)隊(duì)在各參數(shù)滿足車(chē)隊(duì)穩(wěn)定性條件下可保持穩(wěn)定行駛;黃晶等[8]針對(duì)不同的縱向工況采取不同的間距策略,實(shí)現(xiàn)了適應(yīng)駕駛?cè)孙L(fēng)格的工況平滑切換;魏娟等[9]考慮了前車(chē)加速度對(duì)于安全距離模型的影響,將前車(chē)加速度作為MPC的輸入量之一設(shè)計(jì)了ACC系統(tǒng),結(jié)果表明,該方法可更快地響應(yīng)前車(chē)速度的變化。駕駛?cè)孙L(fēng)格方面,在大多ACC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中并沒(méi)有考慮駕駛?cè)说膫€(gè)性化需求和系統(tǒng)使用之間的平衡,駕駛?cè)送ǔV荒鼙粍?dòng)適應(yīng)系統(tǒng),所以考慮駕駛?cè)颂匦缘腁CC系統(tǒng)設(shè)計(jì)尤為重要。管欣等[10]將駕駛?cè)四P鸵氩⑻岢隽嘶隈{駛?cè)俗顑?yōu)預(yù)瞄加速度模型的ACC系統(tǒng),結(jié)果表明,將駕駛?cè)诵袨榻?yīng)用于ACC系統(tǒng)的研究是可行的;Yi等[11]通過(guò)采集實(shí)際駕駛?cè)藬?shù)據(jù),基于具有遺傳因子的遞歸最小二乘法在完全駕駛?cè)瞬僮黢{駛階段識(shí)別駕駛?cè)颂匦詤?shù),并應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)駕駛階段,設(shè)計(jì)了自適應(yīng)巡航起-停系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)可有效模擬駕駛?cè)藢?shí)際操作;Wang等[12]也用類(lèi)似算法設(shè)計(jì)了跟車(chē)輔助控制系統(tǒng)。其他方面,李亞勇等[13]提出了考慮前后方車(chē)輛行駛狀態(tài)的ACC系統(tǒng)控制方法;劉明春等[14]提出了考慮測(cè)量噪聲的車(chē)輛自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)縱向跟車(chē)控制方法。
以上文獻(xiàn)在考慮駕駛?cè)颂匦缘腁CC系統(tǒng)研究過(guò)程中,雖然在不同程度上考慮了駕駛?cè)思鞍踩?chē)距對(duì)于ACC系統(tǒng)的影響,但并未具體考慮駕駛?cè)孙L(fēng)格對(duì)于安全距離的影響,建立駕駛?cè)孙L(fēng)格辨識(shí)模型以選取匹配的安全距離模型使ACC系統(tǒng)適應(yīng)駕駛?cè)?。為此,提出了適應(yīng)駕駛?cè)说膫€(gè)性化ACC策略,將駕駛?cè)朔譃?類(lèi)建立基于固定車(chē)間時(shí)距的安全距離模型,并建立了分層ACC控制策略,最后進(jìn)行了聯(lián)合仿真驗(yàn)證。
安全距離模型設(shè)計(jì)的適宜程度直接影響到車(chē)輛運(yùn)行安全性和駕駛?cè)藢?duì)ACC系統(tǒng)的接受程度,同時(shí)也反映了不同駕駛?cè)藢?duì)安全距離的不同期望。通過(guò)對(duì)22名不同年齡及不同駕齡的駕駛?cè)朔謩e進(jìn)行9種跟隨工況的實(shí)車(chē)試驗(yàn),其中22名駕駛?cè)四挲g及駕齡分布如表1所示。通過(guò)試驗(yàn)獲取駕駛數(shù)據(jù)包括自車(chē)車(chē)速、主車(chē)車(chē)速、主車(chē)加速度、兩車(chē)相對(duì)距離、停車(chē)距離,然后計(jì)算車(chē)頭時(shí)距TH(time headway,TH)和碰撞時(shí)間倒數(shù)(time to collision inverse,TTCi)。TH可有效反映駕駛?cè)朔€(wěn)態(tài)跟車(chē)行為,TTCi可有效反映駕駛?cè)藢?duì)跟車(chē)時(shí)危險(xiǎn)情況的判斷程度,同時(shí),dstop是安全距離模型建立的重要參數(shù),也反映了不同風(fēng)格駕駛?cè)说钠谕\?chē)距離,所以選取TH、TTCi和dstop為駕駛?cè)笋{駛特性參數(shù)。通過(guò)K-means均值聚類(lèi)方法對(duì)駕駛?cè)祟?lèi)型進(jìn)行分類(lèi)。駕駛風(fēng)格分類(lèi)結(jié)果如圖1所示。
表1 實(shí)車(chē)試驗(yàn)駕駛?cè)四挲g及駕齡分布
圖1 駕駛風(fēng)格分類(lèi)結(jié)果
由聚類(lèi)得到3類(lèi)駕駛?cè)伺鲎矔r(shí)間倒數(shù)-車(chē)頭時(shí)距-停車(chē)間距三維散點(diǎn)圖,如圖2所示。根據(jù)聚類(lèi)分析結(jié)果,謹(jǐn)慎型駕駛?cè)似蛴诟哕?chē)頭時(shí)距、低碰撞時(shí)間倒數(shù)以及高停車(chē)間距;激進(jìn)型駕駛?cè)藙t偏向低車(chē)頭時(shí)距、高碰撞時(shí)間倒數(shù)、低停車(chē)間距。適中型駕駛?cè)烁鲄?shù)值介于二者之間,如表2所示。
圖2 TTCi-TH-d stop三維散點(diǎn)圖
在跟車(chē)過(guò)程中,同一風(fēng)格駕駛?cè)藘A向于保持相近的車(chē)頭時(shí)距,但不同風(fēng)格駕駛?cè)说能?chē)頭時(shí)距各不相同;在前車(chē)停車(chē)后,不同風(fēng)格駕駛?cè)说耐\?chē)距離范圍也各不相同。本文基于固定車(chē)間時(shí)距算法,提出適應(yīng)駕駛?cè)孙L(fēng)格的安全距離模型。所設(shè)計(jì)的安全距離模型只考慮前后車(chē)輛在同一車(chē)道縱向行駛工況,忽略兩車(chē)橫向偏移,具體公式為
式中:vr=vh-vf,vh為主車(chē)車(chē)速,vf為前車(chē)車(chē)速;t1、t2分別為一段連續(xù)時(shí)間的起止時(shí)刻。不同風(fēng)格駕駛?cè)说腡H、dstop值如表3所示。
表3 不同風(fēng)格駕駛?cè)说腡H、d stop值
不同類(lèi)型駕駛?cè)税踩嚯x模型及加速度范圍約束如表4所示,加速度范圍根據(jù)駕駛?cè)祟?lèi)型劃分及實(shí)車(chē)試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取。
表4 不同駕駛風(fēng)格安全距離模型及 加速度范圍約束
以車(chē)頭時(shí)距、碰撞時(shí)間倒數(shù)和車(chē)輛最大加速度為特征值,通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)駕駛?cè)孙L(fēng)格進(jìn)行離線辨識(shí),分類(lèi)標(biāo)簽分別為謹(jǐn)慎型駕駛?cè)?、適中型駕駛?cè)撕图みM(jìn)型駕駛?cè)?。在駕駛過(guò)程中通過(guò)收集自車(chē)和前車(chē)行駛參數(shù)值計(jì)算得到辨識(shí)所需特征值進(jìn)行在線辨識(shí)得到當(dāng)前駕駛?cè)笋{駛風(fēng)格類(lèi)別,獲取相應(yīng)的安全距離模型及加速度限制范圍。
本文所建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如圖3所示,隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)為10,輸入輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)均為3。模型輸入量為T(mén)H、TTCi和amax,在輸入前均進(jìn)行歸一化,以保證數(shù)據(jù)的可解釋性,提高模型的收斂速度。同時(shí),在輸出層應(yīng)用softmax激活函數(shù),得到最終的回歸分類(lèi)器。以實(shí)驗(yàn)獲取的138條數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練,剩余60條數(shù)據(jù)進(jìn)行模型測(cè)試,最終辨識(shí)準(zhǔn)確率可達(dá)92.7%。
圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖
在實(shí)際采樣過(guò)程中,需確保為有效工況,當(dāng)前方存在目標(biāo)車(chē)輛時(shí),獲取自車(chē)速度、前車(chē)速度、相對(duì)距離,計(jì)算碰撞時(shí)間倒數(shù)及車(chē)頭時(shí)距,以碰撞時(shí)間倒數(shù)、車(chē)頭時(shí)距和自車(chē)最大加速度為一組辨識(shí)數(shù)據(jù),以多次辨識(shí)中出現(xiàn)次數(shù)最多的類(lèi)型為最終辨識(shí)結(jié)果。
本文中搭建分層ACC系統(tǒng)控制器,如圖4所示,上層通過(guò)集成式建模,且在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中,通過(guò)駕駛?cè)笋{駛數(shù)據(jù)進(jìn)行駕駛?cè)孙L(fēng)格辨識(shí)選擇相匹配的安全距離模型,并綜合考慮3個(gè)性能指標(biāo)基于MPC建立上層控制器。基于PID建立下層控制器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)期望加速度和實(shí)際加速度之間的誤差。
圖4 ACC系統(tǒng)分層式控制器框圖
車(chē)間縱向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型直觀地反應(yīng)跟隨模式下主車(chē)和前車(chē)的行駛狀態(tài),如圖5所示。同時(shí),根據(jù)兩車(chē)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系,對(duì)相對(duì)速度和相對(duì)距離誤差進(jìn)行定義:
圖5 車(chē)輛縱向運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系示意圖
式中:Δv為前車(chē)和主車(chē)之間的相對(duì)速度;Δd為兩車(chē)相對(duì)距離誤差。
建立1階慣性環(huán)節(jié)表示實(shí)際加速度和期望加速度的關(guān)系:
式中:ah為自車(chē)加速度,ades為期望加速度,KL為比例增益,取KL=0.98,TL為時(shí)間常數(shù),取TL=0.53。
狀態(tài)空間方程,表示為:
式中:u(t)為系統(tǒng)控制量,選取為期望加速度,即u(t)=ades;af(t)為前車(chē)加速度擾動(dòng);x=[ΔdΔv ah]T為系統(tǒng)狀態(tài)變量;y為系統(tǒng)輸出;Ac、Bcu、Bcd、C、D分別為狀態(tài)空間方程系數(shù)矩陣。 通過(guò)離散化處理,將預(yù)測(cè)模型轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性時(shí)變模型,狀態(tài)空間方程表示如下:
式中:y(t)為被控輸出量;A、Bu、Bd、C、D分別為各增量所對(duì)應(yīng)的系數(shù)矩陣。
針對(duì)跟隨性指標(biāo),ACC的目標(biāo)是使自車(chē)和目標(biāo)車(chē)輛保持安全距離模型得到期望安全距離,且兩車(chē)相對(duì)速度趨近于0,即兩車(chē)處于相對(duì)靜止的狀態(tài):
針對(duì)舒適性指標(biāo),有研究表明,加速度和加速度變化率越小,乘坐舒適度就越高。同時(shí),加速度變化率從側(cè)面反映出燃油經(jīng)濟(jì)性,變化越小,燃油經(jīng)濟(jì)性越好。因此,應(yīng)保證加速度和加速度變化率在一定范圍內(nèi)波動(dòng),式(6)給出期望加速度、加速度增量的約束條件:
式中:umin為期望加速度上界約束;umax為期望加速度下界約束;Δumax為期望加速度增量的上界約束;Δumin為期望加速度增量的上界約束。
考慮使用控制變量增量形式,建立MPC控制算法,首先定義:
式中:Δu(k)為期望加速度控制增量,假設(shè)i≥Nc時(shí)Δu(k+i)=0;Δφ(k)為前車(chē)加速度干擾增量,考慮只能得到當(dāng)下這一時(shí)刻的前車(chē)加速度值,因此Δφ(k+i)=0,i≥1。
新的狀態(tài)空間表達(dá)式為:
其中,
則第Np步預(yù)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)量和輸出量可表示為:
其中,
一方面,為提高系統(tǒng)魯棒性,將模型預(yù)測(cè)值與期望值間偏差的二次型最小化作為系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)。另一方面,為避免速度的劇烈變化影響舒適性以及執(zhí)行過(guò)程出現(xiàn)無(wú)法獲得最優(yōu)解的情況,將目標(biāo)函數(shù)中的控制量代替為控制增量,且加入松弛因子,如式(12)所示。
目標(biāo)函數(shù)可表示為:
其中:
式中:Yref(t+1)為給定的參考輸入;ρ為權(quán)重系數(shù);ε為松弛因子;ΓVy、Γu分別為系統(tǒng)輸出量和控制增量的權(quán)重矩陣。
利用PID控制器對(duì)下層控制器的輸入即期望加速度進(jìn)行控制,實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)期望加速度和實(shí)際加速度之間的誤差,使下位控制器精準(zhǔn)追蹤期望加速度。下層控制器結(jié)構(gòu)如圖6所示。
圖6 基于PID的下層控制器結(jié)構(gòu)示意圖
下層控制器的控制對(duì)象是驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)系統(tǒng),需建立車(chē)輛逆縱向動(dòng)力學(xué)模型,將期望加速度ades轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的期望節(jié)氣門(mén)開(kāi)度ades或期望制動(dòng)壓力Pdes作為輸入傳給車(chē)輛,以實(shí)現(xiàn)加減速。車(chē)輛逆縱向動(dòng)力學(xué)模型主要包括驅(qū)/制動(dòng)力切換策略、逆發(fā)動(dòng)機(jī)模型、逆制動(dòng)器模型[15]。車(chē)輛逆縱向動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型如圖7所示。
圖7 車(chē)輛逆縱向動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型框圖
2.2.1 驅(qū)/制動(dòng)力切換策略
根據(jù)期望加速度ades和實(shí)際加速度a關(guān)系,得到如下切換邏輯:
1)當(dāng)ades>a+h時(shí),油門(mén)控制;
2)當(dāng)ades<a-h(huán)時(shí),制動(dòng)控制;
3)當(dāng)a-h(huán)<ades<a+h時(shí),維持上一周期控制。
為了防止驅(qū)/制動(dòng)控制切換過(guò)于頻繁,設(shè)置了緩沖區(qū)域,寬度h=0.1 m/s2,圖中紅色曲線為車(chē)輛以初速140 km/h進(jìn)行帶檔滑行實(shí)驗(yàn)所獲得的車(chē)輛加速度變化曲線,綠色曲線與藍(lán)色曲線分別為緩沖上下界,得到油門(mén)與制動(dòng)切換邏輯曲線,如圖8所示。
圖8 油門(mén)與制動(dòng)切換邏輯曲線
2.2.2 逆發(fā)動(dòng)機(jī)模型
若邏輯切換后為加速控制,則計(jì)算得到期望發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩,然后通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)逆向模型得到期望節(jié)氣門(mén)開(kāi)度。對(duì)車(chē)輛進(jìn)行縱向力學(xué)分析得到車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型:
式中:ades為上層控制器計(jì)算的期望加速度;m為汽車(chē)整備質(zhì)量;Ft為地面對(duì)車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)力;Fb為路面對(duì)車(chē)輛的制動(dòng)力;∑F為行駛阻力,即:
式中:Ff、Fw、Fi分別為滾動(dòng)、空氣及坡度阻力;g為重力加速度;f為滾動(dòng)阻力系數(shù);CD為空氣阻力系數(shù);A為迎風(fēng)面積;v為汽車(chē)和空氣的相對(duì)速度;β為坡度。
驅(qū)動(dòng)力可以表示為:
式中:ηT為傳動(dòng)系機(jī)械效率;Ttq為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩;wt為液力變矩器渦輪轉(zhuǎn)速;we為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為液力變矩器特性函數(shù);ig為變速器傳動(dòng)比;io為主傳動(dòng)比;r為車(chē)輪滾動(dòng)半徑。
由式(10)~(15)可得:
根據(jù)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度特性脈譜圖,反查表可得期望節(jié)氣門(mén)開(kāi)度:
2.2.3 逆制動(dòng)器模型
若邏輯切換為制動(dòng)控制,則先計(jì)算得到期望制動(dòng)力矩,然后通過(guò)逆制動(dòng)器模型得到期望制動(dòng)壓力。由于制動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為零,即Ft=0,則:
在不超過(guò)路面最大制動(dòng)力的情況下,制動(dòng)力和制動(dòng)壓力可以近似表示:
式中:Tbf為前軸制動(dòng)力矩;Tbr為后軸制動(dòng)力矩;Kb為制動(dòng)力與制動(dòng)壓力的比值。
由式(21)(22)可得期望制動(dòng)壓力:
由于本文所提出的是適應(yīng)駕駛?cè)说膫€(gè)性化ACC策略,經(jīng)過(guò)對(duì)駕駛?cè)说姆治?,駕駛?cè)藢?duì)于車(chē)輛加減速最為敏感,所以本文為驗(yàn)證提出的個(gè)性化自適應(yīng)系統(tǒng)的性能,設(shè)計(jì)了綜合仿真工況,包含跟車(chē)-巡航、跟車(chē)減速及跟車(chē)加速多個(gè)工況。工況初始條件為:仿真時(shí)間50 s;兩車(chē)質(zhì)心相對(duì)距離為100 m,前車(chē)初速度為20 m/s,先勻速再加速至25 m/s然后減速最后以22.5m/s勻速行駛,自車(chē)初始速度為20 m/s。仿真結(jié)果如圖9~11所示。
圖9 綜合工況下加速度曲線
從車(chē)輛運(yùn)行角度分析,由圖9~11可知,在0~15 s由于兩車(chē)初始相對(duì)距離遠(yuǎn)大于期望安全距離,且自第5 s開(kāi)始前車(chē)開(kāi)始加速運(yùn)動(dòng),為減小兩車(chē)之間相對(duì)距離,自車(chē)進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致自車(chē)速度在一定程度上大于前車(chē)速度(如圖10所示),兩車(chē)相對(duì)距離逐漸減?。ㄈ鐖D11所示);在15~25 s前車(chē)開(kāi)始減速,由于兩車(chē)實(shí)際相對(duì)距離與期望安全距離相近,自車(chē)開(kāi)始減速且跟隨前車(chē)速度變化而變化,在第30 s左右兩車(chē)基本達(dá)到相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。結(jié)果表明,本文提出的算法可以達(dá)到良好的跟隨性及安全性。
圖10 綜合工況下車(chē)速曲線
圖11 綜合工況下相對(duì)距離曲線
從不同風(fēng)格駕駛?cè)私嵌冗M(jìn)行分析,由于激進(jìn)型駕駛?cè)司哂懈蟮募铀俣确秶图铀俣仍隽孔兓秶?,仿真結(jié)果表明,激進(jìn)型駕駛?cè)司哂休^大的期望加速度及實(shí)際加速度,適中型、謹(jǐn)慎型依次減?。ㄈ鐖D9所示),激進(jìn)型駕駛?cè)俗畲笃谕铀俣葹?.2 m/s2,最大實(shí)際加速度為1.6 m/s2,適中型駕駛?cè)俗畲笃谕铀俣葹?.2 m/s2,最大實(shí)際加速度為1.4 m/s2,謹(jǐn)慎型駕駛?cè)俗畲笃谕铀俣葹?.7 m/s2,最大實(shí)際加速度為1.2 m/s2;由于激進(jìn)型駕駛?cè)似谕^小的車(chē)頭時(shí)距及停車(chē)間距,導(dǎo)致所期望的安全距離較小,適中型與謹(jǐn)慎型所期望的安全距離依次增大。如圖11所示,達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后,激進(jìn)型駕駛?cè)税踩嚯x為33.5 m,適中型駕駛?cè)税踩嚯x為49.9 m,謹(jǐn)慎型駕駛?cè)税踩嚯x為60.5 m。仿真結(jié)果表明:本文提出的算法可以適應(yīng)不同駕駛?cè)说鸟{駛風(fēng)格,根據(jù)不同駕駛風(fēng)格呈現(xiàn)出不同的速度、加速度及相對(duì)距離的變化。
本文中所提出控制策略相對(duì)于傳統(tǒng)自適應(yīng)巡航控制策略充分考慮了駕駛?cè)颂匦郧腋哚槍?duì)性。建立的駕駛?cè)孙L(fēng)格辨識(shí)模型準(zhǔn)確率為92.7%;將所建立的駕駛?cè)孙L(fēng)格辨識(shí)模型引入到上層控制器以選取匹配駕駛?cè)孙L(fēng)格的安全距離模型,在保證行駛安全性的基礎(chǔ)上更能夠適應(yīng)駕駛?cè)孙L(fēng)格,滿足個(gè)性化需求。仿真結(jié)果表明,在設(shè)計(jì)的綜合實(shí)驗(yàn)工況下本文提出的適應(yīng)駕駛?cè)说膫€(gè)性化ACC策略,可保證車(chē)輛良好的跟隨性能,適應(yīng)不同駕駛?cè)孙L(fēng)格,根據(jù)駕駛?cè)孙L(fēng)格變化調(diào)節(jié)加速度、速度以及相對(duì)距離,迎合不同駕駛?cè)说膫€(gè)性化需求。從ACC系統(tǒng)的本質(zhì)出發(fā),適應(yīng)駕駛?cè)孙L(fēng)格的個(gè)性化ACC系統(tǒng)更具人性化。