蘭龍睿

(福州大學梅努斯國際工程學院，福建 福州 350108)

1 概述

第二次世界大戰(zhàn)結束之后，世界汽車行業(yè)飛速發(fā)展，擁有汽車的家庭越來越多，汽車逐漸成為各國人民出行的首選。隨著汽車數量的增多，交通事故也越發(fā)增多。據統(tǒng)計，全世界每年有120多萬人死于道路交通事故，數百萬人受傷或致殘，直接經濟損失達5180億美元[1]?？梢?，世界道路交通安全形勢十分嚴峻，人們對道路交通和汽車安全性的需求提高。人們希望能減輕駕駛時的疲勞感，減少交通安全事故發(fā)生，保障自身和他人的生命、財產安全。因此，各大汽車企業(yè)和研究機構都著力于開發(fā)更先進的巡航控制系統(tǒng)等駕駛輔助技術，防止駕駛員疲勞駕駛，保障汽車安全行駛。巡航控制是一種使汽車在行駛狀態(tài)下保持固定車速以提高駕駛舒適性的技術。在巡航控制期間，汽車能自動改變節(jié)氣門體的開度和檔位，使車輛保持一個相對固定的速度。由于車速固定，因此加速踏板和制動踏板的踩放次數減少，耗油量也隨之減少。隨著技術發(fā)展，新的巡航控制系統(tǒng)的設計和操作方式使得系統(tǒng)具有更高的工作效率、更強的可靠性和更廣的使用范圍。本研究旨在建立一個巡航控制系統(tǒng)，使行駛車輛在直行的高速公路上保持固定的速度，即在面對不同情況時，速度都能在波動后保持固定。

自適應巡航控制系統(tǒng)是在現有巡航控制技術的基礎上發(fā)展起來的一種智能自動控制系統(tǒng)[2]。該系統(tǒng)通過兩個傳感器來實現獲取外部信息的功能。在行駛過程中，安裝在車輛前部的距離傳感器用雷達連續(xù)掃描車輛前方道路，而輪速傳感器被用來采集實時的車速信號[3]。發(fā)動機的控制系統(tǒng)在接收到傳感器的數據后，對數據進行有效算法處理[4]，然后就可以判斷車輛進行加速或減速。本文利用Simulink中的自適應巡航控制(ACC)系統(tǒng)進行建模，解決巡航控制系統(tǒng)的仿真問題。在最開始的情況下，前車和本車的初始速度和初始位置已知，且加速度被認為是一個現實中的正弦波。模型對數據進行計算和積分，得到當前速度和當前位置，并將這兩個數據傳輸到自適應巡航控制系統(tǒng)中，得到本車的縱向加速度。根據計算得到的縱向加速度，本車將做加速或減速操作。最后利用本車的當前速度和當前位置，計算出新的相對速度和相對距離，使系統(tǒng)繼續(xù)保持運行，即保持兩車之間的安全距離。該系統(tǒng)將在Simulink中運行，然后進行評估。在Simulink的觀測器中得到速度、加速度和相對距離的數據并利用Matlab繪制圖像。通過分析圖像，本文將判斷在保持安全距離的情況下，速度是否固定在駕駛員事先設定的值，重點關注模型的有效性。

2 自適應巡航控制系統(tǒng)和Simulink仿真

2.1 自適應巡航控制系統(tǒng)

自適應巡航控制系統(tǒng)是在舊有巡航控制系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的一種新系統(tǒng)。自適應巡航控制系統(tǒng)可以根據外界條件對汽車的運動狀態(tài)進行調節(jié)，因此比常規(guī)巡航控制系統(tǒng)具有更好的性能。它有時也被稱為動態(tài)雷達巡航控制或智能巡航控制，因為它可以通過車上安裝的測量設備探測到前車與本車的距離和前車的速度。其基本思路是，汽車的加速或減速會自動取決于周圍汽車的移動速度。這種巡航模式極大地優(yōu)化了巡航控制系統(tǒng)。自適應巡航控制系統(tǒng)只對沿車道行駛的車輛進行縱向行駛控制?？刂葡到y(tǒng)通常由上層控制系統(tǒng)和下層控制系統(tǒng)組成[5]。上層控制系統(tǒng)根據兩車之間的相對距離和車載裝置獲得兩車速度差值，并輸出下一時刻的加速度。下層控制系統(tǒng)通過調整內部動力系統(tǒng)實現上層控制系統(tǒng)優(yōu)化得到的加速度。近年來，自適應巡航控制的研究呈現多樣化的趨勢，如城市常工況下啟停的自適應巡航控制、混合動力汽車的自適應巡航控制、與車道保持系統(tǒng)相結合的自適應巡航控制、彎道行駛的自適應巡航控制、考慮燃油經濟性的自適應巡航控制等。研究表明，自適應巡航控制系統(tǒng)的使用可以減少駕駛員踩放加速踏板和制動踏板的次數，從而降低油耗，而且由于它能根據駕駛員的預期來設定巡航速度，因此駕駛的舒適性也得到了大大的提高，讓駕駛員在駕駛汽車時減少疲勞感并放松心情。

自適應巡航控制系統(tǒng)有兩種工作模式:①速度控制。在該模式下，本車以駕駛員設定的速度行駛。②距離控制。在該模式下，本車與前車需要保持安全距離[6]。自適應巡航控制系統(tǒng)根據實時雷達測量選擇使用哪種模式。例如，如果前車與本車距離接近，自適應巡航控制系統(tǒng)將從速度控制轉換為距離控制。同樣，如果前車與本車距離過遠，自適應巡航控制系統(tǒng)將從距離控制轉換為速度控制。一般來說，在本車與前車保持安全距離的情況下，系統(tǒng)會保持駕駛員設定的固定速度。

2.2 Simulink仿真

本文使用Simulink軟件進行仿真，Simulink是一種基于Matlab語言環(huán)境的仿真建模軟件，具有圖形化界面且用戶界面友好，操作方便，是目前工程界常用的仿真工具。在Simulink中，數學模型可以用圖形方式進行展現，而且各種功能模塊化，因此相關數值的求解可以通過內部的一些模塊完成。在仿真建模過程中，可以直接用鼠標拖放模塊，建立信號連接。由于在Simulink中可以用模塊進行建模，所以控制系統(tǒng)和控制對象可以分別建立模型。每個子模塊的參數可以單獨修改，且這些修改不會影響其他模塊的運行，使系統(tǒng)的擴展十分方便。由于仿真對象的模塊化、標準化，在Simulink中可以采用不同控制模塊來對比不同控制方式的優(yōu)劣，從中選擇最佳的控制算法[7]。

Simulink仿真中存在一個自適應巡航控制系統(tǒng)(ACC)，該系統(tǒng)的輸入有5個變量，分別是:駕駛員設定速度、時間差、本車的速度、與前車的相對距離和與前車的相對速度。其中有一個子系統(tǒng)模塊被用來計算初始狀態(tài)和當前狀態(tài)之間的關系，并在得到結果之后對系統(tǒng)的其他數據進行更新。為了實現在直行的高速公路上車輛能保持固定的速度，本文使用Simulink內的這一模塊進行建模。

對于本車和前車，本文基于拉普拉斯變換建立了加速度和速度的動力學模型，如式(1)所示。該模型估計了節(jié)氣門體和車輛慣性的動力學變化。

(1)

在本文中，本車和前車的相對安全距離可被表示為與本車速度有關的關系式，如式(2)所示。其中，Ddefault為靜止時的間距，Tgap為前車和本車的時間差。

Dsafe=Ddefault+vego×Tgap

(2)

兩輛車的初始速度和初始位置可以人為設置?；趦绍嚨某跏妓俣群统跏嘉恢?，模型可以計算出兩車當前的速度和當前的位置。其中，當前速度的計算方法是上述動力學模型方程，該方程可以描述加速度與速度之間的關系，并考慮到節(jié)氣門體和車輛慣性。當前位置是根據初始位置和行駛方向上的位移之和計算得到的，其中位移為速度在時間上的積分。經過計算，模型再將兩車當前的位置與速度相結合，就能得出當前的相對速度和相對距離。根據這些數據，自適應巡航控制系統(tǒng)將決定車輛加速或減速，即加速或減速過程取決于兩車之間的實際距離。在本車與前車保持安全距離的情況下，系統(tǒng)會使本車保持駕駛員設定的固定速度。

3 Simulink仿真過程和結果分析

3.1 Simulink仿真過程

本文使用Simulink中的自適應巡航控制系統(tǒng)模塊進行仿真，它滿足了兩輛車在保持安全距離時保持固定速度的需求。在Simulink中創(chuàng)建兩個子系統(tǒng)，表示本車和前車的位置，速度和加速度之間的關系。為了便于分析，本文認為前車的加速度可以用一個現實中的正弦波表示。在仿真開始時人為設定前車和本車的初始速度和初始位置。開始仿真后，系統(tǒng)將對數據進行計算和積分，得到當前速度和當前位置。然后將這兩項數據上傳至自適應巡航控制系統(tǒng)，得到縱向加速度，本車據此將做加速或減速的操作。利用本車的當前速度和當前位置，模型計算出新的相對速度和相對距離，使系統(tǒng)保持運行以達到目標。在Matlab中編寫了2個文檔，其中一個文檔用來初始化變量，設置相應的數值，并在該文檔中編寫命令，調用另一個文檔中的函數來對模型進行仿真。另一個文檔用來模擬仿真和繪制速度、加速度和兩車間距的圖像，最終根據Matlab得到的圖像來評估模型。

為了直觀、清晰地顯示數據趨勢，對速度值進行了人為增大，并進行舉例分析。把駕駛員設定的速度設置為45m/s，本車的初速度是30m/s，前車的初速度是40m/s。因此，初始相對速度是10m/s。本車的初始位置為0m，前車的初始位置為50m，初始相對距離是50m，默認的安全距離設置為10m。之所以將初始距離設置為50m，是因為在這種情況下的初始距離不會影響本車的加速度。時間差為1s，采樣時間為0.1s。將數據設置在合理區(qū)間，以避免產生過大的誤差。前文給出了加速度與速度之間的關系，并考慮了節(jié)氣門體和車輛慣性的影響，然后基于Simulink建立自適應巡航控制模型(如圖1所示)。

圖1 基于自適應巡航控制系統(tǒng)建立的模型示意圖

最終的模型有3個模塊，其中2個子系統(tǒng)模塊代表了2輛車的基本信息，兩車的關系可由2個模塊之間的連線和小模塊表示，如圖1所示。另一個模塊是自適應巡航控制系統(tǒng)模塊，它是Simulink中已有的一個模塊，直接使用該模塊便于模型的建立。該模塊中的5個變量分別是“設定速度”“時間差”“縱向速度”“相對距離”和“相對速度”。其中，“設定速度”和“時間差”是人為設定的，“相對距離”和“相對速度”可以通過本車和前車的數據計算得出，“縱向速度”是本車的當前速度?；谶@5個變量，模型在自適應巡航控制系統(tǒng)模塊中進行計算，得到縱向加速度。而本車將基于縱向加速度進行加速或減速。將本車的“當前速度”值返回到自適應巡航控制系統(tǒng)模塊，作為變量“縱向速度”的值。模型將進行下一階段的計算，決定下一階段的速度。

如圖2所示，每個子系統(tǒng)模塊包含5個變量，分別是“加速度”“初始位置”“初始速度”“當前位置”和“當前速度”，由幾條線和幾個小模塊連接而成，以此表示它們之間的關系。其中“加速度”“初始位置”和“初始速度”是人為設置的。模型對這些數據進行計算和積分，得到“當前位置”和“當前速度”。最后將這2個變量的值傳輸到自適應巡航控制系統(tǒng)，繼續(xù)使兩車保持安全距離。

圖2 子系統(tǒng)模型示意圖

筆者發(fā)現，如果設定的速度小于本車和前車的速度，那么設定的速度將失去意義。因為本車在開始時就達到了設定的速度，所以車輛會一直保持固定的速度，不再變化。主要由于本車的速度保持不變，而前車保持更大的速度，兩車的相對距離會越來越大。所以，在這種情況下，相對距離小于安全距離的條件不會出現，本車的速度也不會發(fā)生改變。

3.2 結果分析

通過在Matlab中進行繪圖，獲得表示速度、加速度和相對距離的仿真數據變化圖。在前7s，如圖4和圖5所示，為了達到設定的速度，本車以最大加速度加速。從8s到28s，如圖3和圖5所示，由于兩輛車的當前相對距離大于安全距離，所以本車的速度保持不變。從29s到36s，如圖3和圖5所示，由于前車的速度在下降，且本車速度大于前車速度，兩車相對距離也在減少。所以，如圖4所示，從29s到31s，本車的加速度減小到負值，但絕對值變大，即開始減速。而在31s到36s之間，如圖3～圖5所示，由于兩車的相對速度變小，相對距離接近甚至小于安全距離。為了增加兩車之間的相對距離，本車的加速度立即達到最小。圖5顯示，從速度下降時刻到43s，在本車達到設定速度之前，本車的速度更快。如圖3和圖5所示，由于本車的速度在不斷增加，而前車的速度增加趨勢更快，兩車的相對速度也在不斷增大，所以在44s到53s之間的相對距離越來越大。在54s之后，由于兩車的相對速度減小，且本車速度大于前車速度，相對距離開始下降，為了使兩車相對距離大于安全距離，本車的速度也開始減小。

(a)實際相對距離(b)安全相對距離圖3 兩車實際距離和安全距離的比較圖

(a)本車加速度(b)前車加速度圖4 兩車加速度的比較圖

(a)本車速度與設定速度(b)前車速度圖5 兩車速度和設定速度的比較圖

通過模擬及其獲得的數據可知，當兩車保持安全距離時，即使前車速度發(fā)生變化，本車也將保持一個固定的速度。而且，該模型可以使兩車之間的相對距離在大多數情況下始終大于安全距離。因此，它是足夠安全的巡航控制系統(tǒng)，滿足本文研究的目的。

4 結論與展望

Simulink仿真結果表明，該模型符合保持勻速的目標要求，基于Simulink建模得到的自適應巡航控制方法可以描述本車與前車之間的關系。在Simulink中，該仿真模型具有良好的性能。此外，該模型可以使本車與前車保持足夠大的距離，保證兩輛車在大多數時候都是安全的。對于大多數司機來說，這極大提高了駕駛安全性和駕駛體驗，這種特性對巡航控制系統(tǒng)是有益的。

但是，基于模型建立的自適應巡航控制系統(tǒng)對實際情況的推測準確度仍有提升的空間，在更多考慮行人、行駛曲線等變量后，計算出相關方程，將使模型能符合更多的實際駕駛場景。在自適應巡航控制系統(tǒng)的研究上，有學者也考慮了其他的一些變量，結合神經網絡PID控制器模型、滾動優(yōu)化模型、模糊控制策略、有效目標辨識算法等開展研究，取得了相應的成果。只有進一步提升道路交通的智能化程度，才能在日常道路交通中運用模型，并使之充分發(fā)揮作用。由于目前道路交通并沒有高度智能化，一些模型只能在特定條件下使用，無法實現任何場景下都能使用完全有效控制的汽車駕駛智能系統(tǒng)。雖然自適應巡航控制系統(tǒng)還面臨著許多困難，但是隨著相關技術的快速發(fā)展，仍然可以想象未來相關的道路和車輛的交通安全問題能得到妥善解決，人們能夠更加安全地駕駛汽車出行。