馮 莉，楊薪敬，曾 輝

（重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074）

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，汽車從機(jī)械產(chǎn)品向電子化、智能化轉(zhuǎn)變。各種電子技術(shù)的應(yīng)用，也使得汽車智能化程度逐步提高，為汽車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（Adaptive Cruise Control,ACC）設(shè)計(jì)提供完整的技術(shù)支持。ACC 可根據(jù)各種影響因素調(diào)整車速，無(wú)需駕駛員手動(dòng)干預(yù)。其主要功用為通過(guò)控制策略動(dòng)態(tài)調(diào)整車輛的加速或減速，實(shí)現(xiàn)車輛縱向的定速巡航和安全跟車功能。在高級(jí)汽車輔助駕駛系統(tǒng)中，自適應(yīng)巡航系統(tǒng)對(duì)于減少駕駛員疲勞行車強(qiáng)度、提高行駛安全性、改善道路通行能力具有重要的作用。因此得到了研究學(xué)者和汽車公司的廣泛關(guān)注。

近年來(lái)，研究人員對(duì)于ACC 系統(tǒng)開(kāi)展了一系列研究。Chen J 等人[1]針對(duì)自適應(yīng)巡航控制（ACC）和協(xié)同巡航控制（CACC）系統(tǒng)，提出了一種改進(jìn)的可變車頭時(shí)距策略。控制算法主要有PID 控制[2]、最優(yōu)控制（Optimal Control Theory,OCT）[3]、模糊控制（Fuzzy Control,FC）[4]和模型 預(yù)測(cè)控 制（Model Predictive Control,MPC）[5-8]等。

對(duì)于安全間距策略前人開(kāi)展了詳細(xì)的研究，但是大部分最小間距都設(shè)置成固定值，未區(qū)別不同的行駛條件；對(duì)于控制算法的研究多種多樣，但多數(shù)控制器的運(yùn)算速度要求非常高。因此，選擇對(duì)車頭時(shí)距模型進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)提出一種車距-速度串聯(lián)式控制策略，通過(guò)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)不同模式切換，最后在定速巡航以及復(fù)雜的跟隨工況下進(jìn)行仿真測(cè)試。

1 ACC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ACC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要分為三個(gè)部分：CarSim 整車模型、ACC 上層控制策略、ACC 下層控制策略。利用CarSim 搭建模擬駕駛環(huán)境，包括行駛車輛、道路信息和傳感器等，同時(shí)輸出兩車相對(duì)速度、相對(duì)距離、加速度等行車信息。上層控制器在接收行車信息后，通過(guò)車頭時(shí)距模型計(jì)算期望跟車間距，結(jié)合其他行車信息確定行車模式，最后利用控制算法求解期望加速度。下層控制器通過(guò)上層信息計(jì)算期望節(jié)氣門開(kāi)度/期望制動(dòng)壓力，并輸入到CarSim 中控制汽車運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖1 ACC結(jié)構(gòu)框架圖

2 ACC控制策略

在ACC 上層控制器中，根據(jù)行駛工況分為定速巡航和跟隨巡航，主要目的在于求解不同模式下的期望加速度。首先，需要建立車頭時(shí)距模型，其次，需要設(shè)計(jì)定速巡航/前車跟隨模式之間的切換策略，最后，通過(guò)控制算法計(jì)算期望縱向加速度。下層控制器需要建立反饋控制器與油門/剎車標(biāo)定表求取期望節(jié)氣門開(kāi)度與期望制動(dòng)壓力。

2.1 變車頭時(shí)距模型

汽車在行駛中面臨復(fù)雜的行駛工況。設(shè)計(jì)合理的間距策略直接影響行車安全和道路的利用率。汽車在道路上行駛時(shí)，車速大車距小，容易發(fā)生追尾；而兩車之間保持過(guò)大的行車距離，不僅會(huì)導(dǎo)致道路有效利用率低，而且還會(huì)引起周圍車輛從相鄰車道插入，從而導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。

目前，對(duì)安全距離模型的研究主要為固定車頭時(shí)距（Constant Time Headway，CTH）和可變車頭時(shí)距（Variable Time Headway，VTH）。CTH策略即本車速度與時(shí)間常數(shù)的乘積加最小安全車距[9-10]，結(jié)構(gòu)如下：

其中，vh為本車速度，th 為車頭時(shí)距數(shù)值，dmin為最小安全距離。

雖然CTH 策略較為成熟，但僅能反應(yīng)本車速度的影響，未考慮其他影響因素，道路利用率低，適應(yīng)性差。在此基礎(chǔ)上，研究人員開(kāi)發(fā)出可變車頭時(shí)距，兩者的區(qū)別為車頭時(shí)距th 的數(shù)值是否為定值。

常用的可變車頭時(shí)距模型，主要有兩種結(jié)構(gòu)。第一種，如文獻(xiàn)[11-12]強(qiáng)調(diào)相對(duì)速度和前車加速度的影響，第二種，如文獻(xiàn)[13-15]側(cè)重本車速度和相對(duì)速度的影響。結(jié)構(gòu)分別如下：

其中，t0、cv、ca、th1、th2、th3皆為常數(shù)且數(shù)值大于0，vr為兩車相對(duì)速度，ap為前車加速度。但精準(zhǔn)獲取前車加速度的方法需要進(jìn)一步研究。因此，選用第二種可變車頭時(shí)距模型，若th 過(guò)大道路利用率低，過(guò)小則易撞車，為考慮th 的合理性，選擇建立飽和函數(shù)進(jìn)行限制，保證修正后的車頭時(shí)距在合理的范圍之內(nèi)，防止極端工況下車頭時(shí)距太大或太小。結(jié)構(gòu)如下：

其中，sat(·)為飽和函數(shù)，th1、th2、th3為常數(shù)，該文分別取值1、0.04、0.09。thmax、thmin分別為車頭時(shí)距極大值和極小值，一般取3 和1.5[15]。

同時(shí)，在大部分的車頭時(shí)距模型中，無(wú)論是CTH還是VTH 都將最小車間距離dmin設(shè)置成固定值，取值范圍通常為2～5 m[10]。為考慮汽車行駛安全性，綜合考慮本車速度和路面附著系數(shù)的影響，設(shè)計(jì)改進(jìn)型變車頭車間時(shí)距（Improved Variable Time Headway,IVTH）表示為如下：

其中，Kh為自車速度系數(shù)，b為常系數(shù)，分別取22.5 和0.3。由式（1）和式（4）可知，dmin與本車速度成正比，與路面附著系數(shù)成反比，路面附著系數(shù)越低，最小車間距離越大，符合實(shí)際駕駛條件。

2.2 模式切換策略研究

上層控制器包含巡航模式和跟車模式，兩者輸入誤差量不同，求取的期望加速度也有差異，因此如何設(shè)置模式切換策略非常重要。系統(tǒng)模式切換策略如下：

1）車輛啟動(dòng)，傳感器識(shí)別前方信息，該文設(shè)定的傳感器探測(cè)范圍為200 m。若前方無(wú)車或兩車間距ddes大于200 m，車牌識(shí)別號(hào)ID 輸出值為-1，ACC 系統(tǒng)進(jìn)入定速巡航模式，汽車期望車速為巡航車速。

2）若前方有車，兩車間距ddes小于200 m，車牌識(shí)別號(hào)ID 輸出值為1，系統(tǒng)進(jìn)入下一步判別。期望車頭時(shí)距dact小于兩車實(shí)際間距ddes，系統(tǒng)保持定速巡航模式；期望車頭時(shí)距大于兩車實(shí)際間距ddes且前車車速小于本車巡航車速，系統(tǒng)進(jìn)入跟隨模式，否則保持巡航模式。

3）當(dāng)前車駛離，若有新車出現(xiàn)，則系統(tǒng)重新規(guī)劃。如果前方無(wú)新車出現(xiàn)，則進(jìn)入巡航模式。

2.3 ACC控制算法設(shè)計(jì)

2.3.1 PID控制器原理

PID 控制是日常工業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用最為廣泛的控制方式，其主要根據(jù)系統(tǒng)的期望輸入和實(shí)際輸入的誤差來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制輸入，因此不需要建立復(fù)雜的被控對(duì)象模型[16]。

PID 控制由比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)構(gòu)成。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示：

系統(tǒng)控制變量u(t)是由期望值r(t)與實(shí)際反饋值c(t)的差值e(t)經(jīng)過(guò)比例、積分和微分調(diào)節(jié)而構(gòu)成的。因?yàn)橛?jì)算機(jī)是離散系統(tǒng)，為符合運(yùn)算需要，對(duì)連續(xù)PID 算法進(jìn)行離散化處理。以矩陣法數(shù)值積分近似代替積分，以一階后向差分近似代替微分，如下：

2.3.2 巡航模式

當(dāng)前方無(wú)車，或者前車行駛速度高于本車巡航速度時(shí)，本車以巡航車速行駛，其任務(wù)為將車速保持在期望值。PID 控制器輸出為期望加速度，輸入為車速之差，如下：

2.3.3 跟隨模式

當(dāng)汽車進(jìn)入跟隨模式，系統(tǒng)控制目標(biāo)為控制行車間距dact(t)盡可能接近期望行車間距ddes(t)以及兩車相對(duì)速度vr(t)差趨于0。關(guān)系表達(dá)式如下：

因此，該文跟隨模式如圖2 所示，綜合考慮間距偏差和速度偏差的影響，設(shè)計(jì)距離-速度串聯(lián)式PID控制器，求取本車期望加速度。該控制器由兩個(gè)PID 串聯(lián)組成，距離控制器以行車間距偏差Δd(t)作為控制器輸入量，輸出量作速度控制器輸入補(bǔ)償量Δe(t)；速度控制器以兩車相對(duì)速度vr(t)和速度補(bǔ)償量Δe(t)之和作為輸入，如下：

圖2 跟隨模式控制流程

控制器輸出為期望加速度ades，為保持良好的舒適性，對(duì)加速度進(jìn)行限制[17]，取值范圍為[-5，3]。

2.3.4 下層反饋控制

為滿足系統(tǒng)快速響應(yīng)的要求，該文設(shè)置反饋PID 控制器求取加速度補(bǔ)償量，將期望加速度ades與當(dāng)前實(shí)際加速度aact之差作為控制器輸入，求取加速度補(bǔ)償量。

通過(guò)對(duì)期望加速度補(bǔ)償?shù)玫絘(t)，進(jìn)而標(biāo)定表根據(jù)加速度和實(shí)際車速，查表得出節(jié)氣門開(kāi)度或制動(dòng)壓力，輸入CarSim，從而控制汽車運(yùn)動(dòng)，如下：

3 ACC系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

該設(shè)計(jì)選用C-Class，Hatchback 型汽車作為仿真車輛。設(shè)置仿真環(huán)境，其中路面附著系數(shù)為0.8，攝像頭探測(cè)距離為200 m。

1）定速巡航工況

設(shè)置工況：本車初始速度為60 km/h，巡航車速設(shè)置為120 km/h，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 定速巡航工況仿真結(jié)果

由于前方?jīng)]有車輛，汽車僅考慮速度偏差，本車在7 s 后加速至設(shè)定車速，加速平穩(wěn)，超調(diào)量小，同時(shí)保持巡航速度穩(wěn)定行駛。

2）復(fù)雜跟隨工況

前車行駛工況包含勻速運(yùn)動(dòng)、急加速運(yùn)動(dòng)、急減速運(yùn)動(dòng)。初始間距為40 m，本車起始速度為75 km/h。仿真如圖4 所示。

圖4 跟隨工況仿真結(jié)果

速度變化曲線如圖4（a）所示，在前期，前車勻速行駛，期望距離與實(shí)際距離相近（如圖4（b）），前車速度低于巡航速度，根據(jù)切換邏輯確定本車為跟隨模式，故本車加速跟隨前車速度，15 s 后兩車速度趨于一致，保持勻速行駛。20 s 后，前車速度開(kāi)始頻繁變化。雖然行駛工況較為復(fù)雜，但在安全距離允許的條件下，本車保持了對(duì)前車的穩(wěn)定跟隨，兩車速度趨勢(shì)一致，相較于前車設(shè)定速度，本車的速度變化曲線更為平滑。

同時(shí)，由于汽車行駛工況變化，為保證行車安全，理論上兩車間距應(yīng)相應(yīng)改變。由圖4（b）可知，加速/減速階段期望車距均反應(yīng)迅速，隨行駛工況改變。在運(yùn)行期間，距離控制效果優(yōu)異，實(shí)際間距始終保持對(duì)期望車距的穩(wěn)定跟蹤，保證行駛安全性。

圖4（c）為加速度變化曲線。由圖可知，加速度始終保持在一定范圍，保證行駛舒適性。下層控制器能夠保證對(duì)期望加速度的穩(wěn)定跟蹤，控制效果良好。圖中小波動(dòng)應(yīng)為油門及剎車的切換過(guò)程中造成的一些波動(dòng)，對(duì)于實(shí)際的自適應(yīng)巡航控制來(lái)說(shuō)微乎其微。

因此，由以上分析可知，所設(shè)計(jì)的控制策略控制效果良好，即使在復(fù)雜跟隨工況下，均能快速準(zhǔn)確的根據(jù)前車速度和距離的變化，來(lái)控制本車車速變化，保持對(duì)前車的穩(wěn)定跟蹤，同時(shí)滿足汽車行駛安全性和乘坐舒適性。該下層控制器基本實(shí)現(xiàn)對(duì)期望加速度的跟蹤，通過(guò)與上層控制器聯(lián)合仿真，實(shí)現(xiàn)整個(gè)自適應(yīng)巡航系統(tǒng)的功能。

3）安全距離算法仿真驗(yàn)證

上文驗(yàn)證了該控制策略具有良好的控制效果，為驗(yàn)證間距策略效果提供仿真基礎(chǔ)。同時(shí)上述工況復(fù)雜，包含勻速運(yùn)動(dòng)、急加速運(yùn)動(dòng)、急減速運(yùn)動(dòng)，適用于驗(yàn)證車間時(shí)距模型。因此，在上述仿真基礎(chǔ)上，將該文提出的IVTH 與文獻(xiàn)[10]、[15]建立VTH、CTH 算法進(jìn)行三組仿真對(duì)比，主要考察在跟車過(guò)程，車速度不斷變化時(shí)，ACC 的間距策略對(duì)安全性和跟車性能的影響。仿真情況如圖5 所示。

圖5 不同間距策略仿真結(jié)果對(duì)比圖

由圖5（a）可知，在前20 s，CTH、VTH 跟馳情況相似，IVTH 策略下所需實(shí)際間距略低，由于前車速度大于本車，本車需要加速跟隨前車，IVTH 策略間距較小，提升了一定的跟車性能和道路利用率。20 s后，前車進(jìn)入減速階段，三種策略均隨速度變化明顯，但汽車降速后，CTH 策略下實(shí)際間距仍然較大，道路利用率低容易引起旁車插入。50 s 后汽車開(kāi)始加速，高速下兩車車間距離加大，減小了突發(fā)狀況引起的追尾風(fēng)險(xiǎn)，VTH、IVTH 間距明顯大于CTH，安全性能更好。

由圖5（b）可知，三種間距策略都能使汽車車速接近前車，差別不大，但前3 s CTH 與VTH 策略需減速行駛，IVTH 反應(yīng)更靈敏，效果更平滑。總體而言，CTH 實(shí)際間距較大，道路利用率低；相較于VTH，改進(jìn)的IVTH 效果更好，跟車速度變化曲線較為平滑，低速和加速工況下道路利用率更高。

4 結(jié)論

該文基于變車頭時(shí)距設(shè)計(jì)了汽車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)。通過(guò)Matlab/Simulink 和CarSim 聯(lián)合仿真結(jié)果證明：

1）設(shè)計(jì)的上層控制器能夠合理地根據(jù)巡航/跟車模式切換策略計(jì)算相應(yīng)的期望加速度，不同工況下均能快速準(zhǔn)確控制本車車速變化；設(shè)計(jì)的下層控制器能夠保證對(duì)期望加速度的穩(wěn)定跟蹤。從仿真結(jié)果來(lái)看控制算法效果較好，滿足汽車行駛安全性、跟車穩(wěn)定性和乘坐舒適性的需求。

2）設(shè)計(jì)的變車頭時(shí)距模型，考慮多因素影響，仿真結(jié)果表明其能適應(yīng)多種復(fù)雜工況，相比其他車頭時(shí)距模型，高速安全性好、低速道路利用率高、跟車速度平滑、反應(yīng)靈敏。