摘 要：為了適應(yīng)城市交通環(huán)境，提出多模式自適應(yīng)巡航控制策略。在上層控制器中，設(shè)計恒速巡航、穩(wěn)態(tài)跟隨、接近/變道、強(qiáng)加速、強(qiáng)減速和避免碰撞6種模式策略；下層控制器采用PID控制結(jié)合查找表方法，設(shè)計油門控制器與制動控制器之間的過渡區(qū)。仿真結(jié)果表明：上層控制器能夠在復(fù)雜工況下選擇合適的行車模式，下層控制器能夠滿足下坡/上坡加速度控制的預(yù)期要求，符合車輛驅(qū)動系統(tǒng)特性，可以應(yīng)用于實車駕駛輔助系統(tǒng)，提高車輛的行駛安全性。

關(guān)鍵詞：高級駕駛輔助系統(tǒng)；自適應(yīng)巡航控制；多模式設(shè)計；城市交通

中圖分類號：U461.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1671-5276（2024）04-0276-05

Multi-mode Adaptive Cruise Control Strategy Considering Urban Traffic Environment

DENG Gaopan，CHENG Qian

（China Automotive Engineering Research Institute Co.， Ltd.， Chongqing 401122， China）

Abstract：A multi-mode adaptive cruise control strategy is proposed to adapt to urban traffic environment. In the upper controller， six mode strategies are designed， which includes constant speed cruising， steady state following， approach/lane change， strong acceleration， strong deceleration and collision avoidance. The transition zone between throttle controller and brake controller is designed by PID control and lookup table method in the lower controller. The simulation results show that the upper controller can select the appropriate driving mode under complex working conditions， while the lower controller can meet the expected requirements of downhill/uphill acceleration control， which is in line with the characteristics of the vehicle drive system and can be applied to the real vehicle driving assistance system for the improvement of vehicle driving safety.

Keywords：advanced driver assistance systems; adaptive cruise control; multi-modal design; urban transportation

0 引言

隨著環(huán)境感知和智能控制技術(shù)的發(fā)展，自適應(yīng)巡航控制（ACC）需要更多的功能來滿足車輛行駛多樣化的需求^[1-2]。首先，ACC不僅要適應(yīng)穩(wěn)態(tài)行駛工況，還要適應(yīng)變道、彎道^[3]等復(fù)雜行駛環(huán)境。其次，ACC應(yīng)與熟練駕駛員的大部分行車特性^[4]相兼容。此外，現(xiàn)有的ACC只考慮一個主目標(biāo)，沒有考慮旁車道其他可能的車輛目標(biāo)，因此在瞬態(tài)條件下ACC不能及時響應(yīng)。

目前已有許多關(guān)于ACC策略的研究^[5-7]。但這些研究缺乏針對城市交通工況的獨特設(shè)計。由于城市中頻繁出現(xiàn)前車切入或切出的情況，在這種情況下，駕駛員無法長時間穩(wěn)定地跟隨前車。此外，城市中有大量的坡道和城市高架橋，增加了前車跟隨的難度。對于一個有經(jīng)驗的駕駛員來說，在這些復(fù)雜的場景下仍可以保障車輛的行駛安全性和舒適性。

本文提出了城市交通中安全平穩(wěn)行駛的ACC多模式策略。設(shè)計了ACC上層控制器對主車的控制邏輯，在低層控制器中定義了主車跟隨前車所需的速度，定義了切入/切出以及停車和行駛操作的相關(guān)場景。針對這些場景，對多模式下的ACC策略仿真進(jìn)行了測試評價，并與傳統(tǒng)的ACC策略進(jìn)行了對比分析，其結(jié)果表明多模式的ACC策略具有更好的靈活性，其綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)ACC控制方法。

1 ACC控制策略概述

針對復(fù)雜的城市交通環(huán)境，將控制器控制策略分為上層控制器和下層控制器。上層控制器由模式切換層和6個模式組成，用于計算主車所需加速度。在模式切換層，通過兩車相距時差（time headway， THW）和碰撞時間（time to collision， TTC）^[8]，根據(jù)切換規(guī)則確定適合城市交通環(huán)境的預(yù)期模式。提出了包括恒速巡航、穩(wěn)跟、接近、變道、強(qiáng)加速、強(qiáng)減速和避撞等多種模式。根據(jù)不同的驅(qū)動特性，各模式響應(yīng)得到不同的縱向加速度和加加速度。然后，下層控制器通過油門、制動或怠速控制跟隨上層控制器的所需加速度。最后，將主車的實際加速度、速度、油門開度、制動壓力等狀態(tài)反饋給下層控制器。同時，上層控制器對車與車之間的相對距離和相對速度也有影響。ACC策略的框架如圖1所示。

2 上層控制器

2.1 恒速巡航穩(wěn)態(tài)跟隨模式

ACC控制系統(tǒng)只有恒速巡航和穩(wěn)態(tài)跟蹤兩種模式，這兩種模式在穩(wěn)態(tài)條件下是有效的。區(qū)別在于前車是否在有效的雷達(dá)距離內(nèi)，是否比駕駛員的預(yù)期速度慢。如果主車速度大于巡航速度或相對距離大于100m，則選擇恒速巡航，控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中v_d為期望速度與實際速度之差，如果v_d小于-1 m/s，勻速巡航具有一定的舒適性，加速度范圍為-2 m/s² ～1 m/s²。

若進(jìn)入穩(wěn)態(tài)跟隨模式，控制模型表示為：

式中：a_d為主車期望加速度；k₁、k₂分別為距離增益系數(shù)和速度增益系數(shù)，分別受主車速度v_h的影響；d_des為期望相對距離；d_t為實際相對距離；v_r為相對速度；v_p為前車速度。駕駛員期望兩車相距時差設(shè)為1.4s。

2.2 接近和變道模式

ACC作為一種高級駕駛輔助系統(tǒng)，控制系統(tǒng)在運行過程中如何減少駕駛員的干預(yù)是非常重要的。傳統(tǒng)的ACC只在接近前車時減速。但相關(guān)文獻(xiàn)顯示^[9-13]，70%的駕駛員會選擇變道以獲得更大的速度優(yōu)勢。因此，有必要在接近前車情況下預(yù)測變道意圖的可能性。

如果駕駛員更傾向于變道，ACC系統(tǒng)不必讓主車立即減速。如果駕駛員傾向于放棄變道意圖，則ACC系統(tǒng)進(jìn)入傳統(tǒng)的接近和穩(wěn)定跟隨。變道可能性有兩個指標(biāo)，一個是前車與駕駛員預(yù)期速度之間的速度差。另一個是根據(jù)旁車道空間計算得出的安全行車線路。變道意圖預(yù)測如圖3所示。

圖3中T₁為變道初始時間，T₂為變道終止時間，I₁為變道概率閾值，表示有足夠的變道優(yōu)勢。T_c是充分利用車輛縱向信息的時間指標(biāo)。如果T_c大于T₂，說明駕駛員已經(jīng)放棄變道，ACC進(jìn)入接近前車模式。因此，與傳統(tǒng)ACC相比，增加了T₁到T₂的周期，以避免對駕駛員正常變道造成不必要的干擾。如果沒有變道優(yōu)勢，主車會開始接近前車。接近方式可表示為

加速度接近模式的范圍為-2 m/s² ～ 0 m/s²，加加速度接近模式的范圍為-5 m/s³ ～ 5 m/s³。

2.3 強(qiáng)加減速模式

當(dāng)前車超車或快速加速，且主車速度低于駕駛員預(yù)期速度時，可能發(fā)生強(qiáng)加速模式?？紤]到燃油經(jīng)濟(jì)性和交通效率，主車加速度限制在1 m/s² ～3 m/s²。在強(qiáng)加速模式下，相對速度誤差比相對距離誤差對駕駛員注意力的影響更大。因此，所期望的加速度如式（4）所示。

同樣，在強(qiáng)減速模式下，前車突然切入或突然減速的情況是主要考慮因素。考慮碰撞安全，減速范圍為-2 m/s² ～-4m/s²。同時，為保持制動過程中近似均勻減速，強(qiáng)減速模型可表示為

2.4 避免碰撞模式

如果相對距離小于最小安全距離（100m），ACC車輛將進(jìn)入避免碰撞模式。一旦該模式被激活，主車輛開始以最大減速制動，直到完全停止。避碰模型的最小安全距離可表示為

式中：d_min為最小安全距離；a_max為最大減速；t₁為制動系統(tǒng)延遲時間。

2.5 模式切換

Stateflow的多模式切換策略如圖4所示。為了選擇最優(yōu)模式，在ACC策略中增加了模式切換層。在6種模式中，一旦進(jìn)入最小安全距離范圍，避免碰撞模式優(yōu)先級最高，其他模式根據(jù)切換規(guī)則進(jìn)行設(shè)計，如圖5所示。采用THW和TTC作為量化指標(biāo)。前者表示穩(wěn)定跟隨的收斂趨勢，后者表示緊急避讓的影響。THW和TTC的定義分別如下所示。

在圖5中，t_h1和t_h2分別對應(yīng)于駕駛員期望時間間隔（1.4s）的90%和160%，t_t1、t_t2和t_t3與根據(jù)駕駛員統(tǒng)計特征設(shè)置的TTC相關(guān)^[14]，本文中設(shè)置其參數(shù)分別為1.5s，1.0s，1.9s。此外，還建立了1個過渡區(qū)，以降低模式切換的頻率。只有連續(xù)3次選擇新模式的切換位，才能實現(xiàn)真正的切換。

3 下層控制器

下層控制器的目標(biāo)是跟蹤來自上層控制器的所需加速度。首先，提出了由驅(qū)動模式、制動模式和怠速模式組成的合理切換策略；其次，采用反向查找表來計算所需的油門開度或制動壓力；最后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照指令執(zhí)行，確保有效跟蹤期望的加速度。下層控制器結(jié)構(gòu)如圖6所示。

為了減少油門和制動之間的頻繁切換，如圖7所示，設(shè)計了一個怠速過渡區(qū)?；€為車輛怠速加速度，油門/制動區(qū)設(shè)置為h₁和h₂閾值。

如果進(jìn)入油門/制動區(qū)域，執(zhí)行器的初值由油門/制動MAP實現(xiàn)。油門/制動MAP的輸入為車速和期望加速。此外，針對城市環(huán)境中復(fù)雜的路況，加入PID控制，以降低干擾和模型失配的影響。

4 仿真結(jié)果

在本節(jié)中，實現(xiàn)了CarSim和Simulink仿真，設(shè)計了包括前車切入/切出、前車停車/行駛的場景。基于這些場景進(jìn)行了相關(guān)的仿真測試，其結(jié)果如圖8-圖10所示。

4.1 場景1：前車切入/切出

如圖8和圖9所示，第一前車在13s時切出，在26s時切入。為了適應(yīng)切入/切出場景，采用了本文提出的多模式ACC策略，如圖11所示，在ACC車輛的模式中，1為平穩(wěn)跟隨，2為接近，3為強(qiáng)減速，4為強(qiáng)加速，5為避碰，6為恒速巡航。

場景1開始時主車與第一前車很接近，此時，主車立即以強(qiáng)減速模式減速，直至進(jìn)入穩(wěn)態(tài)跟隨。到13s時，由于跟隨目標(biāo)發(fā)生變化，主車開始向第二前車靠近。隨著第二前車加速，主車轉(zhuǎn)到強(qiáng)加速模式，然后穩(wěn)定跟隨。在26s時，第一前車切入，這促使主車在穩(wěn)定跟隨前進(jìn)行強(qiáng)減速。到46s時，主車經(jīng)過強(qiáng)加速后速度超過駕駛員預(yù)期速度，然后主車處于恒速巡航模式。

主車加速度如圖12所示。結(jié)果表明，多模式控制器在強(qiáng)加減速等瞬態(tài)模式下能夠快速響應(yīng)切入/切出場景，且考慮到驅(qū)動特性，各模式對應(yīng)的加速度均能實現(xiàn)。

速度跟隨和距離跟隨的結(jié)果分別如圖13和圖14所示。到13s和26s時，由于跟隨對象不同，所期望的和實際的相對距離發(fā)生了變化，此時ACC車輛必須適應(yīng)克服速度誤差和距離誤差。由圖13—圖14可知，本文所設(shè)計的多模式ACC策略無論在穩(wěn)態(tài)還是瞬態(tài)，都有較好的跟隨性能。

4.2 場景2：前車停車和行駛

在場景2中，設(shè)置一條下坡道路，道路附著系數(shù)為0.85。初始相對距離為21m，兩車初始速度為14m/s。速度跟蹤的結(jié)果如圖15所示。0s ～ 25s，前車與主車保持14m/s的初始速度。到25s時，前車開始急劇減速，主車進(jìn)入避免碰撞模式。從28s～46s，兩輛車都靜止不動。在第46s，主車開始加速跟隨前車。從52s到60s，兩輛車的速度都保持在14m/s。

主車加速相應(yīng)的仿真結(jié)果如圖16所示。在0s ～ 25s期間，主車穩(wěn)定勻速跟隨前車，加速度為0。從25s～28s，主車以接近6m/s²的加速度平穩(wěn)減速。從28s～46s，由于主車靜止不動，加速度再次變?yōu)?。從46s～52s，主車開始以接近2m/s²的加速度加速。最后，由于處于穩(wěn)定跟隨狀態(tài)，在52s時主車加速度歸0。仿真結(jié)果表明，即使在下坡時，ACC車輛也具有良好的跟蹤性能。

5 結(jié)語

本文提出了一種考慮城市交通環(huán)境的多模式ACC策略。首先，上層控制器設(shè)計了6種模式，通過模式切換，根據(jù)當(dāng)前駕駛情況輸出最優(yōu)加速度。其次，設(shè)計了下層控制器用來跟蹤所需的加速度。仿真結(jié)果表明，該模式切換策略較為合理，符合驅(qū)動系統(tǒng)的動力特性。最后，下層控制器可以在斜坡路況下跟蹤車輛加速度。因此，該方法能夠滿足城市交通環(huán)境下車輛的不同行駛需求，具有實際應(yīng)用價值。

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收稿日期：2023-01-16