基于模糊控制的車輛自適應巡航系統設計

趙秀春，徐國凱，張 濤，葛平淑

(大連民族學院機電信息工程學院遼寧大連116605)

車輛自適應巡航控制技術ACC(Adaptive Cruise Control System)能夠輔助駕駛員駕駛，降低駕駛強度，提高駕駛性能，改善駕駛舒適性，因此自上世紀就得到了各大汽車廠商的廣泛關注，成為各大研究機構研究與開發的關鍵技術之一［1-2］。汽車定速巡航系統自20世紀70年代就逐漸開始裝配在全球著名汽車公司的高級轎車上，隨著電子、計算機及控制技術的迅速發展，汽車巡航控制系統傳感器技術、信息融合技術等軟硬件技術日趨成熟，為了進一步提高系統的控制精度和穩定性，對于控制算法的研究亦成為自動巡航系統研究的熱點和關鍵技術［3-5］。目前，用于巡航系統的控制算法主要包含針對驅動、制動力矩控制以及最近提出的分層控制［6-7］。由于巡航系統的復雜性和跟車巡航控制具有很強的非線性和不確定性，本文基于分層控制原理，采用模糊控制算法對車輛巡航系統進行自適應的定速巡航與跟車巡航的綜合控制，應用Matlab Simulink及硬件在環技術進行仿真實驗研究。

1 自適應巡航系統結構與原理

汽車自適應巡航系統的工作原理是ACC控制器根據測距雷達及其他傳感器返回的信息，控制目標車輛的縱向運動狀態，從而保持期望的車輛速度和與前方引導車之間的安全距離。其功能主要為:當前方無引導車時，控制目標車輛按照設定的巡航速度行駛;當前方出現引導車后，目標車輛將逐漸靠近前車，并將其視為引導車，在保持安全車間距離的要求下跟蹤前車行駛，實現較少駕駛員的操作，減輕其疲勞程度;使車輛在巡航控制期間，能夠適應風力和道路坡度變化所引起的汽車行駛阻力變化，自動變換節氣門開度保證汽車燃料最佳經濟性規律的穩態行駛。本自適應巡航控制系統既適用于單一的低速定速巡航控制，也適用于高速行駛工況中的定速控制和距離控制兩種功能的結合，其中定速控制即車前方沒有引導車輛或引導車輛在安全車距以外時，按照駕駛員設定的車速行駛;距離控制是指當前方安全車距以內有車輛行駛，且車速小于本車車速時，選定前方車輛作為引導車，按照控制策略自動跟蹤引導車行駛。

為了簡化系統的設計難度和便于控制器設計，本文所設計的自適應巡航控制系統由上位控制系統、下位控制系統和車輛模型3部分構成。上位控制系統包含兩種工作模式即車輛定速巡航功能和跟蹤前車運動功能，以及工作模式的自動切換功能。下位控制系統主要是建立加速度與車輛節氣門開度之間的關系，從而直接獲得期望的節氣門開度。下位控制系統包含下位控制器和理想加速度與節氣門踏板之間的逆模型。通過下位系統得到真正用以控制車輛速度的節氣門踏板信號。車輛模型由發動機動力模型、變矩器與變速器模型以及車輛縱向動力學方程組成。控制系統結構如圖1。

圖1 ACC系統結構

2 車輛自適應巡航系統設計

本系統采用分層控制，根據工況自適應切換定速巡航和跟車巡航兩種模式，同時利用模糊PI控制實現巡航系統的高性能控制。

2.1 上位控制系統設計

上位控制系統主要實現汽車工作模式的切換，即通過選擇定速巡航控制和跟車巡航控制兩種模式，分別實現車輛定速巡航功能和跟蹤前車運動功能。切換邏輯通過測量車輛工作狀態，如車間距離誤差，速度誤差以及本車加速度等信息判斷當前車輛屬于哪種工作模式并計算出期望車輛加速度作為輸出期望加速度，以此作為下位控制系統的輸入，上位控制系統的結構如圖2，其中工作模式選定模塊根據駕駛員設定的巡航速度和傳感器獲得的信號，判斷是否有車輛出現或離開有效車距范圍內，且前車車速是否低于巡航車速上限，從而自動切換到跟車巡航控制或定速巡航控制模式來控制得到不同的理想的期望加速度值。

圖2 上位控制系統

2.2 下位控制系統設計

本系統下位控制器采用的是模糊PI控制器，充分利用PI控制器結構簡單、容易實現、適于工程實際的特點，同時又結合了模糊控制響應速度快、魯棒性強的優點。下位控制系統結構如圖3，由下位控制器和車輛逆模型構成，通過驅動力方程、自動變速器模型和發動機map圖得到車輛逆模型［2］。模糊控制器以理想加速度與實際加速度的誤差e和誤差的變化率ec作為輸入，依據不同時刻e和ec對PI參數調節的要求，利用模糊控制規則在線對PI參數進行修改。該模糊控制器結合了實際動態特性及實際經驗，通過模糊規則推理，自動實現PI參數的最佳調節，使自動巡航系統具有更好的穩態精度和動態性能。

圖3 下位控制系統器結構圖

模糊控制的輸入、輸出變量分別為偏差e和偏差變化率ec，輸出量為U。e的論域取為［-10，10］，ec的論域取為［-1，1］，U 的論域取為［-5，5］，它們的狀態分別是負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。語言值的隸屬函數選擇三角形的隸屬度函數。模糊推理規則如下:if e=NB and ec=NB then kp=PB以此類推。由于采用了Mamdain型模糊控制器，模糊推理采用Mamdain推理，解模糊采用缺省值:重心法。Mamdain控制規則見表1。

表1 下位控制器控制規則

3 仿真和實驗研究

本文首先利用Matlab/Simulink軟件進行仿真研究，系統仿真圖如圖4。與采用傳統PI控制器進行對比，仿真結果如圖5。然后在硬件在環仿真試驗臺上進行實驗研究，采用了兩種實驗工況，分別為前車階躍加速度工況(工況1)和前車正弦加速度工況(工況2)。其中，工況1中初始車輛加速度為0，初速度為10 m·s-1，10 s后加速度階躍為0.5 m·s-2，后車初始車速為10 m·s-1，車間距離為40 m。工況2中前后車速皆為20 m·s-1，前車加速度為±0.5 m·s-2正弦加速度，初始車間距離為60 m，實驗結果如圖6，曲線1為前車運動參數曲線，曲線2為本車響應曲線。

圖4 系統的仿真圖

圖5 加速度響應曲線

圖6 不同工況下基于硬件在環實驗結果

由圖5可以看出，與常規PI控制相比，采用模糊PI控制策略后，系統的性能指標有了很大提高，響應的上升時間和調節時間大幅縮短、超調量也較小，表明該系統具有更好的跟蹤性能。由圖6的工況1中可以看到，在有效車距范圍內(前70 s)，被控車輛具有良好的巡航跟蹤性能，其車速與加速度與前車基本一致且振蕩較小，70 s后，車輛速度超過上限，自動退出跟車巡航控制，切換至定速巡航控制;工況2中，當前車進入有效車距范圍，車輛始終處于跟車巡航模式，而且，兩種工況下，被控車輛的車速和加速度均具有良好的跟蹤性和平穩性。

4 結語

本文針對車輛巡航問題進行研究，設計了一種分層控制，其中上位控制系統實現了定速巡航和跟車巡航兩種模式的自適應切換，下位控制系統利用了模糊PI控制策略來提高車輛巡航系統的控制性能及控制精度。最后，進行了Matlab/Simulink仿真與硬件在環實驗研究，結果表明該巡航系統具有自動切換功能，并且提供了較高控制精度和理想的跟車精度，該系統提高了汽車巡航的穩定性，減輕了駕駛者的疲勞程度。

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