基于模糊控制的車輛自適應巡航研究及仿真

陳榮章,張靚超

（同濟大學汽車學院,上海 201804）

基于模糊控制的車輛自適應巡航研究及仿真

陳榮章,張靚超

（同濟大學汽車學院,上海 201804）

設計了一種基于模糊控制理論的車輛自適應巡航雙輸入單輸出控制器，系統綜合考慮了自車與前車之間的車距、車速、加速度等因素，并利用遺傳算法優化模糊控制隸屬度函數與控制規則。在此基礎上，通過simulink進行仿真，仿真結果表明，本文設計的系統能有效進行速度與車距控制，且駕乘性能良好。

自適應巡航;模糊控制;遺傳算法

0 引言

近年來，中國已成為全球最大的汽車產銷國，而隨著汽車保有量的增加，道路擁擠，交通事故頻發等問題也日益突出，汽車的安全性正日益受到汽車廠商和消費者的關注。

自適應巡航控制（簡稱ACC）系統是在定速巡航控制（簡稱CC）系統的基礎上研發的新一代汽車主動安全輔助駕駛系統[1]。ACC系統不僅繼承了CC系統的功能，還能夠根據車輛當前行駛狀況與道路環境變化，實時控制自車與前車之間的相對車距和相對速度以匹配車流[2]，有效地減輕了駕駛員在駕駛過程中的操作負擔，提高了道路的交通流量，改善了車輛行駛的舒適性和主動安全性。

ACC系統非常實用，且有著廣闊的市場前景，但是目前市場上的ACC產品主要由國外廠商研制生產，國內對相關技術研發比較滯后，因此進行有關于ACC系統的研究是很有必要的。

1 基于模糊控制的ACC設計

本文設計的ACC系統采用分層控制，上層控制器采用模糊控制，將自車與前車的車速、車距等信息作為輸入，由模糊控制器換算出期望加速度。下層控制器將該期望加速度作為輸入，結合下層車輛動力學系統進行節氣門開度和制動壓力控制，使汽車的實際加速度達到期望加速度[3]。同時，系統主要適用于車輛在高速及一級公路行駛路況，速度限制60～120km/h，根據相關國家標準[4],將最大減速度設置為-3m/ s2，最大加速度設置為2m/s2。

根據文獻[5]的研究，同一車道中前后兩車行進時，若自車速度大于前車速度，則自車減速至與前車速度相等時，自車不會追尾前車。基于車輛制動過程模型，以兩車行進中的臨界安全車距作為理論安全車距：

其中： t1為駕駛員反映及制動協調時間，取t1=1.15s； t2為制動力增加時間，取t2=0.5s；L為兩車安全停車距離，取L=5m

其中以ITAE（誤差絕對值時間積分）指標的最小值作為目標函數。3）選擇算子：采用文獻[1]改進的選擇算子，在第N代種群中，計算每個個體的適應度大小，并降序排序，前5%為A類，中間90%為B類，后5%為C類。將A類個體替代C類個體，則種群組成為2份A類+1份B類。該2份A類個體不通過交叉、變異操作直接復制到N+1代種群，B類個體進行交叉、變異操作后，遺傳至N+1代種群。4）交叉算子：對于前9位隸屬函數編碼，采用“算數交叉法”，對于后49位模糊控制規則編碼，采用“均勻兩點交叉法”[2]。5）變異算子于前9位隸屬函數編碼，隨機選取其中某個基因，允許其在原值0.8～1.2倍范圍之內變異為新值。對于后49位是模糊控制規則編碼，為避免發生不合理的大跳躍，允許某一基因在{-1,1}范圍內變異。6）遺傳算法參數設置：種群規模設為20，交叉概率設為0.9，變異概率設為0.2。

（3）運用模糊控制規則進行模糊推理得到模糊輸出q，并通過對q反模糊化得到精確輸出Q。至此，ACC系統的模糊控制器設計完成，下層連接Carsim軟件B-Class車型完成整體設計并進行仿真。

2 仿真實驗

工況：0秒時刻，自車從靜止狀態起步，設定CC速度為100km/h，50秒時，前方80米處，前車以80km/h切入自車車道，并 勻速行駛；100秒時，前車加速，經過5秒，前車加速至90km/h，并保持勻速行駛；130秒時，前車加速，經過5秒，前車加速至110km/h。仿真結果如下：

2.1 模糊控制器隸屬度函數及控制規則結果參見圖2

2.2 自適應巡航車距、速度效果參見圖3

2.3 自適應巡航車輛節氣門開度和制動壓力控制效果參見圖4

從仿真結果顯示，當50秒前車以車速80km/h在自車前方80米處切入時，理論安全車距應該為90米，因此自車在50秒時立即從CC狀態切換至ACC狀態，并且立即施加了較大的減速度，從節氣門控制切換為了制動控制；隨后自車減速度逐漸減小，兩車相對速度趨于0，自車保持跟車狀態。

當100秒時起前車加速升至90km/h，自車通過增大節氣門開度，開始加速，在短短幾秒內，達到了跟車效果。

當130秒時，前車加速至110km/h，自車通過增大節氣門，開始加速，當132.5秒后時，前車速度提升至100km/h以上，前車速度超過自車最初設定的CC車速，自車從ACC狀態切換至CC狀態，此后，兩車距離越拉越大。

3 結束語

通過理論設計和系統仿真，驗證了本文設計的ACC系統控制效果良好，模糊控制非常適用于ACC這類結構復雜的非線性控制系統，有一定的工程應用參考價值。因諸多外在條件因素受限，本文仍有許多尚待進一步研究的不足之處，仿真工況也不是很全面，仍有待進一步探索其他工況下的系統性能。由于受實驗設備的限制，僅通過計算機仿真技術，對系統的有效性進行了論證，并未進行系統的硬件設計與實車試驗，離實用化仍然有很大差距。希望在今后的工作中能進一步完善與深入研究。

[1]王景武，金立勝.車輛自適應巡航控制系統控制技術發展[J].汽車技術，2004(07).

[2]李朋.魏民祥,侯曉利.自適應巡航控制系統的建模與聯合仿真[J].汽車工程,2012(07).

[3]趙秀春,徐國凱.基于模糊控制的車輛自適應巡航系統設計[J].大連民族學院學報,2013(05).

[4]中華人民共和國國家標準：智能運輸系統.自適應巡航控制系統性能要求與檢測方法(GB/T 20608-2006).

[5]鐘勇,姚劍峰.行進中車輛臨界安全車距的探討[J].湖南大學學報,2001(12).

[6]董妍汝.基于選擇算子的遺傳算法改進[D].山西大學,2013.

[7]李書全，孫雪,孫德輝.遺傳算法中的交叉算子的述評[J].計算機工程與應用,2012(48).

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.22.182

陳榮章（1965-），男，副教授，研究方向：汽車后市場營銷。