汽車縱向主動避障系統研究

陳文韜　劉志斌　丁嘉浩　姚森

摘要：隨著科技發展，如今汽車的研究熱點已經轉移到了無人駕駛智能車上。不同于一般的減少駕駛員誤操作的主動避障預警系統研究，本文從乘坐舒適性角度出發研究目前國內外廣泛采用的三種安全距離模型，并用carsim和simulink進行聯合仿真，對其優劣進行評定。在此基礎之上搭栽合適的控制器建立自適應巡航模型并進行仿真測試。

關鍵詞：主動避障；乘坐舒適性；安全距離；自適應巡航

1.引言

隨著科技發展，無人駕駛智能車無疑是現今車輛工程領域的熱點。汽車的行車速度越來越快，流量逐日增加，交通安全問題日益嚴重。一方面各國政府出臺大量相關法律法規，規范駕駛行為。另一方面，ESP、ACC等主動安全系統的使用也逐漸增加。現今主動安全系統研究出發點多是降低駕駛員的操縱失誤，以及特殊情況下的緊急制動。本文從無人駕駛的乘坐舒適性角度出發設計出了適合于無人駕駛的主動安全系統。

2.總體方案

2.1無人駕駛主動避障系統功能要求

（1）當自車與前車距離較遠或前車車速大于巡航車速，以巡航車速行駛；（2）當自車與前車之間距離過近且前車車速較低，對前車車速進行跟隨；（3）當兩車間距低于安全距離，在保證安全的情況下，避免急剎，提高乘坐舒適陛。

2.2模型整體組成

從功能要求入手，模型需要車輛傳感系統輸入自車車速、發動機轉速、相對速度、相對距離，避障控制器進行安全距離計算和決策，將期望加速度傳給控制對象，經過逆動力學模型計算所需制動壓力和節氣門開度返回控制車輛。

3.系統建模

3.1車輛縱向動力學建模

Carsim是專門針對車輛動力學的仿真軟件，仿真運行速度快。主要用來預測和仿真汽車整車的動力性、制動、經濟性等。在caisim里面可以方便的設置整車參數，圖1是本研究所使用的整車模型參數。

車輛攜帶ABS系統，前后輪的制動扭矩分別為300N.m/MPa，200N.m/MPa。

3.2車輛逆縱向動力學建模

利用earsim中自帶的發動機模型的節氣門開度圖，可以得到以發動機轉速和期望力矩為輸入，節氣門開度為輸出的2-Dlookuptable。期望力矩可以用加速度和車速計算。

將模型搭建在一起，如圖2。

4.安全距離算法

本文對目前較為成熟的三種安全距離模型進行了制動研究，在確保安全性的前提下，選出較為舒適的算法。

考慮了駕駛員（同時也是乘客）主觀感受的預瞄模型更加適合無人駕駛安全避障系統。

5.控制器

上位控制器的算法有神經網絡，遺傳，蟻群等，算法越復雜控制效果越好，但是時效性就越差。汽車作為一種高速運動物體，需要一種能夠在穩定性和時效性之間取得平衡的控制算法。因此選擇工業上大量使用的PID和模糊控制作為研究對象。

5.1簡單邏輯控制

其中50m是人為設定的絕對安全距離，d_safe是駕駛員預瞄模型計算出來的必須進行急剎的安全距離，1.8m/s²是由文獻3提出的乘客無感覺加速度值，V_ACC設定為60km/h。

5.2PID控制

PID控制策略與5.1相同，只是在模型中搭載了PID控制模塊。關于PID控制的原理可以見文獻4。

先將原模型進行開環得到階躍輸入下的輸出值，用系統辨識模塊得到開環系統的擬合傳遞函數，采用臨界比例帶法進行參數的初整定。

PID控制器在搭載了微分項后計算時間大為延長，從時效性的角度出發，最終采用PI控制。

5.3模糊控制

模糊控制是一種適用于非線性、時變、滯后、模型不完全系統的控制，不依賴于被控對象的精確數學模型，而是利用控制法則來描述系統變量間的關系。是一種較理想的非線性控制器，具有較佳的魯棒性、適應性及較佳的容錯性。

本文以兩車實際距離與理論安全距離之差和相對安全速度作為模糊控制的輸入語言變量，輸出語言變量選為加速度，分別進行量化，確定隸屬函數。并根據專家經驗以及過程控制知識來生成控制規則，對輸入語言變量的不同模糊子集，分別對應各自的輸出語言變量的模糊子集，形成模糊控制的規則表。

5.4仿真分析

為了出現前車高于和低于自適應巡航速度兩種情況，仿真工況設置為：前車以72km/h的初始速度勻減速，減速度為0.5m/s²，以跨過60km/h，并且在40s時停車。自車初速度為60km/h。初始相對距離為100m。并分別搭載有簡單邏輯控制邏輯、pid控制器和模糊控制器。

前車停止，自車保持著一定的安全距離也停止，并且避免了緊急剎車的情況。在搭載簡單的邏輯控制情況下，加速度躍變輸出，波動較大，并且最終停止時與前車之間的距離也較大。搭載了PI控制器后，加速度穩定性提高，但出現了0.8g的急剎加速度。而搭載了模糊控制器之后，加速度穩定性和最大值均有所改善。

當改變仿真工況參數進行測試時，均能達到預期要求，系統具有良好的魯棒性。

6.結語

本文提出基于乘坐舒適性的主動安全系統，通過聯合仿真比對三種安全距離模型的剎車性能的優劣，并利用不同的控制方式對自適應巡航進行仿真，從而得到基于乘坐舒適性的適合于無人駕駛的自適應巡航系統。上位控制使用模糊控制器，安全距離采用基于駕駛員預瞄的距離算法，得到的主動安全系統具有良好的跟車性能，且能夠進行平穩的停車。