汽車自適應巡航系統的多模式控制

中國空空導彈研究院 李賀男

汽車自適應巡航系統的多模式控制

中國空空導彈研究院 李賀男

由于汽車經常行駛在復雜的交通環境下，因此前車的運動狀態和意圖往往是不可預知的，所以對于傳統的自適應巡航控制系統就產生了很大的限制。基于這個原因，本文將提出一種可以多模式控制的自適應巡航系統，它可以根據實際自動選擇合適的模式。本系統分別設計定速巡航，穩態跟隨，接近前車，強加速，強減速和避撞六種控制模式，設計相應的控制器并加以整合，從而改善系統整體的控制效果。本文主要講述穩態跟隨模式，并基于這一模式進行對其他模式進行構想設計。

ACC系統；PID

前言

先進的輔助駕駛系統目前已是國內外研究的主流和豪華車的普遍裝備，ACC自適應巡航系統通過代替駕駛者控制節氣門和制動系統，從而解放駕駛者一部分注意力，但是由于道路情況的瞬息萬變，比如前車的不斷切入和切出，會導致一定安全隱患，而且影響汽車動態的跟蹤性能以及駕駛的舒適性。因此本文將提出一種基于原始ACC系統，通過運用模糊PID控制從而實現多模式控制的ACC系統。本文將分模糊PID控制的簡介，多模式控制流程，系統中多種模式的介紹，以及本系統的前景和展望等四部分講述。

1 模糊PID控制的簡介

首先這套多模式ACC系統達到的目標是比原始的ACC系統更加靈活，反應更加迅速，也更加智能從而提高行駛安全性，因此將采用隨機性更高的模糊PID控制。

1.1 傳統PID控制的優點與缺點

優點：PID控制能夠適應各種控制對象，具有極強的適應性特點，只要參數整定合適，可以實現無差控制，穩態性能好；

缺點： PID控制不具有自適應控制能力，動態特性不太理想，當系統參數發生時變、非線性變化時，系統控制效果不佳，嚴重時會導致系統不穩定。

雖然PID控制具有一些局限性，但是由于其優點顯著，仍在工業過程控制領域占據主導地位，而且經過全世界的控制技術研究和應用人員的探索研究，結合模糊控制，極大的改善PID控制的性能，形成了模糊PID控制系統。

模糊控制的特性在于其不依賴于系統的精確數學模型，當系統參數發生變化時，不會影響系統的穩定性，因此具有很強的魯棒性。

圖1 汽車巡航模糊控制原理

1.2 模糊控制技術概述

模糊控制是以人的直覺和經驗為主導，也就是說，操作人員對被控系統的掌控不是通過精確的數學表達式，而是通過其直覺和豐富的實踐操作經驗，這種方法稱作探索式決策。

模糊控制作為智能控制的一個重要分支，已在控制領域獲得了廣泛應用。模糊控制是以模糊語言變量、模糊集合論和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機控制方法，其核心是模糊控制器，而模糊控制器的關鍵是模糊控制規則表，模糊控制規則表是根據經驗豐富操作者的手動控制經驗總結出來的一系列控制規則。

模糊控制系統框圖如圖2所示。

在模糊控制中，用模糊概念來表述輸入和輸出變量，模糊控制的基本論域為誤差變化率ec、誤差e和輸出y的實際變化范圍，e和ec稱為輸入語言變量，y稱為輸出語言變量。語言變量是一個模糊集合，語言變量值根據問題需要確定，語言變量值是構成語言變量的詞集。對于輸入變量e、ec取基本論域內的一個實際值，根據語言變量值的隸屬度函數，需將其轉化為語言變量值，這種轉化的過程叫模糊化。一般在一個模糊規則的前件中往往不只有一個命題，需要用模糊算子獲得該規則前件被滿足的程度。將一條規則的整個前件被滿足的隸屬度作為輸入，根據規則“如果x是A，則y是B”，表示的A與B之間的模糊蘊涵關系(A→B)進行模糊推理，可以得到一個輸出模糊集，這種過程稱為模糊推理。模糊推理，是一種以模糊推斷為前提，運用模糊語言規則，推出一個新的近似的模糊推斷結論的方法。

圖2 模糊控制系統框圖

模糊推理的關鍵是模糊控制規則的確定，即模糊控制規則表，模糊控制規則表是根據經驗豐富的操作者的手動控制經驗總結出來的一系列控制規則。由于模糊規則庫由多條規則組成，經過模糊推理得到的是一個由每一條規則推理得出的輸出語言變量值的集合，因此需要將這些輸出語言變量值進行某種合成運算，得到一個綜合的輸出模糊集，這種過程稱為模糊合成。將經過模糊合成得到的綜合輸出模糊集進行轉化，對被控過程進行控制，這種過程叫模糊判決或者叫去模糊化。

1.3 模糊-PID 復合控制

控制策略是:在小偏差范圍內，即e落到閾值之內時轉換成 PID（或 PI）控制，以獲得良好的穩態性能；在大偏差范圍內，即偏差 e在某個閾值之外時采用模糊控制，以獲得良好的瞬態性能。微機程序根據事先給定的偏差范圍自動實現二者的轉換閾值。常用的是Fuzzy-PI 雙模控制，其由模糊控制和 PI 控制兩種控制模式相結合。

圖3 巡航系統的工作原理圖

2 多模式控制流程

為了實現ACC的多模式控制，我們將設計模式切換層，在模式切換層中，需要合理分配控制模式的調用順序，并且保證駕駛員的優先控制權。

3 系統中各個模式的簡介

這套系統將ACC系統分為六種模式，其中以穩態跟隨模式為主，因為ACC的主要功能和初衷就是穩態跟隨功能。其余五種模式均是基于此模式延伸而來。

3.1 穩態跟隨模式

在實際行駛跟車過程中，駕駛員以穩態跟車為主，期望車距誤差與相對車速保持在誤差范圍內。由于駕駛員對跟蹤誤差的敏感度不同，會隨著車距和車速的而發生變化。因此在前車穩態行駛工況，則采用如下圖所示的線性結構使得車距與車速誤差同時收斂為0。

式中，kf取決于車速的大小，車速越大，駕駛員期望的加速度波動越小， λf反映了不同駕駛員對于速度誤差和距離誤差的敏感程度不同，根據所查資料統計，穩態下λ值在11左右時，距τ由駕駛員設定。τ值越大，自動跟車距離越遠，駕駛風格越保守。

圖4 ACC跟車系統工作圖

3.2 基于穩態跟車模式的多模式擴展設想

1)定速巡航模式。前方有效距離內不存在目標物時，系統進入定速巡航模式，希望實際車速盡可能保持在設定車速附近土1km／h范圍內。

2)接近前車模式。前方有慢速車輛進入有效距離內，而此時定速巡航時，系統由此進入接近前車模式。在此模式下，初始距離d遠大于期望車距ddes，而且兩車的初始的相對車速絕度值較大。此模式將期望以距離來補償速度誤差，最終平穩過渡到穩態跟隨模式。

3)強減速模式。當旁車強行并線或前車緊急減速時，系統進入強減速模式。在此模式下，相對車距d處于期望車距之下，并且相對車速Vr小于0，因此期望設定一個最小安全距離代替期望車距作為車距控制目標的下限從而實現車輛的強減速。

4)急加速模式。由于車輛在急加速的模式下，車輛通常是沒有追尾的危險的，駕駛者可以容忍較大的跟蹤誤差和車距變化。因此，可以根據穩態模式中的模型，放寬跟蹤性能的要求，重新標定相關參數。

5)避撞模式。當強減速模式仍不足以提供足夠的制動減速度，導致實際距離小于最小安全距離，系統將進入緊急避撞模式，通過施加最大制動力直至停車，其中車距可以根據車距傳感器測出。而且此模式下的ACC系統可以和PSS系統的緊急制動輔助系統進行協作。

綜上所述，以上的五種模式的設計均可以通過對穩態跟隨模式的相關系數的重新標定或者對相關模型進行相應改進實現。

4 本系統的前景和展望

ACC系統未來將向更加智能化發展，而且汽車的發展方向也是如此，因此不能適應多變環境的ACC系統及其他汽車系統終將被淘汰，本文介紹的多模式ACC系統具有更強的靈活性和隨機性，很好的對現今的ACC系統的缺陷進行了彌補。因此，我認為這套多模式ACC系統十分具有市場前景，而且其中的模糊PID控制方法也將成為未來汽車甚至其他行業進行控制設計時的的主流。

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