汽車跟車巡航控制系統研究

姚垠國，段敏，張恒，鄭蘇

摘 要：文章首先簡述跟車巡航系統的工作原理，然后設計系統的切換層，建立車輛動力學約束方程，控制器采用分層式結構，上層控制器采用最優控制計算車輛的期望加速度，下層控制器采用PID控制控制車輛的加速和減速，實驗結果表明系統的巡航功能可以正常激活，控制器可以實時控制主車很好的跟隨前車進行起步、停止。

關鍵詞：起停巡航;最優控制;PID控制;Matlab/Simulink;實車試驗

中圖分類號：TM517 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2019）23-49-03

Research on the Cruise Control System of Car

Yao Yinguo， Duan Min， Zhang Heng， Zheng Su

（ School of Automobile &Traffic Engineering， Liaoning University of Technology， Liaoning Jinzhou 121000 ）

Abstract： This paper first describes the working principle of the following cruise system， then the switching layer of the system is designed and the vehicle dynamics constraint equation is established， the controller adopts the layered structure， and the upper controller adopts the optimal control to calculate the expected acceleration of the vehicle， the lower controller adopts PID control to control the acceleration and deceleration of the vehicle， the experimental results show that the cruise function of the system can be activated normally， and the controller can control the main vehicle to start and stop with the leading vehicle in real time.

Keywords： Stop&Go Cruise; The optimal control; PID control; Matlab/Simulink; Real vehicle tests

CLC NO.： TM517 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）23-49-03

引言

汽車跟車巡航控制技術是先進汽車智能駕駛輔助技術之一，當道路前方沒有車輛時，系統進入定速巡航模式，當前方有車輛時系統進入跟車巡航模式，如果車輛與前車之間的距離小于預設的最小距離，那么，它們會迫使車輛減速;如果前后兩車之間的間隔距離足夠遠，它們就會把車輛加速到設定的速度，主動干預車輛的縱向控制，常用在車輛低速行駛頻繁起步與停止的工況。國內外對跟車巡航系統有大量的研究，按照控制算法分有神經網絡控制器[1]，模型預測控制器[2-4]，滑膜控制器[5]，文獻[6]采用非線性車輛模型研究了極端情況下自適應巡航和定速巡航的過渡控制問題等。

1 跟車巡航系統的工作原理

整個控制是由傳感器控制單元SCU來提供。SCU的主要功能是控制跟車巡航系統的傳感器和目標識別，其控制參數計算和相關系統啟動則是由跟車巡航系統的電子控制單元（ECU）負責執行。跟車巡航系統傳感器的接收信號需要進一步處理。在目標識別時，系統會根據信號所含的信息來計算出潛在對象的距離和相對速度。車距控制需要從跟車巡航系統所探測的所有目標中，精確地鎖定其中一個;鎖定目標時會用上車輛移動方面的信息。根據駕駛本身的車速和所要求的反應時間，跟車巡航系統可算出所需的最小車距。若在現行車速下計算出的車距過近，跟車巡航系統就給適當的系統送出減速命令，從而調整車距。若調整后的車距已經足夠，車速就會被調至所需的速度。要做到這點，跟車巡航系統須向相關驅動發出加速命令。

2 切換層設計

為了實現跟車巡航多模式控制，應用有限狀態機原理，在原有跟車巡航控制之上增加切換層，以確定當前理想的控制模式。

使用Matlab/Simulink建立Statflow狀態。

圖1 ?狀態圖

3 控制器的設計

3.1 上層控制器設計

上層控制器根據本車的車速、加速度以及與前方車輛的相對速度、相對距離等信息計算得到期望加速度。

根據車輛在跟車巡航時的主車和測試車的運動關系可以列出狀態方程：

式中m是系統的控制變量，n是系統的干擾變量，T是控制周期。取目標性能函數：

為了使性能指標函數達到最優，可以選取加權矩陣Q、R，根據LQ最優控制理論得出系數矩陣K，期望加速度為a=-Kx。

3.2 下層控制器的設計

下層控制器控制驅動或者制動，需要將被控制量進行實時反饋，系統通過實時比較被控對象實際值與理論值的大小，實時調節系統的響應輸出，使該控制器對系統的，調節效果較好。PID 控制器中的系統誤差e（t）與輸出u（t）的關系為：

其中誤差e（t）是給定量r（t）和實際輸出量c（t）之間的差值：

以傳遞函數的形式表示為：

其中，Kp為比例項系數;TI為積分項時間常數;Td為微分項時間常數。比例項的作用是調節被控制量向誤差減小方向運行的速度;積分項會對系統穩態誤差進行調節;微分項該項通過對輸入誤差變量的微分處理，使得其能預測下一次誤差到來的情況，從而加快系統的響應速度。

4 試驗及結果分析

采集的信號：車輛經度、緯度、與前方障礙物相對縱向及橫向距離、制動踏板信號、加速踏板信號與前方障礙物相對速度。

跟車試驗數據曲線如下：

圖2 ?主車跟隨前車，前車進入加速行駛狀態時的

主車行駛速度曲線

由實驗結果可以看出當前方車輛加速行駛時，主車會加速至巡航車速，

巡航測試實驗曲線如下：

圖3 ?主車在直線道路上行駛，車速為30km/h時，

設置巡航，此時主車的行駛速度曲線

由實驗結果可以看出設定不同目標車速，巡航功能均可以正常激活，車速穩定后，慣性測量單元所測車輛縱向速度、總線所讀車輛縱向速度均與設定目標車速相差≤2km/h，誤差在合理范圍內，

起停試驗結果如下：

圖4 ?起停測試中主車和前車的速度曲線圖

圖5 ?起停測試中主車和前車間隔距離曲線圖

由實驗結果可以看出兩車初始的間隔距離為4 m，大于安全車距3 m，主車以1 m/s2的加速度加速到約7m/s，在9-18 s時開始以0.1 m/s2加速到7.9m/s，在18s開始制動，制動減速度為0.5m/s2 ，然后又加速起步至5m/s，由實驗結果可以看出主車能較好的跟隨前車的速度變化，并且實際兩車的車間距離在與期望值的誤差逐漸趨于0。主車可以跟隨前車實現起停功能。

5 結論

設計跟車巡航系統邏輯轉換圖以及上層控制器和下層控制器，建立Stop&Go的Simulink模型，實車試驗結果表明前方車輛加速時，主車可進入跟車狀態，設定不同目標車速，巡航功能均可以正常激活并且主車可以跟隨前車實現起停功能。

參考文獻

[1] Yi K，Hong J，Kwon Y.A vehicle control algorithm for stop-and-go cruise contro[lJ].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part D：Journal of Automobile Engineering， 2001，215（10）：1099-1115.

[2] Ali Z，Popov A A，Charles G.Model predictive control with constraints for a nonlinear adaptive cruise control vehicle model in transition man-oeuvre[sJ].Vehicle System Dynamics，2013，51（6）：943-963.

[3] Bageshwar V L，Garrard W L，Rajamani R.Model predictive control of tr-ansitional maneuvers for adaptive cruise control vehicles [J]. Vehicula Technology，IEEE Transactions on，2004，53（5）：1573-1585.

[4] LiS，LiK，RajamaniR.Modelpredictivemulti-objectivevehicularadap tive， cruise，control[J].Control Systems Technology，IEEE Transactions on， 2011，19（3）：556-566.

[5] Ganji B，Kouzani A Z，Khoo S Y.Adaptive cruise control of a HEV using sliding mode contro[lJ].Expert Systems with Applications， 2014，41（2）：607-615.

[6] Ali Z，Popov A A，Charles G.Model predictive control with constraints for a nonlinear adaptive cruise control vehicle model in transition man-oeuvre[sJ].Vehicle System Dynamics，2013，51（6）：943-963.