一種無人駕駛車輛縱向多模切換策略研究

張羽 關志偉

摘 要：無人駕駛車輛是現在汽車工業發展的趨勢，在以往的無人駕駛研究中多通過模糊控制、PID控制、滑模控制等控制策略來保證車輛的正常行駛。文章通過車輛行駛前方的障礙物的速度變化、前后車車距等因素來設計了一種基于邏輯切換控制的車輛縱向控制方法，利用Simulink進行邏輯控制的模型搭建，并進行模擬仿真，驗證在前后車處于不同的運動狀態時后車所進行的狀態切換與動作執行。關鍵詞：縱向控制;多模切換;最小安全距離;Simulink中圖分類號：U461.6 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2019）01-22-05

Research on Longitudinal Multimode Switching Strategy of Unmanned Vehicle

Zhang Yu， Guan Zhiwei

（?Tianjin University of Technology and Education， school of automobile and transportation，Tianjin 300222?）

Abstract：?Unmanned vehicles are the trend of the development of the automobile industry. In the past， the unmanned research has adopted the control strategies of fuzzy control， PID control and sliding mode control to ensure the normal running of the vehicle. In this paper， a vehicle vertical control method based on logic switching control is designed by factors such as the speed change of the obstacle in front of the vehicle， the front and rear vehicle distance， etc. The model of logic control is constructed by Simulink， and the simulation is carried out. The state switching and action execution performed by the following vehicle when the vehicle is in different motion states.Keywords： Vertical control;?Multimode switching;?Minimum safe distance;?SimulinkCLC NO.：?U461.6??Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）01-22-05

前言

隨著智能交通行業的發展，無人駕駛車輛的縱向控制策略越來越受到人們的關注，傳統的車輛縱向控制主要是直接控制車輛的速度來改變車輛的運動狀態，從而忽略了道路環境的多變性和復雜性，本文根據前后車的運動情況，將后車的運動情況分為四種模式，在四種模式下進行速度或加速度的控制，從而控制自車的運動狀態。這種控制策略在速度和加速度的控制上會針對不同的模式進行控制，結果更加精確細致。不會因為誤判而影響自車的正常行駛。

1 前后車的運動關系

在無人駕駛中，前后車的運動狀態的關系直接關系到前后車的行車安全，實際道路中遇到的問題相對復雜，本文僅從前后車的速度、加速度、車間距來考慮，得出后車應該采取的操作，從而避免危險情況的發生。

如圖1所示，前后車的車間距分為四個區域，分別為碰撞高危區、碰撞臨界區、行車安全區和雷達探測范圍區以外這四個區域。

如圖所示，D_b為碰撞高危區的臨界點，D_s為行車安全區的臨界點，D_r為前后車實際的車間距離。

在高危碰撞區，后車必須以最大制動加速度進行制動，在其他三個區域，需要根據前后車的速度加速度來判斷后車所要執行的動作。

2 后車四種行車模式及控制策略

設v₁為前車車速，v₂為后車實際車速，v₃為設定的后車的巡航車速，a為后車經過條件判斷之后所要執行的加速度。定義v₃-v₂=v_e1，D_r-D_s=D_e，v₁-v₂=v_e2。

在對前后車運動的分析中，得到后車在行車過程中主要有四種模式并在這四種模式中來回切換，這四種模式分別是：定速巡航模式、跟車模式、接近前車模式和避撞模式。下面來一一分析這四種模式。^[1]

2.1 巡航模式

在此模式下后車車載雷達所探測范圍內沒有障礙物（前車），則本文設定在此種模式下后車將以22.2m/s的速度定速行駛，根據實際速度與規定速度的偏差來進行調整。本文運用PID控制對后車車速進行調整。所建立的PID模型如圖2所示：

2.2 跟車模式

跟車模式下需要保證后車與前車的距離在圖1所示的行車安全區范圍內，這樣既保證了后車與前車的跟馳也保證了后車的行車安全。本文運用模糊控制策略對此種模式進行控制。

當v_e2絕對值較小，D_e絕對值較小時，后車應以較小加速度小范圍的提高或降低車速;

當v_e2絕對值較小，D_e絕對值較大時，后車應以較大的加速度使D_e逐漸趨于零;

當v_e2絕對值較大，D_e絕對值較小時，后車應以較大加速度降低D_e的變化程度;

當v_e2絕對值較小，D_e絕對值較大時，后車應以較大加速度迅速拉開或拉近兩車距離。^[5]

其中D_e=D_r-D_s，v_e2=v₂-v₁

在跟隨前車模式下采用模糊控制來控制后車的加速度。在跟隨前車模式下，由于需要用加速度來調節車速，在考慮舒適性的前提下，規定加速度調節的取值范圍為a∈[-2，2]。跟車模式的siumlink模型如圖3所示：

跟車模式下的模糊控制的隸屬度函數如圖4-6所示：

2.3 接近前車模式

當后車的車載雷達探測到前車，且前后車之間的距離大于D_s時，規定后車在此種情況下要與前車達到跟馳行駛的狀態。

由于D_e大于零，根據運動學推理得到后車在此種模式下所需要的加速度為：

用以上公式來求得后車在此種情況下所需要的加速度，其在simulink中的模型如圖7所示：

上圖中，速度和距離分別由車載傳感器得到，最后輸出即為所需要的后車加速度。

2.4 避撞模式

在此種模式下，分為兩種情況：

①當D_r<D_b時，a=a_max

②當D_B<D_r<D_s且前車的加速度a₁小于跟車情況下所能提供的最小加速度的情況下，則a=a₁。

在此定義a_max。在平直路面上，峰值附著系數一般為0.8，取重力加速度為9.8m/s²，所以得到最大制動減速度的值為a_max=7.84m/s²，在此種模式下的控制策略如圖8所示：

3 四種模式的切換策略

根據前車的運動情況和后車的相應處理方式，本文在相對理想情況下，對后車在不同情況下的切換方式做了如圖9所示邏輯切換流程。

如圖所示，根據前方是否有車、前車的速度和加速度、后車速度和加速度以及后車巡航時的預設速度之間的關系對比分別對應四種模式的選擇，本文在此邏輯框圖的基礎上，運用Simulink建模，將切換邏輯搭建成模型，如下圖所示：

如圖所示，系統的輸入為前后車的速度、加速度、實時車間距、前后車在當前情況下的所需的D_b和D_s以及后車的預設巡航速度。系統的輸出為1、2、3、4四個數字，這是個數字分別為四種模式的邏輯值，其中1對應定速巡航模式，2對應跟車模式，3對應接近前車模式，4對應避撞模式。在輸出這四個邏輯值之后，后續系統將對輸出的邏輯值進行判斷，具體判斷方法以接近前車模式為例，如圖11所示：

如圖所示，采用“if，else”的模式對邏輯值進行判斷，已知接近前車模式的邏輯值為3，前系統必輸出一個數值，此數值與3做差，當且僅當差值為0時，進行后續的系統執行，否則系統停止運算。這樣就完成了整個系統對邏輯值的識別與判斷，以便系統進行下一步的運算。

在計算前后車在當前模式下所需要的D_b和D_s時，本文結合運動學的有關知識，對前后車進行分析得到如下公式，即為D_s：

公式中的字母表示：

v₁表示前車速度

v₂表示后車速度

t₀表示制動器消除間隙所用時間

t₂駕駛員反應時間

a_2max后車最大制動減速度。

行車安全區臨界點D_s的公式為：

其中k為制動系數，一般取1/（2g）。

將以上兩個公式分別在Simulink中搭建模型，連接到控制模塊上，當做控制模塊的輸入。

在上述所有部分完成之后，四種模式的控制模型和四種模式的邏輯切換模型整體的仿真圖如圖12所示：

4 實驗驗證及分析

本文以Simulink為基礎，設置前后車的速度和加速度，當后車正常行駛時候，前車突然從相鄰車道切換到本車車道上來，在這種情況下后車所執行的操作。前后車的速度加速度取值以及后車在該種情況下所應該進入的模式如表1所示：

設置傳感器所探測到的最遠距離為300m，后車在定速巡航時候的速度設置為22.22m/s²。

4.1 巡航模式實驗分析（第一次試驗）

如圖13所示，在巡航模式實驗中，經系統判斷，出現的邏輯值對應為1，表明系統進入巡航模式，由此進入下層的速度控制，如圖14所示。

在巡航模式中，后車的初始速度設為13.9m/s，由上圖可知在1s左右的時候候車就已經達到了巡航的設置速度22.22m/s，說明巡航模式判斷正確且響應速度快。

4.2 接近模式實驗分析（第四次試驗）

如圖15所示，在接近前車模式實驗中，經系統判斷，應出現的邏輯值為3，表明系統進入接近前車模式，由此進去下層的加速度控制，如圖16所示：

在接近前車模式中，由于兩車之間的實際距離大于兩者之間的安全距離，則后車要以保持前后車安全距離為目標接近前車，則經接近前車模式的模糊控制輸出后車的加速度為0.3m/s²，滿足情況要求。

4.3 避撞模式實驗分析（第二次試驗）

如上圖所示為第二次實驗，在避撞模式實驗中，經系統判斷，應出現的邏輯值為4，表明系統進入避撞模式，由此進去下層的加速度控制，如圖18所示。

在這種情況下兩車之間的實際距離為153m，介于安全距離169m和碰撞臨界距離136m之間，所以由上文分析可知，后車輸出的加速度為巡航模式加速度調節范圍的最小值即為-2m/s²，由上圖可知輸出值就是-2m/s²，滿足要求。

由于避撞模式有兩種情況，在另一種情況如圖18所示（第七次試驗）

當前后車的實際距離小于兩車之間的安全距離時，后車要以最大制動減速度減速，由系統計算輸出得到的制動減速度為-7.84m/s²，滿足要求，但是由于兩車的實際距離小于碰撞臨界距離，所以后車在制動的同時還要進行換道等操作避免碰撞。

4.4 跟車模式實驗分析（第六次試驗）

如圖20所示，在跟車模式實驗中，經系統判斷，應出現的邏輯值為2，表明系統進入跟車模式，由此進去下層的加速度控制，如圖21所示：

在跟車模式中，由跟車模式的模糊控制器計算得到后車需要輸出a=-2.64m/s²，的制動減速度以迅速拉開兩車距離，使兩車距離達到安全距離的范圍，滿足要求。

5 結語

本文由前車的運動狀態，以及前車切入后車車道時候前后車實際車距為依據，將后車的運動狀態分為了四種模式，每一種模式后車采取相應的措施，制定了相應的控制策略，并在實驗中得到了驗證，為以后在實際應用中提供了理論基礎，當前車的運動狀態實時變化時后車也能作出相應的應對措施。對無人駕駛車輛的安全行駛有著借鑒意義。

參考文獻

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