基于CarSim自適應巡航控制建模與仿真

萬雄　彭憶強　鄧鵬毅　楊麗蓉　毛攀

摘 要：文章首先利用模糊法則建立能夠反映駕駛員反應時間的隸屬度函數，并根據制動過程理論建立安全距離模型，通過安全距離模型建立期望加速度模型。然后分別建立加速和制動模型，在此基礎上制定控制模式轉換策略，基于PID算法設計巡航控制器。最后在Matlab/Simulink和CarSim聯合仿真環境中驗證所設計的控制系統的有效性。關鍵詞：模糊法則;安全距離模型;模式轉換策略;巡航控制中圖分類號：U467.1 ?文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）02-25-04

Abstract： The membership function that can reflect the driver's reaction time is firstly established by using the fuzzy rule， and the safety distance model is established according to the braking process theory， and the expected acceleration model is established through the safety distance model in this paper. Then the acceleration model and the braking model are established respectively， based on which the control mode conversion strategy is formulated， and the cruise controller is designed based on PID algorithm. Finally， the effectiveness of the designed control system was verified in the Matlab/ Simulink and CarSim co-simulation environment.Keywords： Fuzzy rule; Safety distance model; Pattern switching strategy; Cruise controlCLC NO.： U467.1? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）02-25-04

引言

自適應巡航控制系統隨著人們對于安全和智能駕駛的關注越來越受到關注。它通過監控車輛行駛狀態實時控制智能車與其它車之間安全距離，從而很大程度減輕駕駛員的駕駛負擔，提升駕駛的安全性。因此為了能夠實現上述目的，本文在文獻^[1]的基礎上，建立起能夠綜合反映駕駛員反應時間的隸屬度函數，進而建立準確的安全距離模型，并制定巡航控制策略，最后在仿真環境中對所建立的模型與策略進行驗證，得到較好的效果。

1 安全距離模型

1.1 駕駛員反應時間

駕駛員反應時間影響因素眾多，主要有速度、駕齡、應變能力和生理狀態等^[2]，本文根據葛如海等人的文獻，把駕齡、應變能力和生理狀態加權做為綜合指標值，把速度做為另一指標值，建立能夠反映駕駛員反應時間的模糊隸屬度函數。設駕駛員的綜合指標值為y，車速為v，駕駛員反應時間為t，通過模糊化處理可以設置三個變量的模糊子集均為[PS、PM、PL]，依次分別為正小、正中、正大。隸屬度函數均采用三角形隸屬度函數，相應的模糊隸屬函數如圖1-圖3，建立模糊推理規則見表1。

1.2 安全距離模型

車輛在道路上進行巡航行駛時，需要實時通過信息采集系統測量車輛的行車信息，控制器根據采集到車輛信息進行處理，計算出當前的安全距離，并與采集到后車與前車或前方目標之間的相對距離進行對比，判斷后車的安全狀態^[3]。目前國內外存在各種各樣的安全距離模型，本文采用較為成熟的基于車輛制動過程的安全距離模型。

2.3 加速模型

當車輛處于穩態工況時，不同速度下車輛達到不同加速度對應著不同的節氣門開度值，在CarSim中進行仿真工況模擬，以不同車速進行測試，測出車輛在各個車速下極限加速度的節氣門值，在Simulink二維查表某塊中建立車輛在各個車速和加速度下發動機節氣門開度，其節氣門開度特性如圖4所示。

2.4 控制模式切換

車輛在實際道路行駛中，制動和油門控制是分開動作的，兩種動作不可以同時操作。為了避免加速控制和制動控制之間高頻率的切換，定義了加速/制動切換的判斷公式如下：

2.6 系統整體模型

在Carsim中分別搭建好前車與后車的車輛縱向動力學模型。雷達系統將探測到的后車信息和前車信息傳遞給行車間距控制系統，此控制系統根據安全距離模型計算出后車車輛期望加速度，此期望加速度經過PID控制器調節后，輸入給車輛動力學系統，車輛動力學系統基于此加速度輸出期望的制動壓力和節氣門開度，并將此值傳給制動及節氣門控制系統，此系統輸出相應的制動力及節氣門開度給后車動力學系統，進行制動及加速控制，實現后車自適應的巡航作用。控制系統原理圖如圖5所示。

3 仿真分析

為驗證所建立的控制策略的有效性^[5]，利用Matlab/ Simulink與CarSim進行聯合仿真，自適應巡航控制系統仿真模型如下：

在Carsim中設置道路為1200m，兩車道，向東直路，仿真時間設為80秒。設置兩車的相對位置，車速和前車的制動工況。

設定自車在仿真道路工況的原點，前車位于自車正前方50m的位置，設置后車初始速度為0km/h，前車初始速度為40km/h，在仿真開始40s時，突然對前車主制動缸施以10Mpa的制動壓力，前車能夠以地面提供的最大制動減速度減速停止。運行建立的系統整體仿真模型，可以得到兩車速度曲線，車間距曲線，位移曲線分別如圖7、圖8、圖9所示。

從圖7可以看出，前車在加減速的同時，后車車速也隨著前車的車速自動進行調整，當前車減速時，前后車車距減小，后車能做出相應的減速措施以防追尾;當前車加速時，車距逐漸增大，后車隨后能加速跟隨前車運動。從圖8可以看出，實際車距也能自動的跟隨前車自動的發生變化，并且兩車停車后的實際間距和期望的間距一致。

從圖9位移曲線可以看出后車停在前車后方大約5m的地方，實際距離和期望距離基本一致，避免了兩車相撞，說明此控制策略的有效性，同時也說明此自適應巡航控制系統具有較好的適用性。

參考文獻

[1] 葛如海，張偉偉.基于隸屬函數的高速公路安全距離模型研究[J]. 中國安全科學學報（10）：101-105.

[2] 祝菲菲.基于毫米波雷達定位的汽車三維防碰撞算法研究[D].蘭州理工大學，2017.

[3] 張雪峰.汽車主動防撞控制系統控制方法研究[D].江蘇：江蘇大學， 2017.

[4] 王熔熔，李朋.基于模糊控制的汽車避撞系統建模與研究[J].公路與汽運，2012（02）：9-15.

[5] 李印祥.汽車主動制動/轉向避障控制系統研究[D].合肥工業大學， 2018.