車輛自適應巡航控制策略及算法對比分析

苗育西　唐君平

摘 要：本文研究了自適應巡航控制策略及算法，重點分析了巡航控制中模糊控制和PID算法的跟車巡航及定速巡航模式，研究了安全距離的固定距離模式及可變距離模式，最后對所研究的控制策略及算法基于MATLAB/Simulink與CarSim軟件聯合仿真進行驗證，仿真結果表明所研究的控制策略及算法表現良好，符合實際情況，滿足設計要求。

關鍵詞：自適應巡航 控制策略 控制算法 仿真

Comparative Analysis of Vehicle Adaptive Cruise Control Strategy and Algorithm

Miao Yuxi Tang Junping

Abstract：This paper studies the adaptive cruise control strategy and algorithm， focusing on the following cruise and constant speed cruise modes of fuzzy control and PID algorithm in cruise control， and studies the safe distance fixed distance mode and variable distance mode， and finally the control strategy and algorithm studied are verified based on the joint simulation of MATLAB/Simulink and CarSim software. The simulation results show that the control strategy and algorithm studied perform well， conform to the actual situation and meet the design requirements.

Key words：adaptive cruise， control strategy， control algorithm， simulation

1 引言

汽車自適應巡航控制系統（Adaptive Cruise Control system， ACC）是車輛主動執行加速或減速請求，穩定跟車行駛[1]。ACC分為定速巡航、跟車巡航兩種模式[2-4]。

2 控制策略及算法

2.1 自適應巡航控制策略

本文控制策略分為定速巡航、自適應巡航，狀態切換依據駕駛員開關輸入，自車與前車狀態信息等[5]。具體工作流程如圖1所示。

2.2 安全距離控制算法

安全距離控制算法分固定安全距離和可變安全距離，可變安全距離分為固定車間時距CTH（Constant Time Headway）與可變跟車時距VTH（Variable Time Headway）[6]。

1）固定車間時距為：

為兩車安全間距，為自車車速，為設置的車間時距，為自車跟停的最小安全間距。

2）可變車間時距是變化的[7]，由自車車速和行駛壞境決定，為：

，為大于0的常數，得到車間時距跟車速相關，車速要求低于最高車速，即滿足式：

根據實際情況，本文采用可變安全距離[7]算法，得到車間時距：

，，均為大于0的常數，為最大值不超過3s，為自車與前車的相對速度，為：

為前車車速，得到實際距離和安全距離一致，符合實際情況。

2.3 距離控制算法

2.3.1 模糊控制器設計

采用模糊控制算法設計距離控制器，如圖2所示。

2.3.2 控制輸入輸出變化論域

模糊化過程是指將輸入值的數值轉化為模糊語言的過程，需定義基本論域，選擇合適語言變量和隸屬函數，完成模糊化[8]。

設計控制控制模糊論域為，同時距離差值、距離差值變化率、加速度差值、制動壓力基本論域為、、、，量化因子分別為：

模糊語言轉化為數值的比例因子為：

2.3.3 隸屬函數選取及設計

設計模糊規則如表1：

為避免自車加速過程中產生制動力，設計模糊規則如表2。

2.4 速度控制算法

本文速度控制采用PID控制算法，如圖3所示。

3 仿真驗證

3.1 CarSim與Simulink聯合仿真

本文基于CarSim和Simulink聯合仿真驗證控制策略及算法。

3.2 典型工況驗證

3.2.1 安全距離

為驗證安全距離控制算法，設計工況：自車與前車達到跟車穩態，改變穩態時車速，結果如圖4所示。

圖4可知，VHT與CHT安全距離表現一致，可變車間時距與實際相符，滿足設計要求。

3.2.2 定速巡航

設計條件：自車車速為95km/h，前車車速為100km/h，前車與自車縱向距離為200m，結果如下。

從圖5、6知：當前車高速行駛且不在自車距離控制范圍內時，自車定速巡航，滿足設計要求。

3.2.3 跟車巡航

設計條件：自車以95km/h車速定速巡航，前車以80km/h與自車縱向距離70m勻速行駛，仿真結果如下。

從圖7、8知：跟車時距滿足設計要求。

4 結論

研究將模糊控制算法、PID控制算法應用于自適應巡航控制設計中，分析了固定車間距離和可變安全距離算法;基于MATLAB/Simulink與CarSim軟件聯合仿真對控制算法進行分析驗證，得到所研究的控制策略及算法效果。結果表明：所研究的控制算法在定速巡航、跟車巡航表現良好，符合實際情況，滿足設計要求。

參考文獻：

[1]劉海龍.汽車自適應巡航系統控制算法與仿真分析[D].東北大學，2015.

[2]Intelligent transport systems-Full speed range adaptive cruise control （FSRA） systems-Performance requirements and test procedures. GSO2/1/FDS/22179：2012 ISO22179 2009（E）.

[3]李肖含. 汽車自適應巡航控制系統模糊控制策略研究[D]. 北京理工大學，2015.

[4]羅莉華.車輛自適應巡航系統的控制策略研究（交通運輸規劃與管理研究系列）[M]. 上海交大出版社，2013.12.

[5]劉麗華.汽車自適應巡航系統控制策略和仿真驗證[D]. 重慶交通大學，2019.

[6]高紅軍.汽車自適應巡航控制系統模糊控制策略研究[J]. 工程技術（全文版），2016（11）：00237-00237.

[7]劉中海，何克忠.模糊PID控制器在自適應巡航控制系統中的應用[J].計算機工程與設計，2005，26（3）.

[8]劉中海.自適應巡航控制系統設計與仿真[D].北京：清華大學，2005.