考慮前車速度變化的全速自適應巡航控制算法設計

胡益波

（上海網車科技有限公司，上海200000）

1 概述

自適應巡航控制（ACC）系統根據傳統巡航控制系統，根據主車輛與前車之間的車輛間運動來自動調節車輛的縱向速度，并保持兩者之間的安全車距。但是，前車的縱向加速度無法通過現有的車載傳感器進行測量，因此應在車距控制算法的設計中明確考慮以提高后續性能。ACC 的出發點是協助和/或更換駕駛員，以保持安全的車距。如何應用和模擬成熟駕駛員的跟隨行為是提高乘客接受度的有效技術方法。本文采用了反饋和前饋控制技術，通過二次有界概念來協調多性能指標。在第2 節中，車輛間運動學模型是基于恒定時間間隔策略建立的系統和多性能指標用狀態和控制輸入表示。在第3 節中，通過二次有界概念設計了反饋和前饋車距控制算法，以計算所需的縱向加速度。在第4 節中，將進行計算機仿真以驗證設計的算法。第5節總結了本文。

2 問題描述

ACC 系統通常包含一個信息感知層，一個決策層和一個控制層。信息感知層獲得本車的狀態和本車前方的道路環境，并確定有效的目標車輛。決策層根據信息感知層提供的信息，確定縱向動力學的控制命令，例如所需的縱向加速度。控制層基于主車輛的縱向動力學跟蹤來自決策層的控制命令。本文集中在決策層，即車距控制算法。

在本節中，將對汽車之間的運動學進行建模，并使用模型的狀態和控制輸入來量化多功能性能指標。因此，所需縱向加速度的決定被轉化為具有狀態和控制約束的前饋和反饋控制器的設計。

2.1 車輛間運動學模型

2.2 多性能指標的量化原理

圖1 前車速度變化前饋+反饋控制器

總之，將所需縱向加速度的決定轉換為具有狀態和控制約束的前饋和反饋控制器的設計。如圖1 所示，控制器包含兩部分：反饋控制器和前饋。反饋控制器實時校正狀態誤差，并精確計算所需的縱向加速度。前饋控制器補償了前行車輛縱向加速度對后行性能的影響，從而有效地提高了ACC 的可預見性。

如圖2 所示，狀態約束構成了汽車的正常駕駛狀態。汽車可到達集合被定義為所有可到達狀態在某個時間從初始狀態開始并接管控制約束集合中的所有控制輸入的集合。反饋和前饋控制器的主要思想是找到一個控制律，以最小的初始狀態下車輛的有界加速度的可達性。

圖2 不變集概念

3 自適應巡航控制算法設計

如前所述，多功能績效指標通過狀態和控制輸入進行量化，指標區域通過狀態和控制約束來表示。期望的縱向加速度的決定已轉化為具有狀態和控制約束的車距控制算法的設計。

為了提高跟隨性能，應該找到與正常駕駛狀態下的初始狀態相對應的最小可到達狀態。因此，正常的驅動裝置應包括在橢圓不變式裝置中，應將其最小化。包含對應于矩陣不等式，如下所示

在上述不等式中，反饋項和前饋項之和是有界的。但是，沒有處理術語大而符號不同的情況。因此，添加了以下約束。

通過推理并求解線性矩陣不等式可以得到所設計控制算法的控制律。在本文中，假定前車的縱向加速度由動力學仿真軟件直接提供。可預見性將通過估算主車輛的縱向加速度進行仿真。

4 仿真測試

在本節中，設計的車速控制算法在兩種運行條件下得到驗證：恒定的前車速和變化的前車速。在Matlab / Simulink 軟件中建立了車頭控制算法，信息感知層和控制層（油門和制動器逆縱向動力學模型）。在車輛動力學仿真軟件中開發了家用乘用車的動力學模型。

為了驗證所設計的算法克服了先前車輛變化的加速度，在以下操作條件下進行了仿真。ACC 車輛和先前車輛的初始速度為80 km / h。本車與前一輛車之間的初始車距為27 m。因此，主車輛最初處于穩定跟隨模式。

實際車輛間距離在預設約束范圍內出現誤差的情況下穩定地跟蹤所需的距離。因此，保證了行駛安全。加速度和加速度的最大值未超過舒適性和經濟性約束范圍。因此，所設計的算法有效地克服了先前車輛的變化速度。

5 結論

通過二次有界概念，在反饋和前饋控制框架下設計了一種協調多種性能指標的仿人車頭控制算法。利用車輛間運動學模型的狀態和控制輸入來量化多性能指標。指標的邊界用狀態和控制約束表示，然后轉換為線性矩陣不等式。在反饋和前饋控制框架下，設計的行進控制算法通過協調前饋控制器的多項性能指標和可預見性來反映駕駛員的追隨行為。仿真結果表明，該指標在各種工況下均位于預設的約束范圍內。因此，改善了ACC 的可接受性和實用性。