自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及硬件在環(huán)仿真

黃 鵬，何 通，李世豪

（長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

目前自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)著重單一穩(wěn)態(tài)跟隨工況的研究，然而現(xiàn)實(shí)中交通環(huán)境是多樣和隨機(jī)的，及時(shí)恰當(dāng)?shù)哪Ｊ角袚Q策略對(duì)于自適應(yīng)巡航控制（Adaptive Cruise Control, ACC）系統(tǒng)有著關(guān)鍵意義。文獻(xiàn)[1]為盡可能消除模式切換時(shí)加速度跳變現(xiàn)象，采用加速度加權(quán)平均算法來(lái)減少車輛在模式切換過(guò)程中的抖振，但該方法無(wú)法徹底消除這一現(xiàn)象。文獻(xiàn)[2]提出一種在定速巡航模式下虛擬前車的方法，與常規(guī)模式切換策略相比系統(tǒng)響應(yīng)更加平穩(wěn)。本文上位控制器的設(shè)計(jì)采用線性二次型調(diào)節(jié)器（linear quadratic regulator, LQR），并在虛擬前車方法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了模式切換策略。

硬件在環(huán)仿真測(cè)試可以在實(shí)車測(cè)試前對(duì)控制器進(jìn)行功能驗(yàn)證，對(duì)于開發(fā)周期的縮短和成本的降低均有重要意義。文獻(xiàn)[3]對(duì)設(shè)計(jì)的自適應(yīng)巡航控制器在Matlab/Simulink中建立系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真。文獻(xiàn)[4]對(duì)設(shè)計(jì)的 ACC 系統(tǒng)在 Carsim 和Simulink中進(jìn)行典型工況聯(lián)合仿真試驗(yàn)。文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]對(duì)ACC系統(tǒng)的測(cè)試均在純仿真階段。文獻(xiàn)[5]對(duì)設(shè)計(jì)的考慮車間反應(yīng)距離的 ACC系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)。目前對(duì)于ACC系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真研究較少，本文首先基于 Simulink和 PreScan對(duì)ACC系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真，驗(yàn)證算法的可行性，然后生成代碼并下載到電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU），最后搭建基于dSPACE的硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，對(duì)設(shè)計(jì)的ACC控制器功能進(jìn)行充分驗(yàn)證。

1 自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文采用上、下位控制器模式設(shè)計(jì)了ACC控制系統(tǒng)，圖 1為自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。上位控制器負(fù)責(zé)接收自車車速和傳感器檢測(cè)到的車間相對(duì)距離與相對(duì)速度Δ，首先確定出期望車距、期望車間距誤差Δ，然后通過(guò)狀態(tài)切換策略決定進(jìn)入速度控制模式或距離控制模式，最后LQR控制器根據(jù)Δ和Δ計(jì)算出期望加速度；下位控制器首先根據(jù)上位控制器得出的通過(guò)切換策略決定進(jìn)入驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)模式，進(jìn)而由逆縱向動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算得到期望節(jié)氣門開度和制動(dòng)壓力，最后將和傳入車輛動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)車速和車距的自適應(yīng)控制。

圖1 自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 上位控制器的設(shè)計(jì)

2.1 安全車距的計(jì)算

安全車距決定了ACC系統(tǒng)的跟車距離，安全車距過(guò)小容易造成危險(xiǎn)工況，安全車距過(guò)大容易被旁車道車輛換道插入，意味著跟車效率下降。因此，合理的安全車距能較好地適應(yīng)多變的交通環(huán)境，保證安全性與跟車效率的平衡。

文獻(xiàn)[6]提出了可變安全車距模型

式中，為安全車距；為自車車速；為前車車速；為駕駛員和車輛的反應(yīng)時(shí)間；為最小制動(dòng)減速度；Δ為停車時(shí)兩車安全車距。

具體到車輛，、、Δ均為定值，此處取 0.8 s，取 5.5 m/s，Δ取 3 m。行駛中防止前車因碰撞或其他因素導(dǎo)致車速突變?yōu)?，為保證自車安全性，取為0 m/s，化簡(jiǎn)式（1）得到

文獻(xiàn)[5]通過(guò)車間反應(yīng)距離判斷自車對(duì)目標(biāo)車輛作出反應(yīng)的時(shí)機(jī)

式中，表示車間反應(yīng)時(shí)距。

式中，為定速巡航車速；=2.5 s為設(shè)定的安全時(shí)距，式（3）可化簡(jiǎn)為

在速度控制模式下，當(dāng)目標(biāo)車輛在車間反應(yīng)距離之外時(shí)（＞），不受前車影響繼續(xù)保持駕駛員設(shè)定的巡航車速行駛，當(dāng)車距減小到車間反應(yīng)距離之內(nèi)時(shí)（≤），進(jìn)入距離控制模式。

2.2 LQR控制器的設(shè)計(jì)

最優(yōu)控制是在給定約束條件下，尋求使得系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)到極大（或極小）的反饋控制，ACC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)典型的最優(yōu)控制問(wèn)題。可以用狀態(tài)空間方程來(lái)描述自車與前車之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系

式中，表示狀態(tài)量；表示自車加速度是系統(tǒng)控制量；為目標(biāo)車輛加速度；表示系統(tǒng)擾動(dòng)量。由于rank[]=2滿秩，因此通過(guò)控制系統(tǒng)可控準(zhǔn)則判斷上述系統(tǒng)具有完全可控性。

為了同時(shí)減少理想車距誤差 Δ和相對(duì)車速Δ，引入線性二次優(yōu)化性能指標(biāo)函數(shù)

式中，為狀態(tài)量權(quán)重系數(shù)；為控制量權(quán)重系數(shù)。

以性能指標(biāo)函數(shù)最小為目標(biāo)，最優(yōu)控制為

式中，為狀態(tài)反饋系數(shù)矩陣，=diag[,]。選擇適當(dāng)?shù)臋?quán)重系數(shù)，經(jīng)比較不同值的控制效果最終選取1，6，18，計(jì)算得到0.235 7，0.542。為避免期望加速度過(guò)大超出正常范圍或引起乘員不適，用飽和限制函數(shù)將限制在[0.4,0.3]的范圍內(nèi)。

2.3 狀態(tài)切換策略

在真實(shí)行車環(huán)境中，在各種狀態(tài)之間準(zhǔn)確、平穩(wěn)切換對(duì)汽車安全性和乘坐舒適性具有重要意義。上位控制器控制模式切換流程如圖2所示。

圖2 上位控制器模式切換策略

（1）首先判斷是否檢測(cè)到目標(biāo)車輛，檢測(cè)到目標(biāo)車輛時(shí)==1；

（2）當(dāng)沒(méi)有檢測(cè)到目標(biāo)車輛（==0）或者前車在控制距離之外（＞）或者前車車速大于設(shè)定的定速巡航車速（＞）時(shí)，切換到速度控制模式，此時(shí)設(shè)置一虛擬車輛以設(shè)定巡航車速始終行駛在安全距離位置，即=，Δ=0，Δ=－；

（3）當(dāng)檢測(cè)到目標(biāo)車輛（==1）且位于控制距離之內(nèi)（≤）并且前車車速小于設(shè)定巡航車速（≤）時(shí)，切換回距離控制模式，此時(shí)上位控制器使用傳感器實(shí)際檢測(cè)到的前車信息，即目標(biāo)車輛車速=+Δ，期望車距誤差Δ=；

（4）經(jīng)過(guò)狀態(tài)切換層的決策，將速度差Δ和期望車間距誤差Δ傳入LQR控制器計(jì)算得到期望加速度。

3 逆縱向動(dòng)力學(xué)模型

逆縱向動(dòng)力學(xué)模型由驅(qū)動(dòng)模塊和制動(dòng)模塊組成，實(shí)際制動(dòng)時(shí)應(yīng)首先充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的倒拖、道路阻力和空氣阻力，當(dāng)減速度不滿足制動(dòng)需求時(shí)采用制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)力。在dSPACE車輛仿真模型（Automotive Simulation models,ASM）里進(jìn)行帶擋滑行試驗(yàn)，圖 3為測(cè)出的對(duì)應(yīng)不同車速下的滑行減速度。為避免自適應(yīng)巡航系統(tǒng)在曲線附近位置頻繁驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)切換，破壞乘坐舒適性，設(shè)置厚度為（+）的緩沖層，緩沖層厚度過(guò)小不能解決頻繁驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，緩沖層厚度過(guò)大會(huì)引起系統(tǒng)響應(yīng)滯后，進(jìn)而發(fā)生控制超調(diào)。經(jīng)過(guò)多次驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)跟隨試驗(yàn)，確定出為 0.05 m/s，為 0.1 m/s。

圖3 帶擋滑行減速度

上位控制器將解算得到的期望加速度輸入下位控制器，在對(duì)應(yīng)車速下，當(dāng)≥+時(shí)進(jìn)入驅(qū)動(dòng)模式，當(dāng)≤+時(shí)進(jìn)入制動(dòng)模式，當(dāng)＜＜+時(shí)保持上一狀態(tài)不變。

3.1 驅(qū)動(dòng)控制

進(jìn)入驅(qū)動(dòng)模式后，通過(guò)上位控制器計(jì)算得出的期望加速度求解所需發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，對(duì)應(yīng)扭矩和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在逆發(fā)動(dòng)機(jī)map圖里確定節(jié)氣門開度。

汽車行駛方程式為

式中，為地面制動(dòng)力，由于驅(qū)動(dòng)時(shí)無(wú)制動(dòng)器制動(dòng)力，因此地面制動(dòng)力=0；為驅(qū)動(dòng)力；為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩；為變速器傳動(dòng)比；為主減速器傳動(dòng)比；為傳動(dòng)系機(jī)械效率；為液力變矩器渦輪轉(zhuǎn)速；為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；(/)為液力變矩器轉(zhuǎn)矩特性函數(shù)；為車輪滾動(dòng)半徑；為滾動(dòng)阻力；為滾動(dòng)阻力系數(shù)；為汽車質(zhì)量；為坡道阻力；為道路坡度；為重力加速度；為空氣阻力；為車輛迎風(fēng)面積；為空氣阻力系數(shù)；為空氣密度；為汽車車速（m/s）；為加速阻力；為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；為期望加速度。

聯(lián)立式（12）—（17）得到

圖4為根據(jù)dSPACE車輛動(dòng)力學(xué)模型ASM中發(fā)動(dòng)機(jī)脈譜圖得到的發(fā)動(dòng)機(jī)逆脈譜圖。對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，可以采用二維查表法確定相應(yīng)的節(jié)氣門開度：

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)逆動(dòng)力學(xué)模型

3.2 制動(dòng)控制

進(jìn)入制動(dòng)模式后，通過(guò)上位控制器計(jì)算得出的期望加速度求解所需制動(dòng)力，然后由制動(dòng)系統(tǒng)逆模型得到期望制動(dòng)壓力（單位bar），進(jìn)而控制制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作。

制動(dòng)和驅(qū)動(dòng)是分開動(dòng)作的，此時(shí)節(jié)氣門開度為0，驅(qū)動(dòng)力為0，聯(lián)立式（12）—（17）得到

當(dāng)制動(dòng)力不超出地面附著力時(shí)，可以認(rèn)為制動(dòng)力和制動(dòng)壓力近似呈線性關(guān)系，表示為

式中，為一系數(shù)，由式（20）（21）（22）得到

經(jīng)過(guò)仿真試驗(yàn)，確定系數(shù)=220.34。

4 硬件在環(huán)測(cè)試

試驗(yàn)選用dSPACE公司的SCALEXIO實(shí)時(shí)仿真模擬器，dSPACE自帶高自由度車輛動(dòng)力學(xué)模型ASM。本文選取自適應(yīng)巡航控制器ECU主控芯片型號(hào)為英飛凌SAK-TC234LP-32F200F AB。

圖5為硬件在環(huán)仿真測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)，采用PreScan搭建ACC典型測(cè)試場(chǎng)景，聯(lián)合Simulink、dSPACE進(jìn)行ECU硬件在環(huán)仿真測(cè)試。

圖5 硬件在環(huán)仿真測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)

在PreScan中創(chuàng)建測(cè)試工況，分別設(shè)計(jì)了目標(biāo)車輛跟隨、目標(biāo)車輛切出、旁車低速切入三個(gè)試驗(yàn)。

4.1 目標(biāo)車輛跟隨試驗(yàn)

自車選用ASM中MidSizeCar，試驗(yàn)選取平直道路，設(shè)置自車初始位置（質(zhì)心位置）在原點(diǎn)處，初始車速為 20 m/s，定速巡航車速設(shè)置為30 m/s。前車初始位置（質(zhì)心位置）在50 m處，初始車速為25 m/s，勻速行駛900 m后以-1 m/s的減速度減速至 15 m/s，然后勻速行駛至仿真結(jié)束。試驗(yàn)1結(jié)果如圖6—圖8所示。

圖6 試驗(yàn)1車速變化曲線

圖7 試驗(yàn)1相對(duì)距離曲線

圖8 試驗(yàn)1加速度變化曲線

圖6可見，試驗(yàn)一開始自車識(shí)別出目標(biāo)車輛，進(jìn)入距離控制模式，自車車速逐漸從20 m/s提高到25 m/s。當(dāng)前車突然以-1 m/s的加速度制動(dòng)到15 m/s時(shí)，自車也能及時(shí)制動(dòng)，速度跟隨到15 m/s。

圖7可見，加速跟隨前車階段，相對(duì)距離（自車最前端到前車尾部）逐漸從45.5 m穩(wěn)定到80 m；前車減速后，將距離控制在35 m。

圖8可見，在試驗(yàn)1工況下自車實(shí)際加速度變化趨勢(shì)與理想加速度變化趨勢(shì)基本相同，表明下位控制器具有較準(zhǔn)確的執(zhí)行能力。

4.2 目標(biāo)車輛切出試驗(yàn)

自車初始位置在原點(diǎn)處，初始車速為15 m/s，定速巡航車速設(shè)置為30 m/s。前車初始位置在50 m處，初始車速為25 m/s，勻速行駛至600 m處，換道切出。試驗(yàn)2結(jié)果如圖9—圖11所示。

圖9 試驗(yàn)2車速變化曲線

圖10 試驗(yàn)2相對(duì)距離曲線

圖11 試驗(yàn)2加速度變化曲線

由圖 9可知，自車一開始鎖定目標(biāo)車輛，進(jìn)入距離控制模式跟隨前車，車速由15 m/s逐漸提高至25 m/s。前車行駛至600 m處換道切出，此時(shí)自車?yán)走_(dá)檢測(cè)不到目標(biāo)車輛，模式切換至速度控制，車速逐漸提高到設(shè)定的巡航車速30 m/s。

由圖10可知，加速跟隨前車階段，相對(duì)距離逐漸從45.5 m提高至80 m，前車變道切出后相對(duì)距離跳變?yōu)?，此時(shí)進(jìn)入速度控制模式。

圖11為加速度變化曲線。在試驗(yàn)2工況下自車實(shí)際加速度變化與理想加速度變化趨勢(shì)基本相同。

4.3 旁車低速切入試驗(yàn)

設(shè)置自車初始位置在原點(diǎn)處，初始車速為20 m/s，定速巡航車速設(shè)置為30m/s。前車 1初始位置在80 m處，初始車速為28 m/s，前車1保持勻速行駛，在530 m處，前車2以15 m/s的車速緊急切入自車和前車1之間。試驗(yàn) 3結(jié)果如圖12—圖14所示。

圖12 試驗(yàn)3車速變化曲線

圖13 試驗(yàn)3相對(duì)距離曲線

圖14 試驗(yàn)3加速度變化曲線

由圖12可知，自車一開始進(jìn)入距離控制模式，車速跟隨前車1至28 m/s，在530 m處，前車2緊急切入自車和前車1之間，自車將前車 2鎖定為新的目標(biāo)車輛，進(jìn)入距離控制模式，減速跟隨前車2至11 m/s后加速跟隨，最終自車車速穩(wěn)定在 15 m/s。

由圖13可知，加速跟隨階段，相對(duì)距離從75.5 m逐漸穩(wěn)定至95 m，前車2切入自車車道后相對(duì)距離跳變?yōu)?2 m，采取制動(dòng)后由于前車2車速小于自車車速，相對(duì)距離進(jìn)一步縮小，自車減速至小于目標(biāo)車輛車速后，相對(duì)距離逐漸增大，最終穩(wěn)定在35 m。

由圖14可知，在試驗(yàn)3工況下自車實(shí)際加速度變化趨勢(shì)與理想加速度變化趨勢(shì)基本相同。

5 結(jié)論

硬件在環(huán)仿真測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)目標(biāo)車輛速度變化、前車切出、旁車道車輛低速切入時(shí)，設(shè)計(jì)的基于最優(yōu)控制的ACC系統(tǒng)可以適應(yīng)多變的交通場(chǎng)景，及時(shí)做出正確的決策，在距離控制模式下可以保證安全跟車距離的同時(shí)穩(wěn)定跟隨前車，在速度控制模式下可以平穩(wěn)地跟隨設(shè)定巡航車速行駛。