重型商用車預見性自適應巡航控制策略研究*

李興坤，鄭旭光，王國暉，王玉海

（1. 中寰衛星導航通信有限公司，北京 100094；2. 吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130000；3. 吉林大學青島汽車研究院，青島 266000）

前言

高級輔助駕駛系統（advanced driver assistance systems，ADAS）是發展較為成熟的技術之一。重型商用車主要承擔長途運輸任務，目前商用車定速巡航控制系統（constant cruise system，CCS）已廣泛使用，而我國地形以山地、丘陵居多，起伏的道路勢必導致車輛為保持車速帶來轉矩變化，造成燃油消耗的提高，燃油經濟性變差。較高的燃油消耗量使物流運輸成本提高，降低燃油消耗成為商用車領域主要研究方向之一。因此，研發高效、節能、安全、舒適的商用車巡航控制系統勢在必行。

20 世紀40 年代，Ralph Teetor 發明了第一款“定速巡航”系統。20 世紀60 年代Diamind 提出了最早的自適應巡航系統雛形，通過控制主車與前車的車距，提高駕駛安全性，彌補了定速巡航安全性方面的不足。在政府的推動下，科研機構加大對自適應巡航的科研投入，自適應巡航控制系統有了突飛猛進的發展。文獻［4］～文獻［6］中考慮車間安全時距，設計了分層控制器實現了不同工況下車輛的自適應跟車控制。但是目前的自適應巡航系統只考慮了安全性與舒適性需求，沒有考慮車輛燃油經濟性。近年來，隨著節能減排意識的提高，經濟性巡航方式迅速發展。經濟性駕駛技術的節油潛力可達15%以上，集成現有硬件、算法實現“人—車—路”之間的協同與實時優化，為巡航經濟性提供了支持。王建強等搭建車輛油耗模型設計了基于前方道路的車輛節油控制系統，實現了車輛5%的節油效果。Zhuang 等設計了考慮道路坡度的分層能量控制系統，實現了電動汽車的安全跟車控制同時降低了電池能量損耗。董昊軒等采集實際道路信息，結合道路限速實現了距離域上全程優化問題的分段滾動優化。Ozatay 等利用云端求解最優速度控制序列，可以有效降低5%-15%油耗。Ye 等考慮周圍環境其他車輛，基于數據驅動算法預測前車運動狀態，優化主車車速降低燃油消耗。但是目前的巡航經濟性設計考慮的因素過于單一，只完成了在仿真層面的優化設計，實際應用中可能無法適應真實道路環境，造成不可估計的危害。

為減少燃油消耗、降低駕駛員駕駛疲勞，利用車載ADAS 地圖，基于前方道路坡度重構，結合道路限速，設計了預見性巡航控制系統（predictive cruise control system，PCC）并實現了批量測試。相比于定速巡航控制系統，該系統利用道路重力勢能，實現了車路協同的變速巡航，降低了燃油消耗率。但是，在巡航過程中難免會遇到前車阻礙主車巡航情況的發生，主車非預期的減速制動行為會導致巡航中斷，同時造成了非預期的燃油消耗。

本文針對預見性巡航控制系統的不足，提出了預見性自適應巡航控制系統（PACC），首先協同主車車速、前方道路坡度、前車位置和運動狀態信息，減少了PCC 系統非預期制動行為。其次，提出了基于PCC 系統的巡航模式轉換策略，對比傳統自適應巡航，在充分利用重力勢能情況下降低了燃油消耗。考慮了前方路網環境對跟車間距的影響，建立了基于前方路網環境及可變期望車間距的安全距離模型，建立了分層PACC控制策略，進行實車驗證。

1 PACC系統概念

PACC系統實現了車輛縱向自動控制，實現了無危險環境下的預見性巡航及有碰撞風險下的預見性自適應巡航。預見性巡航算法結合前方道路環境規劃車輛發動機轉矩，降低燃油消耗。穩定的預見性巡航控制系統是保證PACC 系統穩定運行的關鍵，在周圍環境無危險目標時控制車輛運行，是提高PACC 系統燃油經濟性的關鍵算法。預見性自適應巡航算法保證車輛在受前車干擾時仍保持良好的巡航性能，提高系統穩定性和駕駛舒適性。

本文中設計了PACC 系統分層控制器，如圖1所示。上層控制器通過感知周圍環境信號及駕駛員駕駛意圖實現了PACC 系統策略轉換，求解主車期望加速度。下層控制器根據車輛縱向動力學控制理論和發動機MAP 圖，計算發動機期望轉矩，考慮主車傳遞效率、響應速度等情況下，使車輛能快速準確地響應發動機轉矩，準確控制主車運動狀態。

圖1 PACC系統分層控制器

2 上層控制器

PACC系統上層控制器獲取算法必要的參數，包括地圖數據、雷達數據、駕駛員駕駛意圖等，通過路網重構算法將道路分段減少迭代次數，減小系統計算壓力。判斷兩車相對運動狀態關系，選擇合適的巡航模式，計算主車期望加速度，在保證安全車間距的基礎上使主車以更經濟、更舒適方式行駛。

2.1 基于車間距的模式切換策略

傳統ACC 系統在跟車過程中以前方車輛運動狀態為目標，跟隨前車加速、減速，直到前方車輛駛離轉換為傳統定速巡航模式。在跟車過程中主車頻繁的加速、減速行為勢必會導致燃油消耗量的增加。在前車駛離過程中，主車會一直加速到設定車速，沒有考慮前方地形對主車未來車速的影響，導致未來道路出現下坡主車車速過大，一方面造成不必要的加速行為，另一方面也會影響駕駛舒適性與安全性。本文基于可變車間距提出了PACC 系統模式切換策略，圖2為PACC系統模式切換策略示意圖。

圖2 PACC系統模式切換策略

PACC 系統整個巡航過程分為預見性巡航模式和自適應巡航模式，自適應巡航過程中，車間距小于極限跟車距離時系統報警處理。系統依據兩車相對距離在兩種控制模式中切換。

式中：為兩車制動停車時的極限最小距離；為巡航模式標志位，1 為預見性巡航模式，2 為跟車模式，3為報警模式。

當相對距離大于極限跟車距離或沒有危險目標（設置相對距離為200 m）時，主車沒有碰撞危險，以保證時效性與燃油經濟性為主，系統進入預見性巡航模式。

當系統判斷有碰撞風險的發生或兩車車間距過小時，依據距離域分別進入跟車控制模式或報警模式。

2.2 預見性巡航經濟車速規劃

預見性巡航算法對前方2 km 道路坡度進行重構，并基于路網重構建立了滾動優化算法，在保證車輛和駕駛員安全的前提下，通過控制算法，模擬最優秀駕駛員的駕駛行為，根據路網重構后坡度信息，求解車輛前方道路上最優的轉矩輸出和擋位，控制發動機使其工作在燃油經濟性最優轉矩，對車輛車速進行調節，從而實現基于前方路網重構的最優控制。預見性巡航算法會在上坡之前計算出一個目標速度以及確定該段道路發動機轉矩，使車輛在上坡之前進行加速，同時最大限度減少換擋次數。在接近下坡時預測前方道路的坡度及其節約燃油的潛力，如果預測的坡度過大車輛會先減速，車輛將會以帶擋滑行方式進行行駛，這樣避免了不必要的制動，提高了系統燃油經濟性。圖3 為PACC 系統路網重構算法示意圖。

圖3 PACC系統路網重構算法示意圖

預見性巡航經濟車速滾動優化過程如下：

步驟1，系統讀取前方2 km 道路坡度，依據每段道路坡度將道路重新歸類。

其中：++=

式中：為道路分類；為車輛上坡極限角；為車輛下坡極限角；S為分段道路距離；α為分段道路坡度；為分段道路集合。

步驟2，合并連續同類道路，重構該段道路坡度。

步驟3，設置轉矩限制、速度限制等邊界函數，保證系統穩定及車輛安全。

式中：（+）為車輛發動機在+段道路轉矩；與分別為系統允許最小轉矩與最大轉矩；（+）為車輛在+段道路加速度；與分別為系統允許最小加速度與最大加速度；（+）為車輛在+段道路車速；與分別為系統允許最小速度與最大速度。

步驟4，依據重構后坡度，將車輛從段道路轉移到1 段道路油耗作為最終目標，規劃發動機最優轉矩。

式中：為油耗函數；為分段油耗；（+）為第+段道路預見性經濟車速，本文選用=2，求解最優速度序列（）、（+1），依據重構后的道路類型，選擇車輛的行駛方式，計算行駛轉矩。

步驟5，車輛在段道路按計算轉矩行駛。

步驟6，車輛轉移到+1 段道路時，重新計算車輛發動機最優轉矩。

預見性巡航經濟車速為PACC 系統提供了無危險環境下的經濟行駛車速，為動態跟車算法的開發提供了參考車速，為動態跟車算法節油方面提供理論支持。

2.3 跟車控制算法

車間距處于極限跟車距離與區間時，系統進入跟車控制，此時系統以保證安全性為主，同時考慮燃油經濟性。自適應巡航核心為安全距離模型的確定，本文中提出了基于前方道路坡度的自適應車間距模型，基于該模型確定了兩車相對運動關系模型，該運動關系模型表述了兩車相對距離、相對速度及主車的運動狀態，狀態方式表達式如下：

式中：Δ為兩車相對距離誤差；為兩車相對距離；為期望車間距；Δ為相對速度誤差值；為兩車相對速度；Δ為主車加速度偏差；為主車加速度；為主車期望加速度。系統的兩車相對距離、相對速度由毫米波雷達直接獲取，通過卡爾曼濾波算法減小噪聲擾動。

當前車阻礙巡航工況時，PACC系統以自適應車間距跟車行駛，自動與前車保持一定的安全距離。安全距離模型極大程度上影響了巡航系統的舒適性、安全性和駕駛員可接受程度，合適的間距控制策略可以使系統平滑的進行模式切換。自適應車間距為以期望車間距為基礎的可變化量，期望車間距與前車狀態和前方坡度相關。當上坡時，前車減速會導致兩車車間距變小，系統預見主車未來減速行為，期望車間距允許變小，主車可以避免碰撞風險同時積蓄較大的動能上坡；下坡時，期望車間距變大，主車可以提前降低轉矩減小車速，防止下坡過程中發生超速等危險情況，避免不必要的制動行為，減少燃油消耗。期望車間距模型如下：

式中：為設定車間時距；為目標車車速；為制動停車時兩車最小距離；為設定車間距偏移量；i為目標車位置道路坡度；、分別為上坡與下坡的坡度適應系數。

基于期望車間距設置了極限跟車距離與為

式中：與分別為極限跟車距離與的緩沖區間。

預見性自適應巡航控制算法考慮前方路型，并依據不同的路型劃分情況規劃主車在未來道路中的車速，保證駕駛安全，提高燃油經濟性。本文以預見性巡航經濟車速為基礎，設計了考慮經濟性與安全性的預見性自適應巡航車速，選用前車車速與預見性經濟車速較小值作為預見性自適應巡航目標車速，防止主車跟隨車前加速過大造成不必要的燃油消耗浪費，目標車速模型如下：

主車首先趨近于期望車間距，控制主車轉矩保持兩車相對距離及相對速度穩定。由于前車不可控性及毫米波雷達測量的數據存在測量噪聲，兩車相對速度不可能長時間保持為0，兩車相對距離也不可能保持絕對的期望車間距，為減少系統波動，提高系統穩定性，當主車到達設定車間距后，與區間為跟車距離域，在該距離域內視為主車到達預期的自適應車間距。

3 下層控制器

PACC下層控制器輸入量為期望加速度，輸出量為發動機轉矩，區別于傳統巡航系統，為最大程度上保證駕駛員可以隨時完全控制車輛，PACC系統不控制車輛節氣門及制動裝置，對發動機轉矩進行直接控制，減少了中間傳遞裝置，提高系統的響應速度與準度。

建立車輛縱向動力學模型，汽車縱向動力學行駛方程式為

式中：為驅動力；為行駛阻力之和；為汽車旋轉質量換算系數；為汽車整車質量；為車輛速度；為時間。

驅動力可表示為

式中：為發動機轉矩；為變速器傳動比；為主減速器的傳動比；為汽車傳動系傳動效率。

式中：為道路坡度；為重力加速度；為摩擦阻力系數；為空氣阻力系數；為迎風面積；為主車車速；為摩擦阻力；為坡道阻力；為空氣阻力。

因此，車輛逆縱向動力學模型可表示為

下層控制器通過車輛逆縱向動力學模型計算車輛當前所需轉矩，控制發動機按計算轉矩運行，使系統按計算速度序列行駛，降低燃油消耗，保證車輛安全。

4 實車試驗

4.1 試驗車輛與裝置

為驗證PACC 系統的有效性，本文中建立一汽解放JH6 手動擋載貨車實車試驗平臺，試驗車輛如圖4 所示，試驗車輛基本參數見表1，試驗道路為青島某段高速公路，如圖5 所示?；谙到y性能要求及試驗需求，安裝預見性自適應巡航控制系統所需硬件，主要包括：車載VCU、T-BOX、整車線束、毫米波雷達等。試驗時對車輛加載試驗載質量塊，使車輛達到滿載狀態。在不同工況下對該系統進行試驗分析，分別對預見性巡航算法節油性、舒適性效果及預見性自適應巡航舒適性、安全性效果進行評價。

圖4 PACC系統試驗車輛JH6

圖5 PACC系統實車試驗道路

表1 JH6主要參數

4.2 試驗結果

為驗證該系統的節油效果，減少過多不可控變量對實驗結果的影響，對無車環境下預見性巡航算法進行實車試驗，巡航車速設定為75 km/h。

圖6為PCC試驗道路坡度與路網重構后坡度。

圖6 PCC試驗路網重構坡度

整個試驗過程路網重構算法將道路實際坡度重新分段組合，將多段坡度不同路型整合為一段同等坡度路型，有效降低了前方道路分段數量，減少了預見性巡航算法的迭代次數，延長了預測距離，保證系統可以實時有效地迭代計算經濟車速，保證系統的穩定運行。

圖7為PCC試驗控制效果曲線。

圖7 PCC試驗控制效果曲線

預見性巡航過程中，經濟車速與實際車速依據道路坡度大小在設定車速附近波動，車輛在上坡之前提前加速積蓄能量，下坡之前避免加速行為，防止下坡過程中的超速及減速行為，避免非必要的能量損耗。上坡前車輛提前加速積蓄能量，沖坡過程車速降低，下坡前提前減速，依靠重力勢能加速，使巡航車速趨近設定車速。整個加速減速過程充分利用動能與重力勢能轉換，減少了能量損耗。

該系統在預見性經濟巡航過程中，發動機轉矩為分段恒轉矩，根據路網重構后的道路坡度預測車輛車速，計算發動機轉矩，上坡路段前發動機提高轉矩，車輛加速；到達下坡路段前，發動機提前降低轉矩，控制車速在下坡過程中處在合理范圍內，避免了車輛頻繁的加速減速行為，降低燃油消耗，同時保證車輛行駛穩定性，提高車輛駕駛舒適性。

該試驗過程車輛百公里油耗約為20 L，通過與大數據統計同道路熟練駕駛員燃油消耗量（約為22 L）對比，PCC 控車節油量約為8%。經大數據統計，預見性巡航經濟車速算法在全國范圍內已完成累積超過130 萬km 的道路測試，與熟練駕駛員相比綜合節油率可達到6%～8%。

為驗證跟車過程中系統功能，設定較高的巡航車速90 km/h，選取某車速較低車輛做跟車控制實車試驗。

圖8 為PACC 實車試驗控制效果曲線。區別于傳統ACC 系統，由于該系統允許兩車相對距離在一定范圍內波動，兩車相對車速與相對距離波動較大，但仍在安全范圍之內。圖9 為PACC 試驗主車發動機轉矩。

圖8 PACC實車試驗控制效果曲線

圖9 PACC試驗主車發動機轉矩

由PACC 實車試驗控制效果曲線與主車發動機轉矩可以看出：

（1）0 處，前車車速小于主車車速且道路為下坡，兩車相對車速較小，主車發動機轉矩為0，主車車速降低，兩車相對車速由-2 m/s 向0 趨近，相對距離趨近設定跟車距離；

（2）400 m 處主車車速趨近于前車車速，兩車相對車速保持0 附近波動，相對距離由于車速波動在允許范圍內緩慢增加；

（3）1 700 m 處兩車相對距離超過最大跟車距離，前車為加速狀態，車速持續增加，此時主車沒有碰撞風險，主車以不超過前車車速的巡航車速行駛；

（4）2 300 m 處前車減速，系統判定主車存在碰撞風險，但該處為上坡路段且坡度減緩，前車未來存在可能的加速行為，且車輛需要保持較大的動力上坡，主車以較小的減速度減速，相對距離趨近車間距，到達安全車間距時前車仍為減速狀態，主車降低轉矩以較大的減速度減速，前車加速后，調整主車轉矩以較小的減速度減速，直至兩車車速相同。

預見性自適應巡航控制系統基于JH6 重型商用車試驗平臺，已完成超過1 萬km 的實車道路測試。試驗證明：主車巡航狀態受前車運動狀態及道路坡度影響，主車依據前車車速及道路坡度調整巡航車速，兼顧經濟性與安全性，保證車輛及駕駛員安全，降低了燃油消耗。整段道路主車保持穩定巡航，控制兩車相對距離在設定跟車距離附近波動，符合駕駛員心理接受程度，使車輛可以穩定跟車，同時有效避免了旁車匯入，提高巡航連續性。

5 結論

（1）針對高速路環境節能需求，設計了預見性自適應巡航控制系統，可以有效控制車輛的縱向自動駕駛，實車試驗表明，設計的無危險環境下的預見性巡航經濟車速算法可以控制車輛提前加速、減速行為，與熟練駕駛員相比綜合節油率可達到6%～8%，有效的提高了商用車的燃油經濟性；

（2）巡航過程中遇見潛在碰撞目標時，該系統可以控制車輛穩定跟車，通過可變期望車間距算法實現了主車的變速變矩跟車控制，有效保證了安全性的同時提高了駕駛舒適性；

（3）預見性自適應巡航控制系統已完成累積超過1 萬km 的道路測試，該系統達到了預期的設計目標，實現了無危險環境下的經濟駕駛及碰撞風險下的動態跟車，在各種工況下均能保持良好的穩定性與適應性。