基于自適應巡航的車輛主動換道仿真

付 鵬

（襄陽汽車職業技術學院 直屬工業學校，湖北 襄陽 441000）

自適應巡航（Adaptive Cruise Control, ACC）系統是一項舒適性的輔助駕駛功能，為駕駛者提供了一種更輕松的駕駛方式。其成熟的技術有助于在實際的長距離行駛中減少駕駛員操作步驟，輔助車輛行駛過程中更加安全，減少發生交通事故的機率。但是如果遇到前方車輛長時間緩慢行駛，ACC系統只能使得本車在特定車道跟隨前車行駛，影響行車效率，特別是在車流量較嚴峻的道路上，易造成擁堵，能夠進行自主換道的ACC系統將使得車輛向著智能化更進一步，緩解駕駛員工作。

1 自適應巡航控制系統

1.1 自適應巡航控制系統工作原理

ACC系統是一種在傳統巡航控制系統功能的基礎上，盡量少地增加軟硬件設備而開發出更加自主化、智能化的駕駛輔助系統，比較傳統的巡航控制系統工作原理和控制策略，傳統方案是駕駛員設置理想的目標車速，車輛動力系統和制動系統做出響應，使得車輛按照設定車速行駛，而在前方出現障礙物或者與前車行駛距離較近時不能夠主動做出操作，影響行車安全。ACC系統運用智能傳感器技術實時采集前車及自車行駛情況，根據不同情況做出加速或者減速控制使得跟車距離在設定的范圍，使得系統功能更加完善，從而輔助甚至接替駕駛員控制油門踏板和制動踏板，提升駕駛舒適感，通過電子設備的設定，使用該系統可以使車輛在設定的車速和設定的安全車距行駛，合理使用系統可以在安全車速下行駛，保障行車安全。

1.2 基于ACC的主動換道系統

國內外學者對基于主動換道的ACC系統進行了研究，如文獻[1]就在自適應協調巡航控制系統條件下，采用滑膜控制的方法針對道路狀況不明確的情況進行控制，換道過程中一定程度上考慮到行車的安全性和平滑性。文獻[2]研究具有換道輔助功能的ACC多模式控制，在多模式自適應巡航接近前車的工況增設換道輔助策略，改進后的控制策略可以滿足多種模式下自適應巡航控制策略，弱化對車輛換道操作的影響，靈活的控制策略使得車輛更加滿足城市繁雜交通環境下安全舒適的行車。文獻[3]研究基于車輛多種模式切換及主動完成換道的控制策略，達到識別駕駛員換道意圖，為了完成車輛換道控制，首先設計了換道路徑，根據理想換道路徑得出期望的橫擺角，設計滑模控制器跟蹤期望的橫擺角，得到理想的方向盤轉角，實現車輛對換道路徑的跟蹤，從而實現車輛在換道過程中的ACC多模式切換控制。

在ACC系統基礎上，通過從定速巡航控制器延伸到自適應巡航控制系統的方式，適當增強控制器軟硬件，拓寬管理系統控制功能，自適應巡航控制系統無需添加更多的設備即可實現汽車的部分工況下自主行駛等多種延伸控制功能[4]。基于ACC的主動換道控制，通過增加控制器與收集的汽車方向盤旋轉角度信息，及轉向器運行單元信息之間的數據通信，當本車行進的機動車道內未監測到前車時，車輛按照設定的速度定速巡航，當感應器監測到前方有障礙物車輛，根據本車與前車的車距和速度關系判斷下一步操作，若車距大于安全車距，車輛將在保障安全距離的情況下跟隨前車行駛；如果車距小于安全車距，在保障換道目標車道安全的情況下，執行換道指令切換至目標車道，換道成功后分析目標車道環境情況，由前方是否有車，來判斷車輛執行定速巡航或自動跟車巡航操作，其原理如圖1所示。

圖1 基于ACC的主動換道系統工作原理

2 安全距離分析

當ACC自車前方存在車輛時，需要計算出最小安全距離（理想安全距離），當車距小于這一距離時，車輛需要及時反饋信息給ACC控制單元，控制單元立即發出信號給到執行單元進行換道準備，當判斷出可以換道時，進行換道，避免ACC制動距離不夠發生追尾事故，影響行車安全[5]。同時在保障車輛安全性的基礎上，考慮舒適性對車輛的影響，安全距離如式（1）所示，其相關參數如表1所示。

表1 相關參數

在實際應用中，車輛在減速過程中速度線性變化可以提高汽車的乘坐舒適性，為了增強系統的性能特性，故上式中βc為大量數據處理后得到常量，以確保汽車的乘坐舒適性。

3 仿真驗證

3.1 基于CarSim的模型設置

為了保障仿真的真實性，本次選擇國產某品牌兩廂轎車進行仿真實驗，驅動行駛為前輪驅動，發動機的功率為125 kW。

自車基本參數設置完成后，再設置前車模型，將前車設置為TOUR BUS模型，并在前車模型庫里添加自車的動力學模型，同時在自車模型庫里添加前車的模型。仿真路面設置為1 200 m平直道路，路面附著系數為 0.85，帶有虛線中心線的行駛車道[6]。

3.2 仿真結果分析

進行仿真實驗時，設置前車以30 km/h速度勻速行駛，本車與前車的距離為80 m，本車以80 km/h的巡航速度行駛，周圍無其他環境干擾。從圖 2得出雷達測量出自車與前車之間的距離隨著時間變化關系，由于本車車速大于前車設定車速，兩車之間的距離越來越近，當本車與前車小于安全距離閾值時，車輛執行換道指令。換道車道設定為無車輛，前方條件滿足安全行駛條件，車輛繼續以設定車速行駛，前車雖然此時不在本車道內，但是本車在換道過程中丟失目標，當在目標車道內正常行駛一段時間后，前車仍然在雷達的可探測范圍內，圖3中兩車距離變近。

圖2 本車與前車縱向距離

圖3 雷達識別目標

圖4為車輛換道軌跡圖，分析圖像發現車輛跟隨行駛一段距離后開始進行換道，因為此時達到車輛最小安全距離閾值，系統發出指令使得車輛執行換道，整個過程能夠及時順利進行，保障了車輛安全行駛。

圖4 仿真車輛換道軌跡

由圖 5得到了車輛的橫擺角度，其變化率較小，在換道過程中沒有發生較大的橫擺角度變化，橫擺角度變化能夠控制在合理范圍內，由此可以得出基于ACC的車輛主動換道在考慮最小安全距離的前提下可以滿足換道需要。

圖5 車輛橫擺角

4 結論

在ACC系統基礎上，不過多地添加硬件設備，擴展系統主動換道的功能，使得自適應巡航系統功能更豐富、更智能。基于安全距離，分析主動換道在實際場景中的必要性，并建立最小安全車距模型，運用CarSim/Simulink對車距小于安全車距的場景進行仿真，結果表明，采用該模型可以完成主動換道，并保障換道過程的合理性，在一定程度上緩解了駕駛員駕駛強度，保障行車安全。