智能網聯汽車自適應巡航控制系統仿真研究

賈東明 朱若嶺

（河南交通職業技術學院，河南 鄭州 450000）

0 引言

智能網聯汽車在投放市場前要進行測試，從而確認其性能。但許多涉及汽車安全的新技術，因其研發受到外界環境的影響和試驗安全的制約，難以有效地開展，而真實道路測試效率較慢。目前，很多車企都傾向于選擇自動駕駛仿真測試來測試新技術［1-3］。本研究以MATLAB 軟件為例，進行自動駕駛仿真測試中的自適應巡航控制系統的仿真測試。

1 自適應巡航控制系統

汽車自適應巡航控制（ACC）系統是在L1 或L2級別就要實現的功能，也是更高級別的自動駕駛的基礎性功能［4-5］。其是指汽車在行駛過程中，通過安裝在汽車前部的車距傳感器來識別汽車前方的道路，同時通過速度傳感器來采集主車的車速信號。當主車與前方車輛的間距小于或大于安全車距時，ACC 控制單元通過與制動系統、發動機控制系統（電動汽車為電機ECU）的協調動作，來改變制動力矩和發動機的輸出功率，從而對汽車行駛速度進行控制，使主車與前方車輛始終保持安全距離，避免追尾事故的發生，同時提高通行效率。

汽車自適應巡航控制系統的工作模式有定速巡航模式、減速模式、跟隨模式、加速模式、停車模式和啟動模式等［6］。

①定速巡航模式。定速巡航模式是在主車探測到前方沒有車輛或兩車距離較遠時，按駕駛員設定的車速進行行駛的模式。

②減速模式。當主車探測到同車道前方有車輛，且車輛的行駛速度低于主車速度時，主車將進入減速模式。

③跟隨模式。當主車在減速模式下達到設定的跟車距離后，前車速度依然低于主車設定的最高車速，主車將進入跟隨模式。

④加速模式。在跟隨模式下，當前車突然加速或駛離本車道時，主車將進入加速模式。

⑤停車模式。在跟隨模式下，如果前車降低速度直至停車，則主車也將降低速度直至停車。

⑥啟動模式。在停車模式下，前車突然運行，主車也將啟動運行，并再次進入跟隨模式。

2 自適應巡航控制系統仿真研究

MATLAB 是美國MathWorks 公司研制的商業數學軟件。2017 年，MathWorks 公司又順勢推出了MATLAB 自動駕駛工具箱。

2.1 汽車仿真場景搭建

汽車仿真場景是指在模擬現實世界中，通過各種具體情況而搭建的、專門用于仿真的虛擬場景。在MATLAB 中有三種具體的場景搭建方式，即使用程序搭建的方式、使用圖形化界面搭建的方式、通過場景庫導入的方式。本研究使用場景庫導入的方式來搭建場景，然后生成程序，并分析各條重要指令的作用。

在MATLAB 命令窗口中輸入“drivingScenarioDesigner”指令，從而打開場景設計界面，并通過“Open”指令來打開“Prebuilt Scenario”，從而選擇不同的場景。場景庫分為五個不同的庫，選擇“Intersections”中的“EgoVehicleGoesStraight_BicycleFrom-LeftGoesStraight_Collision”場景。可通過選擇“3D Display”來啟動3D 仿真模塊，點擊“Run”來運行此場景。

從本質上講，導入的場景也是通過程序來運行的，且MATLAB 也提供了場景轉換的程序接口，轉換后的部分程序及指令如下所示。

1 scenario=drivingScenario (′Sample Time′,0.025);

2 roadCenters=[159 24 0;51 24 0];

3 laneSpecification=lanespec([2 2]);

4 road(scenario,roadCenters,′Lanes′,lane-Specification,′Name′,′Road′);

5 roadCenters=[110 79 0;110-30 0];

6 laneSpecification=lanespec ([3 3],′Width′,[3.6 3.6 3.6 3.6 3.6 3.6]);

7 road(scenario,roadCenters,′Lanes′,lane-Specification,′Name′,′Road1′);

第1 條指令是用來構建駕駛場景的指令，第2條和第5 條指令是用于構建駕駛場景中兩條道路中間位置的指令，其中線坐標分別為x1=159、y1=24、z1=0，x1′=51、y1′=24、z1′=0 和x2=110、y2=79、z2=0，x2′=110、y2′=-30、z2′=0。兩條中線相互垂直的兩條路，即普通的十字路口。第3條和第6條指令是用來確定車道數量的指令，第3 條指令用于生成雙向各兩條的車道，第6 條指令用于生成雙向各三條的車道，只是第6 條指令在生成車道的同時，也指定了車道的寬度為3.6 m。第4 條和第7 條指令是最終生成車道的指令，包括場景名稱、車道中線、車道數和車道名字等參數。通過以上指令，可在場景中生成相互垂直的兩條道路，且一條道路是四車道，另一條道路是六車道。

2.2 自適應巡航控制系統模塊

在MATLAB 中，simulink 的Adaptive Cruise Control System 模塊是專門為自適應巡航仿真而設計的模塊。該模塊有5 個輸入和1 個輸出，5 個輸入分別為主車的設定速度、安全時間間隔、主車車速、與跟蹤車輛相對距離、與跟蹤車輛相對速度。此外，該模塊還可根據前車的行駛情況來自動調整主車的行駛速度以及與前車的距離。在滿足ACC 最基本要求的同時，通過模型預測算法來進行最優控制。

使用simulink 建立的仿真模型如圖1 所示，模型分為3 個部分，分別是目標車輛模型、感應數據模型和主車模型。其中，主車模型除了有車輛模型外，還有自適應巡航控制系統模塊。

圖1 自適應巡航控制系統仿真模型

參數設定如下，仿真時間為100 s，仿真步長為0.1 s，目標車輛初始位置為50 m，初始速度為25 m/s，主車初始位置為10 m，初始速度為20 m/s，巡航車速設定為30 m/s，間隔時間為1.4 s。仿真結果如圖2所示。

圖2 仿真結果

由圖2 可知，剛開始時，目標車輛和主車距離較遠，主車全速加速前行。在3～10 s 內，主車的加速度降低，這是為了保持與目標車輛的安全距離。10 s 后，目標車輛與主車的車速雖然都有所增加，但均保持安全距離。在13 s 左右，兩車的實際距離大于安全距離，這是因為目標車輛的速度雖然在增加，但主車已達到設定的速度（30 m/s），所以主車處于定速巡航階段。15 s 后主車的速度開始降低，但基于二者的安全距離足夠，所以主車并未減速，仍定速行駛。隨著目標車輛的車速不斷降低，為了保持安全距離，主車的車速也開始降低。當目標車輛速度提升時，主車速度也隨之提升，并進入循環狀態。在整個控制過程中，實際相對距離始終大于安全距離，且當實際距離大于巡航設定車速和間隔時間乘積后，主車便以設定好的速度（30 m/s）定速巡航。

3 結語

智能網聯汽車在進行實車測試前都要進行仿真測試，仿真測試具有非凡意義。本研究先介紹了智能網聯汽車的概念及自動駕駛的分級情況。通過MATLAB 來構建仿真場景，并說明場景構建時所用到的各種指令及其作用。最后介紹了自適應巡航系統的作用及工作原理，并通過MATLAB 自適應巡航控制系統模塊的應用，進行自適應巡航系統的仿真測試。