引入駕駛風(fēng)格系數(shù)的跟車控制優(yōu)化策略

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)巡航控制；駕駛風(fēng)格系數(shù)；仿真驗(yàn)證

0前言

自適應(yīng)巡航控制（ACC）系統(tǒng)作為智能輔助駕駛系統(tǒng)的核心模塊，目前已成為眾多汽車制造廠商研發(fā)和應(yīng)用的熱點(diǎn)。不同的汽車駕駛者在不同的道路、不同的狀況下往往表現(xiàn)出不同的駕駛習(xí)慣，但現(xiàn)有ACC 系統(tǒng)更注重行車安全性，往往忽略了汽車駕駛者的主觀感受，導(dǎo)致雖然ACC 系統(tǒng)的車輛裝載率高，但是實(shí)際使用率低的現(xiàn)狀。

傳統(tǒng)ACC 系統(tǒng)跟車控制策略總體上分為固定間距策略和可變間距策略。傳統(tǒng)ACC 系統(tǒng)大多采用經(jīng)典的比例-積分-微分（PID）算法，具有對(duì)硬件要求低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及成熟等優(yōu)點(diǎn)［1］。苑風(fēng)霞等［2］通過模糊預(yù)測(cè)控制算法，設(shè)計(jì)了一種分層控制器，以提高汽車駕駛舒適性和安全性。江忠順等［3］通過改進(jìn)PID 算法設(shè)計(jì)速度跟車和距離跟車模型，并通過仿真驗(yàn)證了ACC 系統(tǒng)的有效性和安全性。隨著汽車向智能化方向的不斷發(fā)展，汽車駕駛者也越來越注重駕駛的舒適性感受，因此，考慮駕駛風(fēng)格差異的影響，并將其融合到ACC 系統(tǒng)中，可有效提高汽車駕乘的體驗(yàn)感。目前，將駕駛風(fēng)格系數(shù)引入到ACC 系統(tǒng)的研究較少。李傳海等［4］提出了基于駕駛風(fēng)格的自學(xué)習(xí)算法，使得汽車ACC 過程更加符合人的駕駛風(fēng)格。李奎良等［5］提出基于模糊邏輯融合駕駛風(fēng)格的控制策略，可有效提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

為改善ACC 系統(tǒng)現(xiàn)有的弊端，本文通過不同群體駕駛員風(fēng)格差異的調(diào)查，在傳統(tǒng)的ACC 系統(tǒng)中引入駕駛風(fēng)格系數(shù)，提出一種可變車頭時(shí)距（VTH）優(yōu)化策略，并基于Matlab/Simulink 軟件和CarSim 軟件的聯(lián)合仿真平臺(tái)，開展典型跟車工況場(chǎng)景的仿真驗(yàn)證。

1引入駕駛風(fēng)格系數(shù)的跟車控制策略

本文提出的ACC 跟車控制策略主要架構(gòu)由上、下層控制器組成，如圖1 所示。上層控制器主要通過車車通信（V2V）、車路協(xié)同（V2I）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、雷達(dá)，以及各種傳感器信息獲取前車車速、實(shí)際車間距、本車車速、本車駕駛員綜合風(fēng)格評(píng)分，計(jì)算出實(shí)際車間距和期望車間距，決策本車的期望加速度；下層控制器通過逆縱向動(dòng)力學(xué)模型，求解出本車加速度、制動(dòng)踏板開度，并由動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行響應(yīng)，得到本車實(shí)際車速，同時(shí)將踏板信號(hào)、車速信號(hào)等輸入駕駛風(fēng)格綜合識(shí)別模型，綜合評(píng)估出駕駛員駕駛風(fēng)格。ACC 跟車控制策略中引入的駕駛風(fēng)格綜合識(shí)別模型，參考LIANG 等［6］提出的方法，將實(shí)際加速度輸回模型進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，加快誤差收斂，由此提升系統(tǒng)響應(yīng)精度。

綜合考慮算法的復(fù)雜性與快速性要求，在YANAKIEV 等［7］改進(jìn)的可變車頭時(shí)距（VTH）策略的基礎(chǔ)上，融合駕駛風(fēng)格綜合識(shí)別模型的評(píng)估結(jié)果，提出了基于駕駛風(fēng)格系數(shù)的VTH 優(yōu)化策略，表達(dá)式為：

2仿真驗(yàn)證及分析

2. 1駕駛風(fēng)格系數(shù)

當(dāng)駕駛員風(fēng)格確認(rèn)后，為了在期望跟車間距計(jì)算中引入合理的駕駛風(fēng)格系數(shù)，本文基于已有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過建立28 道駕駛風(fēng)格對(duì)ACC 影響的在線問卷題目，對(duì)不同風(fēng)格駕駛員的跟車意向進(jìn)行調(diào)研，共收回有效問卷298 份，調(diào)查結(jié)果見表1。將駕駛風(fēng)格類型與期望跟車間距進(jìn)行交叉分析，得到結(jié)果見表2。

由表2 可以看出：保守型駕駛員的期望跟車間距集中在1.1d ～lt;1.3d，占比87.98%；常規(guī)型駕駛員的期望跟車間距集中在0.9d ～ lt;1.1d，占比85.41%；激進(jìn)型駕駛員的期望跟車間距集中在0.8d ～lt;0.9d，占比82.35%。

為了防止駕駛風(fēng)格系數(shù)過小造成安全隱患，過大影響交通效率，結(jié)合問卷調(diào)查，最終將期望跟車間距設(shè)定為0.8d ～lt;1.3d。

期望跟車間距與駕駛員綜合得分模型的擬合結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可以看出：設(shè)定駕駛員綜合得分低于65 時(shí)，駕駛風(fēng)格系數(shù)為0.8d；設(shè)定駕駛員綜合得分大于95 時(shí)，駕駛風(fēng)格系數(shù)為1.3d。由此得出駕駛風(fēng)格系數(shù)和駕駛風(fēng)格綜合得分之間的映射關(guān)系為：

式中：Sc為駕駛風(fēng)格綜合得分。

2. 2仿真驗(yàn)證及結(jié)果分析

采用Matlab/Simulink 軟件建立整車控制計(jì)算模型，結(jié)合CarSim 軟件提供的車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真，與無風(fēng)格因子的VTH 策略進(jìn)行對(duì)比，針對(duì)融合駕駛風(fēng)格系數(shù)的控制策略，在正常跟隨前車場(chǎng)景下進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

駕駛風(fēng)格系數(shù)參考文獻(xiàn)［6］中評(píng)分，即保守型綜合得分為94.64，常規(guī)型綜合得分為84.48，激進(jìn)型綜合得分為65.78；若不考慮駕駛風(fēng)格的影響，默認(rèn)系數(shù)為1。為保證駕乘舒適性，設(shè)定期望加速度的為?5.0～2.5 m/s²。

作為日常駕駛中最常見的交通場(chǎng)景，正常跟隨前車場(chǎng)景（如圖3 所示）能夠測(cè)試前車車速發(fā)生變化時(shí)，使用ACC 系統(tǒng)的后車能否與前車保持安全間距，平穩(wěn)跟車。

在仿真條件中，本車車速初始值為45 km/h，兩車實(shí)際間距為30 m，前車車速初始值為50 km/h，前車車速的變化規(guī)律為：

式中：t 為時(shí)間。

分別對(duì)無風(fēng)格因子的VTH 策略，以及含有駕駛風(fēng)格系數(shù)的VTH 優(yōu)化策略進(jìn)行仿真。無風(fēng)格因子VTH 策略可參考文獻(xiàn)［7］，其期望跟車間距為：

d = τ_h v_b + d₀ （6）

正常跟隨前車的仿真測(cè)試結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可以看出：正常跟隨前車場(chǎng)景下，優(yōu)化策略在變化趨勢(shì)上與無風(fēng)格因子的VTH 策略相似；隨著駕駛風(fēng)格越來越激進(jìn)，跟車間距逐漸變小，符合駕駛員實(shí)際操作心理。當(dāng)前車保持勻速行駛后，本車均在2.6 s 以內(nèi)完成速度跟隨，實(shí)際跟車間距穩(wěn)態(tài)誤差為0，隨前車勻速行駛，ACC 系統(tǒng)響應(yīng)較快；之后兩者保持恒定跟車間距，ACC 系統(tǒng)表現(xiàn)出穩(wěn)定的跟隨性能。

以常規(guī)型駕駛員為例，對(duì)整個(gè)跟車過程進(jìn)行分析。在初始時(shí)刻，期望跟車間距小于實(shí)際跟車間距，且本車車速較小，故本車允許以最大加速度行駛，以縮短實(shí)際跟車間距。

在2.7 s 時(shí)，期望跟車間距與實(shí)際跟車間距第一次相等，此時(shí)本車車速高于前車車速，為了行駛安全，本車進(jìn)行制動(dòng)，降低行駛車速；在5.8 s 時(shí)，本車車速與前車相等，但由于動(dòng)力部件響應(yīng)的延遲，以及整車能量管理模式切換的延遲，導(dǎo)致本車車速繼續(xù)下降至低于前車車速，此后為了跟隨前車，本車以較小的加速度提升車速；在15 s 以后前車車速不再發(fā)生變化，本車加速度逐漸減小至0；當(dāng)兩車車速相等，實(shí)際跟車間距誤差為0 時(shí)，保持勻速前行，跟車過程完成。

3結(jié)論

本文在考慮安全性的基礎(chǔ)上，綜合駕駛員駕駛風(fēng)格對(duì)ACC 的影響，基于傳統(tǒng)VTH 策略，引入駕駛風(fēng)格系數(shù)，建立了融合駕駛風(fēng)格系數(shù)的ACC 優(yōu)化策略，主要結(jié)論如下：

（1） 通過問卷，得到駕駛風(fēng)格類型統(tǒng)計(jì)表，結(jié)合期望跟車間距分布，得到駕駛風(fēng)格系數(shù)擬合趨勢(shì)和穩(wěn)態(tài)跟車間距圖。

（2） 利用Matlab/Simulink 和CarSim 軟件聯(lián)合仿真平臺(tái)，對(duì)跟車典型交通場(chǎng)景進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：引入駕駛風(fēng)格系數(shù)的優(yōu)化策略可以較好地反映駕駛員開車習(xí)慣，提升駕駛員舒適性；該控制策略魯棒性強(qiáng)，可為ACC 系統(tǒng)的個(gè)性化研發(fā)與應(yīng)用提供技術(shù)參考。