基于變車頭時距的汽車自適應巡航系統(tǒng)設計

馮 莉，楊薪敬，曾 輝

（重慶交通大學交通運輸學院，重慶 400074）

隨著電子技術的發(fā)展，汽車從機械產品向電子化、智能化轉變。各種電子技術的應用，也使得汽車智能化程度逐步提高，為汽車自適應巡航控制系統(tǒng)（Adaptive Cruise Control,ACC）設計提供完整的技術支持。ACC 可根據各種影響因素調整車速，無需駕駛員手動干預。其主要功用為通過控制策略動態(tài)調整車輛的加速或減速，實現車輛縱向的定速巡航和安全跟車功能。在高級汽車輔助駕駛系統(tǒng)中，自適應巡航系統(tǒng)對于減少駕駛員疲勞行車強度、提高行駛安全性、改善道路通行能力具有重要的作用。因此得到了研究學者和汽車公司的廣泛關注。

近年來，研究人員對于ACC 系統(tǒng)開展了一系列研究。Chen J 等人[1]針對自適應巡航控制（ACC）和協(xié)同巡航控制（CACC）系統(tǒng)，提出了一種改進的可變車頭時距策略。控制算法主要有PID 控制[2]、最優(yōu)控制（Optimal Control Theory,OCT）[3]、模糊控制（Fuzzy Control,FC）[4]和模型 預測控 制（Model Predictive Control,MPC）[5-8]等。

對于安全間距策略前人開展了詳細的研究，但是大部分最小間距都設置成固定值，未區(qū)別不同的行駛條件；對于控制算法的研究多種多樣，但多數控制器的運算速度要求非常高。因此，選擇對車頭時距模型進行優(yōu)化，同時提出一種車距-速度串聯(lián)式控制策略，通過狀態(tài)機實現不同模式切換，最后在定速巡航以及復雜的跟隨工況下進行仿真測試。

1 ACC系統(tǒng)結構

ACC 系統(tǒng)結構如圖1 所示，主要分為三個部分：CarSim 整車模型、ACC 上層控制策略、ACC 下層控制策略。利用CarSim 搭建模擬駕駛環(huán)境，包括行駛車輛、道路信息和傳感器等，同時輸出兩車相對速度、相對距離、加速度等行車信息。上層控制器在接收行車信息后，通過車頭時距模型計算期望跟車間距，結合其他行車信息確定行車模式，最后利用控制算法求解期望加速度。下層控制器通過上層信息計算期望節(jié)氣門開度/期望制動壓力，并輸入到CarSim 中控制汽車運動，實現系統(tǒng)實現閉環(huán)控制。

圖1 ACC結構框架圖

2 ACC控制策略

在ACC 上層控制器中，根據行駛工況分為定速巡航和跟隨巡航，主要目的在于求解不同模式下的期望加速度。首先，需要建立車頭時距模型，其次，需要設計定速巡航/前車跟隨模式之間的切換策略，最后，通過控制算法計算期望縱向加速度。下層控制器需要建立反饋控制器與油門/剎車標定表求取期望節(jié)氣門開度與期望制動壓力。

2.1 變車頭時距模型

汽車在行駛中面臨復雜的行駛工況。設計合理的間距策略直接影響行車安全和道路的利用率。汽車在道路上行駛時，車速大車距小，容易發(fā)生追尾；而兩車之間保持過大的行車距離，不僅會導致道路有效利用率低，而且還會引起周圍車輛從相鄰車道插入，從而導致交通事故的發(fā)生。

目前，對安全距離模型的研究主要為固定車頭時距（Constant Time Headway，CTH）和可變車頭時距（Variable Time Headway，VTH）。CTH策略即本車速度與時間常數的乘積加最小安全車距[9-10]，結構如下：

其中，vh為本車速度，th 為車頭時距數值，dmin為最小安全距離。

雖然CTH 策略較為成熟，但僅能反應本車速度的影響，未考慮其他影響因素，道路利用率低，適應性差。在此基礎上，研究人員開發(fā)出可變車頭時距，兩者的區(qū)別為車頭時距th 的數值是否為定值。

常用的可變車頭時距模型，主要有兩種結構。第一種，如文獻[11-12]強調相對速度和前車加速度的影響，第二種，如文獻[13-15]側重本車速度和相對速度的影響。結構分別如下：

其中，t0、cv、ca、th1、th2、th3皆為常數且數值大于0，vr為兩車相對速度，ap為前車加速度。但精準獲取前車加速度的方法需要進一步研究。因此，選用第二種可變車頭時距模型，若th 過大道路利用率低，過小則易撞車，為考慮th 的合理性，選擇建立飽和函數進行限制，保證修正后的車頭時距在合理的范圍之內，防止極端工況下車頭時距太大或太小。結構如下：

其中，sat(·)為飽和函數，th1、th2、th3為常數，該文分別取值1、0.04、0.09。thmax、thmin分別為車頭時距極大值和極小值，一般取3 和1.5[15]。

同時，在大部分的車頭時距模型中，無論是CTH還是VTH 都將最小車間距離dmin設置成固定值，取值范圍通常為2～5 m[10]。為考慮汽車行駛安全性，綜合考慮本車速度和路面附著系數的影響，設計改進型變車頭車間時距（Improved Variable Time Headway,IVTH）表示為如下：

其中，Kh為自車速度系數，b為常系數，分別取22.5 和0.3。由式（1）和式（4）可知，dmin與本車速度成正比，與路面附著系數成反比，路面附著系數越低，最小車間距離越大，符合實際駕駛條件。

2.2 模式切換策略研究

上層控制器包含巡航模式和跟車模式，兩者輸入誤差量不同，求取的期望加速度也有差異，因此如何設置模式切換策略非常重要。系統(tǒng)模式切換策略如下：

1）車輛啟動，傳感器識別前方信息，該文設定的傳感器探測范圍為200 m。若前方無車或兩車間距ddes大于200 m，車牌識別號ID 輸出值為-1，ACC 系統(tǒng)進入定速巡航模式，汽車期望車速為巡航車速。

2）若前方有車，兩車間距ddes小于200 m，車牌識別號ID 輸出值為1，系統(tǒng)進入下一步判別。期望車頭時距dact小于兩車實際間距ddes，系統(tǒng)保持定速巡航模式；期望車頭時距大于兩車實際間距ddes且前車車速小于本車巡航車速，系統(tǒng)進入跟隨模式，否則保持巡航模式。

3）當前車駛離，若有新車出現，則系統(tǒng)重新規(guī)劃。如果前方無新車出現，則進入巡航模式。

2.3 ACC控制算法設計

2.3.1 PID控制器原理

PID 控制是日常工業(yè)生產中運用最為廣泛的控制方式，其主要根據系統(tǒng)的期望輸入和實際輸入的誤差來實現系統(tǒng)的控制輸入，因此不需要建立復雜的被控對象模型[16]。

PID 控制由比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)構成。其數學表達式如下所示：

系統(tǒng)控制變量u(t)是由期望值r(t)與實際反饋值c(t)的差值e(t)經過比例、積分和微分調節(jié)而構成的。因為計算機是離散系統(tǒng)，為符合運算需要，對連續(xù)PID 算法進行離散化處理。以矩陣法數值積分近似代替積分，以一階后向差分近似代替微分，如下：

2.3.2 巡航模式

當前方無車，或者前車行駛速度高于本車巡航速度時，本車以巡航車速行駛，其任務為將車速保持在期望值。PID 控制器輸出為期望加速度，輸入為車速之差，如下：

2.3.3 跟隨模式

當汽車進入跟隨模式，系統(tǒng)控制目標為控制行車間距dact(t)盡可能接近期望行車間距ddes(t)以及兩車相對速度vr(t)差趨于0。關系表達式如下：

因此，該文跟隨模式如圖2 所示，綜合考慮間距偏差和速度偏差的影響，設計距離-速度串聯(lián)式PID控制器，求取本車期望加速度。該控制器由兩個PID 串聯(lián)組成，距離控制器以行車間距偏差Δd(t)作為控制器輸入量，輸出量作速度控制器輸入補償量Δe(t)；速度控制器以兩車相對速度vr(t)和速度補償量Δe(t)之和作為輸入，如下：

圖2 跟隨模式控制流程

控制器輸出為期望加速度ades，為保持良好的舒適性，對加速度進行限制[17]，取值范圍為[-5，3]。

2.3.4 下層反饋控制

為滿足系統(tǒng)快速響應的要求，該文設置反饋PID 控制器求取加速度補償量，將期望加速度ades與當前實際加速度aact之差作為控制器輸入，求取加速度補償量。

通過對期望加速度補償得到a(t)，進而標定表根據加速度和實際車速，查表得出節(jié)氣門開度或制動壓力，輸入CarSim，從而控制汽車運動，如下：

3 ACC系統(tǒng)仿真驗證

該設計選用C-Class，Hatchback 型汽車作為仿真車輛。設置仿真環(huán)境，其中路面附著系數為0.8，攝像頭探測距離為200 m。

1）定速巡航工況

設置工況：本車初始速度為60 km/h，巡航車速設置為120 km/h，結果如圖3 所示。

圖3 定速巡航工況仿真結果

由于前方沒有車輛，汽車僅考慮速度偏差，本車在7 s 后加速至設定車速，加速平穩(wěn)，超調量小，同時保持巡航速度穩(wěn)定行駛。

2）復雜跟隨工況

前車行駛工況包含勻速運動、急加速運動、急減速運動。初始間距為40 m，本車起始速度為75 km/h。仿真如圖4 所示。

圖4 跟隨工況仿真結果

速度變化曲線如圖4（a）所示，在前期，前車勻速行駛，期望距離與實際距離相近（如圖4（b）），前車速度低于巡航速度，根據切換邏輯確定本車為跟隨模式，故本車加速跟隨前車速度，15 s 后兩車速度趨于一致，保持勻速行駛。20 s 后，前車速度開始頻繁變化。雖然行駛工況較為復雜，但在安全距離允許的條件下，本車保持了對前車的穩(wěn)定跟隨，兩車速度趨勢一致，相較于前車設定速度，本車的速度變化曲線更為平滑。

同時，由于汽車行駛工況變化，為保證行車安全，理論上兩車間距應相應改變。由圖4（b）可知，加速/減速階段期望車距均反應迅速，隨行駛工況改變。在運行期間，距離控制效果優(yōu)異，實際間距始終保持對期望車距的穩(wěn)定跟蹤，保證行駛安全性。

圖4（c）為加速度變化曲線。由圖可知，加速度始終保持在一定范圍，保證行駛舒適性。下層控制器能夠保證對期望加速度的穩(wěn)定跟蹤，控制效果良好。圖中小波動應為油門及剎車的切換過程中造成的一些波動，對于實際的自適應巡航控制來說微乎其微。

因此，由以上分析可知，所設計的控制策略控制效果良好，即使在復雜跟隨工況下，均能快速準確的根據前車速度和距離的變化，來控制本車車速變化，保持對前車的穩(wěn)定跟蹤，同時滿足汽車行駛安全性和乘坐舒適性。該下層控制器基本實現對期望加速度的跟蹤，通過與上層控制器聯(lián)合仿真，實現整個自適應巡航系統(tǒng)的功能。

3）安全距離算法仿真驗證

上文驗證了該控制策略具有良好的控制效果，為驗證間距策略效果提供仿真基礎。同時上述工況復雜，包含勻速運動、急加速運動、急減速運動，適用于驗證車間時距模型。因此，在上述仿真基礎上，將該文提出的IVTH 與文獻[10]、[15]建立VTH、CTH 算法進行三組仿真對比，主要考察在跟車過程，車速度不斷變化時，ACC 的間距策略對安全性和跟車性能的影響。仿真情況如圖5 所示。

圖5 不同間距策略仿真結果對比圖

由圖5（a）可知，在前20 s，CTH、VTH 跟馳情況相似，IVTH 策略下所需實際間距略低，由于前車速度大于本車，本車需要加速跟隨前車，IVTH 策略間距較小，提升了一定的跟車性能和道路利用率。20 s后，前車進入減速階段，三種策略均隨速度變化明顯，但汽車降速后，CTH 策略下實際間距仍然較大，道路利用率低容易引起旁車插入。50 s 后汽車開始加速，高速下兩車車間距離加大，減小了突發(fā)狀況引起的追尾風險，VTH、IVTH 間距明顯大于CTH，安全性能更好。

由圖5（b）可知，三種間距策略都能使汽車車速接近前車，差別不大，但前3 s CTH 與VTH 策略需減速行駛，IVTH 反應更靈敏，效果更平滑。總體而言，CTH 實際間距較大，道路利用率低；相較于VTH，改進的IVTH 效果更好，跟車速度變化曲線較為平滑，低速和加速工況下道路利用率更高。

4 結論

該文基于變車頭時距設計了汽車自適應巡航控制系統(tǒng)。通過Matlab/Simulink 和CarSim 聯(lián)合仿真結果證明：

1）設計的上層控制器能夠合理地根據巡航/跟車模式切換策略計算相應的期望加速度，不同工況下均能快速準確控制本車車速變化；設計的下層控制器能夠保證對期望加速度的穩(wěn)定跟蹤。從仿真結果來看控制算法效果較好，滿足汽車行駛安全性、跟車穩(wěn)定性和乘坐舒適性的需求。

2）設計的變車頭時距模型，考慮多因素影響，仿真結果表明其能適應多種復雜工況，相比其他車頭時距模型，高速安全性好、低速道路利用率高、跟車速度平滑、反應靈敏。