基于模式切換的汽車自適應巡航系統分層控制

孫曉文,汪洪波

(合肥工業大學 機械與汽車工程學院,安徽 合肥 230009)

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基于模式切換的汽車自適應巡航系統分層控制

孫曉文,汪洪波

(合肥工業大學 機械與汽車工程學院,安徽 合肥 230009)

汽車自適應巡航系統通過分層控制即上層控制器向下層控制器(節氣門或制動執行器)發出指令,實現汽車自動加速、減速或保持車速不變,以保持后車與前車間的期望距離。文章將自適應巡航汽車的控制模式劃分為速度控制模式和車距控制模式,考慮到2種模式之間的博弈,根據車距與相對速度之間的關系建立2種模式之間的切換策略,以實現速度控制模式和車距控制模式間的平穩切換;再利用PI(proportional integral)控制和模糊控制對期望加速度進行控制,完成上層控制器的建立;根據剎車油門切換邏輯區分期望加速度和期望減速度,建立下層控制;最后利用CarSim和Matlab/Simulink軟件對自適應巡航汽車的行駛工況進行聯合仿真,仿真結果表明該控制策略能使后車較為穩定地跟蹤前車。

自適應巡航控制(ACC);分層控制;模式切換;CarSim軟件;模糊控制

0 引 言

自適應巡航控制(adaptive cruise.control,ACC)系統是汽車巡航控制系統的擴展,可以根據前車的駕駛狀況對汽車進行自動調整,即加速、減速或保持車速,以保證與前車間的期望距離,達到安全行駛的目的。

在汽車自適應巡航系統的研究中,核心內容是車距控制策略和模式切換控制策略,國內外在這方面進行了深入的研究。文獻[1]采用了帶有起停功能的非線性模型預測控制,在跟蹤車速和距離方面表現出較高的效率,但控制過程過于復雜;文獻[2]對自適應巡航系統采用了模糊控制,使其有較好的魯棒性,但考慮因素較少;文獻[3]運用多模式切換控制,使ACC車輛模式切換的準確性和輸出連續性都得到了一定程度的提高;文獻[4]采用一種簡化非線性模型設計自適應油門控制器,但是未考慮ACC系統模式切換對汽車的影響;文獻[5]提出了運用增量式算法內核的位置式輸出控制器優化油門控制器的方法,使控制模式切換更加穩定。因此,為了保證ACC模式的有效切換,同時考慮到控制系統結構的層次分明性,需要對分層控制和模式切換重點進行研究。

本文將ACC系統進行分層控制,上層控制器確定控制模式,求解汽車的期望加速度,下層控制器根據上層指令執行節氣門或制動控制，采用CarSim和Matlab/Simulink進行聯合仿真,并對仿真結果進行分析。

1 汽車動力學建模

采用CarSim建立汽車動力學模型,CarSim建立的汽車動力學模型考慮因素較為全面,含有車身、空氣動力學數據、傳動系統、轉向系統、制動系統、懸架系統以及輪胎等部分,具有較高的仿真精度,而且具有實時性,運算迅速?？紤]2輛汽車的模型,即前方目標汽車和后方跟蹤汽車。前方目標汽車為CarSim中模型汽車——B-Class(Sports car),發動機功率為125 kW,變速器為6擋變速,制動系統帶有防抱死系統;后方跟蹤汽車為E-class(Sedan),其中發動機功率為250 kW,變速器為7擋變速,制動系統帶有防抱死系統,其他參數采用軟件默認設置。

2 汽車自適應巡航系統設計

汽車自適應巡航控制器由上層控制器和下層控制器組成,實現自適應巡航汽車的分層控制。上層控制器將自適應巡航汽車的控制模式劃分為速度控制模式和車距控制模式,求出不同模式下的期望加速度,發送到下層控制器中,區分出期望加速度和期望減速度,再輸入到CarSim建立的汽車動力學模型中,最終確定汽車加速、減速或保持車速不變,進而實現ACC汽車車速的自適應調整。汽車自適應巡航控制系統示意圖如圖1所示。

圖1 汽車自適應巡航控制系統

圖1中,vr為相對車速;v1為前車車速;v2為后車車速;v0為設定車速;d為實際車距;ddes為車距控制策略所求的期望車距;dr為相對車距;ades1為速度控制模式下的期望加速度;ades2為車距控制模式下的期望加速度。

2.1 ACC系統上層控制器設計

2.1.1 ACC汽車控制模式的切換

速度控制模式即定速巡航模式,執行時只需控制節氣門開度達到設定的車速即可,而制動力輸出為0;切換為車距控制模式時既要考慮節氣門開度,又要考慮制動力的輸出,從而控制本車車速,使前、后車的實際距離與設定的期望距離相接近。

期望距離采用固定時距的控制策略確定,計算公式為:

(1)

模式切換時,考慮到2種模式間存在博弈,在一定程度上影響汽車的安全性和舒適性,故根據文獻[6]采用的車距-相對速度(dr-vr)圖來劃分速度控制和車距控制。dr-vr關系如圖2所示。

轉變線公式為:

dr=kvr+d0

(2)

其中,k為轉變線的斜率;d0為期望極限車距,即當前車和后車速度相等時的車距。可通過設定d0和k來確定轉變線公式。

圖2中,當自適應巡航車載雷達實際探測距離大于在同一相對速度下的轉變線上的相對距離時,即在區域1,則對該車進行速度控制;反之,處在區域2時,自適應巡航汽車應轉換為車距控制。速度控制和車距控制之間的切換策略如圖3所示。

2.1.2 各模式下期望加速度的控制

在速度控制模式中,前方沒有目標或目標車速大于本車車速時,本車按照駕駛員事先設定的車速行駛,無需制動。對速度誤差進行PI(proportional integral)控制,則期望加速度為:

(3)

其中,v為自車車速;vdes為駕駛員設定的自車期望車速;kp、ki為比例系數和積分系數。

在車距控制模式中采用模糊控制的方式確定期望加速度[7-9]。模糊控制器的輸入量分別是實際距離與期望距離之間的誤差dr和相對速度vr,輸出為期望加速度a,語言輸入、輸出變量值均為{NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB},即{負大, 負中, 負小, 零, 正小, 正中, 正大}。其中輸入量dr的論域為[-6, 6]、vr的論域為[-2, 2],輸出量a的論域為[-8, 8]。輸入量隸屬度函數和輸出量隸屬度函數中負大和正大的類型均為高斯隸屬函數,其余變量用三角形隸屬度函數。

對于控制規則,基于駕駛員經驗,主要考慮如下幾種情況:

(1) 當相對距離dr很大,而相對速度vr較小時,則輸出的加速度值a可適當加大,以減小相對距離,提高交通流量。

(2) 當相對距離dr較小而相對速度vr較大時,則應輸出適當大小的加速度a,以保持安全距離。

(3) 當相對距離dr和相對速度vr都較大或較小時,應該對汽車制動,以保持安全。

基于以上考慮,再根據仿真結果加以修改,得出控制規則,見表1所列。

表1 模糊控制規則

在駕駛試驗中,對汽車的加速度進行限制以保持良好的平順性。根據實際駕駛數據[10]可知,駕駛員的最大和最小加速度分別為-5.08 m/s2和3.07 m/s2。由此對上層控制器輸出的期望加速度限定為-5 m/s2≤ades≤3 m/s2。

2.2 下層控制器的建立

在下層控制器中,對上層控制器中輸出的期望加速度進行劃分,即對節氣門控制和制動器控制進行劃分。根據節氣門/制動控制切換時的加速度基準曲線a-v建立節氣門/制動切換控制器[11-12],其中為了保證制動和加速切換的平穩性,對加速度基準設立過渡區Δh,當adesi≥a+Δh時為節氣門控制,即對自適應巡航汽車進行加速;當adesi≤a-Δh時,進行制動控制;當a-Δh≤adesi≤a+Δh時,進行怠速控制。其中adesi為第i(i=1,2)輛車的期望加速度。

3 仿真結果與分析

采用CarSim和Matlab/Simulink聯合仿真,建立自適應巡航控制器。其中,速度控制模式中PI控制器的參數為kp=0.1,ki=0.01。固定時距th=1.5,停車時最小距離d1=12 m,轉變線斜率k=-0.8,期望極限車距d0=47.5 m。

3.1 CarSim與Matlab/Simulink聯合建模

CarSim與Matlab/Simulink聯合模型如圖4所示。

該模型主要有4部分:前車動力學模型S函數;后車動力學模型S函數;自適應巡航控制器;雷達模塊。其中前車動力學模型和后車動力學模型是由CarSim建立,均輸出本車車速和確定位置的x、y坐標及偏航角;前車偏航角和后車偏航角輸入到雷達模塊中以確定實際車距;前車車速與后車車速輸入到自適應巡航控制器中,再結合實際車距求解出期望車距、制動踏板力和節氣門開度。

圖4 CarSim與Matlab/Simulink聯合模型

3.2 行駛工況仿真與分析

仿真中共有前后2輛汽車,考慮到速度控制模式和車距控制模式單獨作用以及兩者共同作用時的控制效果,對自適應巡航汽車的3種工況(定速巡航工況、跟車工況和復雜工況)進行仿真。

3.2.1 定速巡航工況

定速巡航工況下,自適應巡航汽車只有速度控制模式,前方沒有目標車輛,自適應巡航汽車初始速度為60 km/h,設定的目標車速為90 km/h。定速巡航工況仿真結果如圖5所示。

圖5 定速巡航工況仿真結果

由圖5可以看出,經過PI控制,自適應巡航汽車在約9 s后達到設定車速且車速超調量較小,約為4.4%,并能在隨后的時間里保證穩定行駛。另外,在前3 s內,加速度會有較大的波動,隨后迅速減小,最終達到0并保持不變。

3.2.2 跟車工況

跟車工況下,只有車距控制模式。前車先以65 km/h的車速行駛,在10 s時開始減速,在20 s時減小到40 km/h,5 s后車速再次減小,于50 s時減小到0,隨后再次加速最終達到40 km/h。跟車工況仿真結果如圖6所示。

圖6 跟車工況仿真結果

由圖6可以看出,剛開始時由于仿真設置前車出現在前方50 m處,距離較遠,未達到跟車標準,故實際距離大于期望距離;而隨著前方車速減小,兩車之間的實際距離逐漸減小并于17 s左右開始與期望距離吻合;在隨后的行駛中,自適應巡航汽車均能根據前車行駛工況變化做出自動調整,保證實際距離與期望距離之間有著較小的誤差,誤差基本控制在2 m以內。另外,整個過程中加速度基本維持在-5～3 m/s2之間,滿足加速度限定要求。

3.2.3 復雜工況

復雜工況下,自適應巡航汽車的速度控制模式和車距控制模式共同作用。前車初始速度為120 km/h,此后車速經15 s減至30 km/h,保持30 km/h行駛5 s后車速進一步減至0,保持5 s后車速再次加速至120 km/h。自適應巡航汽車先進行速度控制,設定的定速巡航車速為90 km/h,隨后在滿足模式切換條件時轉為車距控制模式,行駛工況較為復雜。復雜工況仿真結果如圖7所示。

由圖7可以看出,在1～11 s之間,由于兩車間的實際車距大于切換條件,故自適應巡航汽車采用速度控制模式;在11～60 s之間,由于前車不斷減速,兩車車距達到了切換標準,自適應巡航汽車由速度控制模式轉換為車距控制模式;在60 s后自適應巡航汽車轉為速度控制。由于采用模糊控制,ACC汽車在模式切換后能夠及時作出調整,保證實際車距與期望車距能較快地吻合;在前車停車時,兩車保持車距接近12 m,符合設定條件,且整個車距控制模式下,其車距誤差基本控制在3 m以內。另外,加速度除了在模式切換時有一定的波動,其他時間均維持在-5～3 m/s2之間,符合限定要求。

整個仿真過程表明,基于車距與相對速度關系的模式切換方式是有效可行的,能夠使ACC系統根據前車行駛狀況準確地作出自適應調整,保證行車安全。

圖7 復雜工況仿真結果

4 結 論

(1) 本文在分層控制的基礎上對自適應巡航汽車的2種控制模式(速度控制模式和車距控制模式)以及2種模式之間的切換進行了研究,在速度控制模式中采用PI控制對加速度進行控制,使得汽車能夠快速達到設定車速;在車距控制模式中采用模糊控制的方法對期望加速度進行控制,使得汽車在模式切換時有較快的響應,也使ACC系統能夠根據前車行駛狀況的變化及時自動地做出調整,保證跟車行車安全。

(2) 以期望車距與實際車距的誤差、ACC汽車的車速變化以及加速度值為依據,對自適應巡航汽車的定速巡航工況、跟車工況和復雜狀況進行了仿真分析。仿真結果表明,在速度控制模式中,ACC汽車車速響應較快,能夠穩定地保證設定車速;在車距控制中,車距誤差較小;同時,根據車距相對速度關系,建立的2種模式切換轉變線能夠滿足自適應巡航汽車在復雜工況下的要求,實現2種模式間的有效切換。綜上所述,本文提出的基于模式切換的分層控制策略能夠保證自適應巡航汽車的行車安全。

(3) 根據仿真結果還可看出,在車距與車速模式之間發生切換時,加速度會在短時間內超出期望值,對行車舒適性產生影響。2種模式之間的有效博弈將作為今后深入研究的重點,以進一步提高ACC汽車的行駛安全性和乘坐舒適性。

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(責任編輯 胡亞敏)

Research on hierarchical control of automobile adaptive cruise system based on mode switch

SUN Xiaowen,WANG Hongbo

(School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Automobile adaptive cruise system sends commands from the upper controller to the lower controller(throttle or brake controller) through the hierarchical control, which enables the automobile to accelerate, decelerate or keep constant speed automatically in order to maintain the desired distance between the automobiles. The adaptive cruise control modes are divided into the automobile speed control mode and automobile distance control mode. Considering the game between the two modes, the switch strategy is established according to the relationship between the distance and the relative velocity to achieve a smooth switch between the automobile speed control mode and automobile distance control mode. The desired acceleration in different modes is controlled by the proportional integral(PI) control and fuzzy control so as to establish the upper controller. The desired acceleration and desired deceleration are distinguished according to the switching logic between the brake and the accelerator to obtain the lower controller. Finally, the simulation on the adaptive cruise automobile in different conditions is carried out by using the CarSim and Matlab/Simulink software. The results show that the automobile tracks the one ahead steadily by the proposed control method.

adaptive cruise control(ACC); hierarchical control; mode switch; CarSim software; fuzzy control

2015-05-26；

2015-06-23

國家自然科學基金資助項目(51305118);中央高校基本科研業務費專項資助項目(JZ2014HGBZ0374)和江蘇省道路載運工具新技術應用重點實驗開放基金資助項目(BM20082061504)

孫曉文(1991-),男,山東濰坊人,合肥工業大學碩士生;

汪洪波(1981-),男,湖北崇陽人,博士,合肥工業大學講師,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.10.004

U461.99

A

1003-5060(2016)10-1316-06