基于MPC的軍用重型車輛ACC系統(tǒng)設(shè)計與仿真

高錦，虎忠，史小川，劉宏亮

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

基于MPC的軍用重型車輛ACC系統(tǒng)設(shè)計與仿真

高錦，虎忠，史小川，劉宏亮

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

自適應(yīng)巡航控制(ACC)是一種可以有效減輕駕駛員的駕駛疲勞，提高車輛安全性的主動安全技術(shù)。對于長途機(jī)動的軍用車輛具有廣闊的應(yīng)用前景。文章以陜汽某型號三代重型高機(jī)動軍用車輛為目標(biāo)車型，設(shè)計了基于模型預(yù)測控制（MPC）的車輛自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)。并依據(jù)目標(biāo)車型的性能參數(shù)及ACC系統(tǒng)的控制策略，以車輛動力學(xué)仿真軟件TruckSim和Simulink為平臺，建立了目標(biāo)車型的整車縱向動力學(xué)和控制策略聯(lián)合仿真模型。仿真研究所設(shè)計的ACC系統(tǒng)在不同的巡航工況下對前方目標(biāo)車輛的跟隨能力及自車的駕駛舒適性。仿真結(jié)果表明，文章設(shè)計的ACC系統(tǒng)能使自車在保持一定安全車距的前提下，較好的跟隨前方目標(biāo)車輛，同時提供良好的駕駛舒適性。

自適應(yīng)巡航控制；模型預(yù)測控制；縱向動力學(xué)模型；聯(lián)合仿真

Abstract:Adaptive cruise control(ACC)system belongs to active security technology, It aims at reducing the workload of driver and improving vehicle safety. The technology have widely developing prospect for military vehicle that used on long-distance transport. This article choose a 3rd heavy expended mobility tactical vehicle as the target vehicle, designed the adaptive cruise control system based on model predictive control(MPC). On the platform of TruckSim and MATLAB/Simulink, longitudinal dynamic model of vehicle and control model of ACC was established. Finally a co-simulation is conducted on typical ACC driving condition. The simulation results show that the ACC system designed can well follow the speed change of leading vehicle while keeping a certain distance, and has a better controllabitity for the driver.

Keywords: Adaptive Cruise Control; Model predictive control; longitudinal dynamic model; Co-simulation

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-34-04

前言

車輛自適應(yīng)巡航控制（ACC）系統(tǒng)可有效減輕駕駛員的精神負(fù)擔(dān)，減少因駕駛員的失誤引起的交通事故，提高行駛的安全性、乘坐舒適性，并改善交通流等。當(dāng)?shù)缆非胺綗o車輛時，ACC系統(tǒng)會按照一個事先設(shè)定的速度行駛，即傳統(tǒng)的定速巡航模式；一旦車載傳感器檢測到前方有車輛時，ACC系統(tǒng)會通過調(diào)整車速，保證一個安全的跟車間距行駛[1]。

本文以陜汽某型號 8×8重型高機(jī)動軍用車輛為目標(biāo)車型，在MPC的框架基礎(chǔ)上，設(shè)計了一個兼顧安全性、跟車性、舒適性的ACC系統(tǒng)。并通過TruckSim和Simulink仿真平臺，建立了能夠模擬車輛運行工況，反映系統(tǒng)動態(tài)特性,同時兼顧模型精確性的汽車動力學(xué)系統(tǒng)模型［2］。聯(lián)合仿真研究所設(shè)計的ACC系統(tǒng)在不同的巡航工況下對前方目標(biāo)車輛的跟隨能力及自車的駕駛舒適性。

1 ACC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 總體方案設(shè)計

在參考乘用車輛成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了適用于軍用越野車輛的ACC系統(tǒng)。該系統(tǒng)的目標(biāo)車型為陜汽某型號重型越野車輛，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示：

表1 整車技術(shù)參數(shù)

圖1為所設(shè)計的ACC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。系統(tǒng)主要由人機(jī)交互界面、信息采集單元、信號控制單元以及執(zhí)行單元組成。其中人機(jī)交互界面包括 ACC功能選擇開關(guān)、巡航車速設(shè)置開關(guān)、安全時距設(shè)置開關(guān)和系統(tǒng)故障燈。信息采集單元的功能是通過傳感器對車輛前方一定范圍內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行感知，測量輸出前方物體的速度、位置等信息。常用的環(huán)境感知傳感器包括超聲波傳感器、紅外線傳感器、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、微波雷達(dá)、立體攝像機(jī)等，通過分析比較各類傳感器的優(yōu)缺點，本系統(tǒng)采用 77GHZ的毫米波雷達(dá)和攝像機(jī)兩者相融合的方式對車輛前方物體進(jìn)行感知。信號控制單元通過實時采集人機(jī)交互界面和信息采集單元輸出的信號，經(jīng)過控制算法運算后輸出控制命令，控制相應(yīng)的執(zhí)行單元，以使車輛保持與前方物體的距離和速度。

圖1 ACC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 關(guān)鍵零部件選型

ACC信號控制單元作為系統(tǒng)的核心部件，其作用是通過采集人機(jī)交互界面和信息采集單元的信號，根據(jù)系統(tǒng)控制策略輸出相應(yīng)的控制命令。經(jīng)過分析系統(tǒng)的輸入輸出及其對信號的響應(yīng)能力，選用主頻為 40MHZ的 MC9S12XEP100為ACC信號控制單元的MCU。該芯片擁有的4路高速CAN通道，最高通訊速率可達(dá) 10Mbit/s，能為系統(tǒng)提供高效的信號采集、運算及輸出功能。

ACC系統(tǒng)的環(huán)境感知傳感器主要為激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和攝像機(jī)，其中激光雷達(dá)分辨率高，夜晚工作不受限制，但雨雪霧天分辨率嚴(yán)重降低，并且價格高昂。毫米波雷達(dá)雖然價格適中，雨雪霧天對它的測量精度也影響不大，但不能有效識別行人、摩托車、車道線等物體。而攝像頭雖可以有效識別行人、摩托車、車道線，但容易受雨霧及光線的影響[3]。經(jīng)過分析系統(tǒng)的實際需求，采用毫米波雷達(dá)和攝像頭相融合的方式實現(xiàn)對車輛前方環(huán)境的測量感知。系統(tǒng)所選用的傳感器技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 環(huán)境感知傳感器技術(shù)參數(shù)

2 聯(lián)合仿真系統(tǒng)建模

2.1 整車多體動力學(xué)模型

以TruckSim為平臺，建立了目標(biāo)車型的整車模型,該模型能夠?qū)崟r模擬車輛的運行過程，反映其各種運動學(xué)特性。它輸出給Simulink的信號包括：車輛的縱向速度、加速度和位置等信息。

所選自車模型的制動系統(tǒng)帶ABS功能，對模型的傳動系、懸架及其他系統(tǒng)參數(shù)按目標(biāo)車型的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。前車車型為B級掀背式轎車，其模型各項參數(shù)全部采用默認(rèn)值，僅對前車車速變化和制動時間等試驗條件進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。

2.2 ACC系統(tǒng)控制策略及模型

圖2 ACC系統(tǒng)控制策略原理圖

本文設(shè)計的 ACC系統(tǒng)控制策略采用分層控制結(jié)構(gòu)。在間距策略計算出期望的跟車間距后，上層控制根據(jù)傳感器檢測到的行駛環(huán)境決定車輛的期望縱向加速度；下層控制算法則通過控制發(fā)動機(jī)扭矩和制動減速度，使得車輛最終表現(xiàn)出來的加速度和上層得到的期望加速度一致。現(xiàn)有的 ACC系統(tǒng)上層控制設(shè)計大多只考慮安全性和跟車性。然而，作為扮演駕駛員角色的上層控制策略，乘坐舒適性和燃油經(jīng)濟(jì)性也是其重要的評價指標(biāo)[4]。因此，ACC系統(tǒng)的上層控制是一個多目標(biāo)優(yōu)化控制問題。模型預(yù)測控制（MPC）突破了傳統(tǒng)思想束縛，采用預(yù)測模型、滾動優(yōu)化、反饋校正等新的思路設(shè)計控制策略，使得控制效果和魯棒性得到了大大的提高[5]。為此，本系統(tǒng)的上層控制策略基于 MPC框架，設(shè)計了一個兼顧安全性、跟車性、舒適性和節(jié)油性的多目標(biāo) ACC系統(tǒng)上層控制算法。控制策略原理如圖2所示：

根據(jù)上述控制策略，在 MATLAB/Simulink中建立了安全間距模型、車間相互縱向動力學(xué)模型、上層控制模型及下層控制模型。

2.2.1 安全間距模型

安全間距策略，作為 ACC系統(tǒng)的重要組成部分，決定了ACC系統(tǒng)車輛在行駛過程中的跟車間距，為ACC系統(tǒng)的控制算法提供參考間距輸入值。本系統(tǒng)采用可變車頭時距策略（VTH）[1]，其模型如式1所示：

式中，t0、cv為大于0的常數(shù)；vrel為前后兩車的相對速度。

2.2.2 車間相互縱向動力學(xué)模型

傳統(tǒng)的相互縱向動力學(xué)模型的建模方式大多將車間距、相對速度作為狀態(tài)變量得到二階狀態(tài)方程模型，不考慮前車加速度的擾動。文中在對 ACC系統(tǒng)車間相互縱向動力學(xué)建模時，將車間距、本車速度、相對速度、本車加速度、本車加速度變化率作為狀態(tài)變量，將前車的加速度作為擾動得到了兩車間離散的相互縱向動力學(xué)模型。

選取車間距誤差、相對速度、本車速度、本車加速度、本車加速變化率作為ACC系統(tǒng)的狀態(tài)變量：

將前車加速度視作ACC系統(tǒng)的擾動，并根據(jù)式3~7，得到如下ACC系統(tǒng)的車間相互縱向運動學(xué)狀態(tài)方程：

式9即為ACC系統(tǒng)的縱向運動學(xué)控制模型。相比于傳統(tǒng)的二階模型，該模型考慮了前車的加速度干擾，更加真實全面地在現(xiàn)了整個系統(tǒng)的動態(tài)演化規(guī)律。

2.2.3 上層控制模型

在ACC系統(tǒng)多目標(biāo)上層控制中，控制的目的是使ACC系統(tǒng)車輛在跟前車的過程中滿足安全性、舒適性以及燃油經(jīng)濟(jì)性。為了實現(xiàn)這些控制目的，本系統(tǒng)分別對各行駛目的進(jìn)行分析建模，將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的系統(tǒng)約束和性能指標(biāo)，在MPC的框架下設(shè)計ACC系統(tǒng)的上層控制算法。

該算法選用間距誤差δ(k)、相對速度 vrel、加速度 a(k)以及加速度變化率j(k)組成優(yōu)化性能指標(biāo)向量。

將上節(jié)建立的 ACC車間相互縱向運動學(xué)模型作為預(yù)測模型，對ACC系統(tǒng)的未來行為進(jìn)行如下預(yù)測：

在MPC的框架下，將車輛ACC系統(tǒng)行駛過程中需要優(yōu)化的多個性能指標(biāo)的形式寫成如下的值函數(shù)：

式中，Q和R為權(quán)系數(shù)，u為控制向量矩陣。

對應(yīng)的系統(tǒng)約束整理如下：在每一個采樣時刻，ACC系統(tǒng)通過車載傳感器檢測得到當(dāng)前的行駛環(huán)境信息，首先對未來狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測并進(jìn)行反饋校正，然后通過在線優(yōu)化相應(yīng)的多目標(biāo)性能指標(biāo)，求取對應(yīng)的數(shù)學(xué)規(guī)劃得到控制序列，并將第一個值施加于控制系統(tǒng)，接著在下一個采樣時刻重復(fù)該操作。

2.3 聯(lián)合仿真模型

圖3 ACC系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型圖

在TruckSim中設(shè)置輸入端口，包括發(fā)動機(jī)需求扭矩和制動減速度需求，輸出端口包括車輛的位置信息、縱向加速度及速度。完成上述設(shè)定后，通過外部接口將車輛模型發(fā)送至指定路徑下的 Simulink仿真文件中。TruckSim模塊即以 S函數(shù)的形式增加到Simulink模型庫中。通過調(diào)用該S函數(shù)，并加入控制器模塊，即完成聯(lián)合仿真環(huán)境的搭建。如圖3所示：

3 ACC系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

為驗證設(shè)計的 ACC系統(tǒng)控制算法，選取了急剎車和跟車兩個典型場景進(jìn)行了仿真實驗，通過判斷行駛過程中ACC系統(tǒng)車輛能否有效避撞來衡量安全性，通過分析速度、車間距的調(diào)整及其跟蹤性能來評價系統(tǒng)的跟車性，通過分析加速度評價系統(tǒng)的舒適性和燃油經(jīng)濟(jì)性。

3.1 急剎車場景仿真分析

該場景考察的是在兩車相距較近時，前車突然急剎車，本車能否有效采取有效的措施避免碰撞。仿真結(jié)果如圖 4、圖5、圖6所示：

圖4 車間距響應(yīng)曲線

圖5 車速響應(yīng)曲線

圖6 加速度響應(yīng)曲線

根據(jù)圖4的仿真結(jié)果，可以看出前車在急剎車后，兩車的間距平滑減小。最終的值保持在2.3m，即未與前車發(fā)生碰撞。由圖6可知，在整個剎車過程中多目標(biāo)MPC算法的舒適度評價指標(biāo)加速度的值保持在 3.5m/以內(nèi)，大于系統(tǒng)設(shè)置的最大加速度值 2m/。這是因為在前車急剎車這樣危險的情況下，ACC系統(tǒng)控制算法必須采取劇烈的剎車行為保證行駛的安全。其他性能的優(yōu)化是其次的。

3.2 跟車場景仿真分析

該場景考察的是當(dāng)前車以勻速、加速或減速任意工況行駛時，ACC系統(tǒng)車輛能否在保持安全間距的前提下，快速跟隨前方車輛速度的變化。仿真試驗設(shè)置前車先減速后，勻速行駛一段再加速，結(jié)果如圖7、圖8、圖9所示：

根據(jù)圖7的仿真結(jié)果，可以看出當(dāng)前車的速度在不斷的變化時，ACC系統(tǒng)車輛始終可以將兩車的間距保持在安全距離附近。由圖8可知，ACC系統(tǒng)車輛可以良好的跟隨前車速度的變化，并可以將車輛的加速度控制在以內(nèi)，具有很好的乘坐舒適性。

圖7 車間距響應(yīng)曲線

圖8 車速響應(yīng)曲線

圖9 加速度響應(yīng)曲線

5 結(jié)論

仿真試驗結(jié)果表明：

在急剎車場景下，基于多目標(biāo) MPC算法的系統(tǒng)首先保證車輛的安全性，可及時忽略系統(tǒng)對其他性能的優(yōu)化目標(biāo)。在跟車場景下，面對前車頻繁的變速行為，系統(tǒng)在保證安全性和跟車性的前提下，有效的平滑了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，從而改善系統(tǒng)的乘坐舒適性。

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Design and Simulation Of Adaptive Cruise Control For Heavy Military Vehicle Based on MPC

Gao Jin, Hu Zhong, Shi Xiaochuan, Liu Hongliang
（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200）

U467 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)18-34-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.013

高錦，學(xué)士，助理工程師，就職于陜西重型汽車有限公司。主要從事汽車電子電器產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)工作。虎忠，碩士，工程師，陜西重型汽車有限公司。主要從事汽車嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。史小川，學(xué)士，助理工程師，就職于陜西重型汽車有限公司。主要從事汽車電器系統(tǒng)開發(fā)。劉宏亮，學(xué)士，助理工程師，就職于陜西重型汽車有限公司。主要從事汽車實驗、調(diào)試工作。