基于縱側向動力學控制的智能變道輔助系統

盛以成，丁 寧，陶 冶，彭利明，黃 鶴 Sheng Yicheng，Ding Ning，Tao Ye，Peng Liming，Huang He

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基于縱側向動力學控制的智能變道輔助系統

盛以成1，丁 寧2，陶 冶2，彭利明2，黃 鶴2Sheng Yicheng1，Ding Ning2，Tao Ye2，Peng Liming2，Huang He2

（1. 上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心，廣西 柳州 545007； 2. 合肥工業大學 汽車與交通工程學院，安徽 合肥 230009）

智能汽車駕駛作為一項代表性的高新技術集成載體，能夠提高車輛行駛安全性并減輕駕駛員操作負擔，并且能夠有效緩解交通擁堵壓力。由于我國道路環境復雜多變，駕駛員經常采取超車變道操作，使得機動車超車變道的安全問題尤為嚴峻。為此，輔助駕駛員安全地完成超車變道過程，提出了基于縱側向動力學控制的智能變道輔助系統，以車輛實際速度與目標速度為參數，設計具有滑模控制特性的控制器。仿真結果與硬件在環臺架測試結果表明，基于縱側向動力學控制的智能變道輔助系統能夠較為有效地提高駕駛安全性，減輕駕駛員操作負擔。

智能汽車；縱側向控制；變道輔助；硬件在環臺架；人機交互

0 引 言

智能汽車作為當今汽車行業的前沿方向，因與各項高新技術緊密連接，已經成為許多國家的熱門政策引導方向。我國《智能制造發展規劃（2016-2020）》也明確了智能汽車的發展目標。由于智能汽車應用前景廣闊，眾多企業與高校紛紛開展深入的研究工作。歐美發達國家憑借深厚的汽車工業底蘊，在智能汽車領域起步早，研究深且成果豐富。近年來我國逐步加大了對智能汽車領域的研究力度，但與發達國家間的差距仍然存在。

利用車輛智能輔助系統幫助駕駛員更安全便捷地操縱車輛是智能汽車的重要內容，而在車輛超車過程中及時將車外環境信息傳遞給駕駛員，輔助駕駛員決策和實施轉向操作是其中十分關鍵的研究問題。由于道路環境的復雜性，外部車輛行駛的不確定性以及駕駛員的駕駛風格各不相同，使得超車問題成為一個復雜、動態的問題，需要引入先進的控制理論，使系統能夠達到預期的目標。

基于縱側向動力學控制的智能變道輔助系統以電動助力轉向系統、車道識別與保持系統等主動安全系統為基礎，由駕駛員行為感知子系統、工況與車輛狀態感知子系統、車輛控制子系統組成。根據車輛當前速度與目標速度之間的差值，并結合與障礙物的相對距離進行控制。針對不同情況下的超車問題，國外的研究成果相對豐富，提出了車道偏離預警系統（Lane Departure Warning，LDW）、換道輔助系統（Lane Change Assistance，LCA）、智能車速輔助系統（Intelligent Speed Assistance，ISA）、視覺增強系統（Vision Enhance，VE）等為駕駛員的操作提供建議或預警。國內比較完善的換道模型與預警系統有吉林大學的基于最小安全距離的換道模型、中國科學技術大學的基于駕駛員—車輛的模糊換道模型以及同濟大學的在交通擁堵情況下的換道模型等，這些模型都取得了良好效果，但在輔助駕駛員決策與操作上的理論卻不太完善。針對車輛的不同工況，在介紹智能變道輔助系統的基礎上，推導超車距離的統一公式，并設計相應的控制策略和輔助操作理論，進行典型工況下的仿真分析并在搭建的硬件在環臺架上進行驗證。

1 智能變道輔助系統方案設計

1.1 輔助系統總體結構

智能變道輔助系統分為傳感器輸入層、控制決策層和執行層，具體由駕駛員行為感知子系統、工況與車輛狀態感知子系統、通訊網絡子系統和車輛控制子系統組成。駕駛員行為感知子系統由擋位位置傳感器、轉向燈系統、車道偏離預警系統等組成。工況與車輛狀態感知子系統由前后4個77GHz毫米波雷達、車載攝像頭、車速傳感器、加速度傳感器和加速踏板位置傳感器等構成。通訊網絡子系統包括CAN網絡等。車輛控制子系統由電動助力轉向系統（Electric Power Steering，EPS）、自動變速器控制單元（Transmission Control Unit，TCU）、電機控制單元（Motor Control Unit，MCU）和電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）等構成。系統總體結構如圖1所示[1]。

圖1 系統總體結構圖

1.2 輔助系統功能設計

1.2.1 駕駛員行為感知子系統

該子系統的功能是準確地判斷駕駛員的超車意圖，為系統是否介入提供判斷依據。

1）左、右轉向燈開啟；

2）車輛偏離預警系統監測到車輛偏離當前車道。

在滿足兩個條件之一或同時滿足兩個條件的情況下智能變道輔助系統自動開啟并進入工況與車輛狀態感知子系統。

1.2.2 工況與車輛狀態感知子系統

該子系統的功能是根據當前車輛所處的不同工況和車輛狀態，綜合判斷駕駛員能否安全地完成一次超車或變道行為。

1）雙向道路工況。

雙車道公路作為一般干線公路是我國公路網中最為主要和普遍的公路形式，具有兩條行車道，每條車道用于一個方向的交通，不同路段的中心線有實線、虛線之分。當視覺感知系統判斷車輛當前行駛在道路中心線為黃虛線或白線的雙向道路時，系統識別為雙向道路工況。典型雙向道路超車工況如圖2所示[2]。

圖2 典型的雙向車道超車工況

現在以雙向道路上的超車行為為例計算安全距離。我國的雙車道公路超車視距計算中有關超車與被超車間的車速關系見表1[3]。

表1 超越車與被超車間的車速關系 km/h

由表1可知，車輛在實施超車操作前處于低速跟行狀態，實施超車時車速最多高于目標車輛20 km/h，據此可計算加速超車時的超車距離[4]。

（1）加速過程。

在時刻，若滿足超車條件，車輛+1行駛至對向車道并加速行駛追上車輛，設加速度為，加速時間為1，加速過程距離1為

式中，v+1(1)為加速過程末車輛+1的速度，km/h。

（2）勻速過程。

在+1時刻，車輛+1進入勻速行駛階段并在完成超車后返回原車道，距離2為

式中，2為車輛+1勻速行駛的時間，s。

（3）對向來車勻速行駛過程。

在超車過程中車輛+1的對向車輛保持勻速行駛，其行駛距離3為

（4）安全間隔。

超車動作結束后車輛+1與車輛間的剩余距離常取4=50 m。

所以雙向車道工況下超車距離的計算公式為

即

判定超車距離時，本車距離與對面來車距離大于才可以判定為符合與前車的距離條件，同樣，需同時滿足與后車的距離條件。

2）單向道路工況。

當車輛行駛于設有中央隔離帶的單向通行道路時，系統切換至單向車道工況。此時系統通過毫米波雷達判斷目標區域附近有無障礙物及與障礙物的距離和相對速度，同時通過視覺感知系統判斷車輛當前是否行駛在彎道、路口、隧道、黃實線旁等道路法規禁止超車的位置。典型的單向道路工況如圖3所示。

單向道路工況的超車安全距離可由雙向道路工況推導得[5]

同樣，判定超車條件時，本車與前、后車的距離條件同時滿足才可判定為滿足超車條件。

1.2.3 車輛控制子系統

該子系統的功能是接收工況與車輛狀態感知子系統傳來的數據信息并向駕駛員做出反饋，包括聲光報警系統、加速踏板智能輔助系統和轉向盤手力調節系統。控制原理如圖4所示。

圖4 車輛控制子系統控制原理

1）語音報警系統。

當道路環境與車輛狀態感知子系統判定車輛當前不具備超車條件時，語音報警系統發出不同提示音以提醒駕駛員終止超車操作。提示音根據車輛不滿足超車條件的情況分為：前方有車、側向有車、后方有車、速度不足和違法路段等。

2）加速踏板智能輔助系統。

當車輛處于單向道路工況，符合超車條件并進入超車動作實施階段時，車身側向的毫米波雷達若探測到車輛側方有車并行，則啟動智能加速踏板輔助系統，增大節氣門開度，快速提升車輛速度以減少并行時間，提高行車安全性。加速踏板智能輔助系統在開關兩種狀態下的速度變化如圖5所示。

圖5 加速踏板輔助系統對車速的影響

3）轉向盤手力調節系統。

當車輛符合超車條件且駕駛員發出轉動轉向盤的動作時，EPS系統工作產生轉向助力，幫助駕駛員更高效地完成轉向操作。

當車輛不符合超車條件時，電機反轉，在轉向盤上施加反向力矩阻止駕駛員的不合理行為，若駕駛員繼續轉動轉向盤，當施加在轉向盤上的力矩達到8 N·m時，反向力矩退出，切換至轉向助力模式。

2 加速踏板智能輔助系統控制算法設計

當加速踏板智能輔助系統的控制系統工作時，由控制器通過加速踏板進行輔助加速。為了實現更好的魯棒控制性能，采用滑模變結構控制方法設計控制器，使車輛的行駛速度高于毫米波雷達測得的另一車道的目標車輛速度15 km/h，從而達到輔助駕駛的目的[6]。

將智能變道輔助系統輸出的狀態向量d設為車輛的目標車速d，將車輛實際輸出的狀態向量定義為實際車速，將車輛的實際輸出狀態與智能變道輔助系統的目標狀態d之間的誤差稱為系統誤差1。

為使車輛的實際輸出狀態跟隨期望狀態，使系統誤差1為0，則將系統誤差視為滑模變結構控制的滑模面，即

對式（8）求導，并結合式（7）可得

式中，

為使系統能快速滑向滑模面1，設計滑模控制器的趨近速率為指數趨近律，即

式中，1、1均為對角增益矩陣，且對角數值均大于0。

結合滑模控制器的趨近律，式（9）可表示為

最后，對式（11）進行變換，得到滑模控制器的控制輸入變量的表達式為

至此，智能變道輔助系統控制器設計完成，控制器的輸入為系統的期望輸出狀態d以及車輛系統的反饋狀態，輸出為加速踏板。

3 硬件在環仿真分析

3.1 硬件在環臺架設計

硬件在環臺架結構如圖6所示。在臺架最底端以ABS（Antilock Brake System，制動防抱死系統）/ESP（Electronic Stability Program，車身電子穩定系統）液壓單元為核心構建液壓制動系統，ABS/ESP液壓單元主油路連接到真空助力器出油口，真空助力器上安裝配套的制動踏板，整體固定在臺架上，真空助力器的真空度由真空泵提供。使用者坐在座椅上，踩下踏板即可實現制動。

ABS/ESP液壓單元支油路分別連接至左前輪制動卡鉗、右前輪制動卡鉗、左后輪制動卡鉗、右后輪制動卡鉗，每個支油路上安裝一個壓力傳感器，可以實時采樣輪缸壓力。每個制動卡鉗內安裝制動片，當踩下制動踏板時，制動片會夾住制動盤，輪缸壓力升高。

主動轉向系統以EPS轉向管柱為核心，固定在機架上，管柱上端安裝配套的轉向盤，下端與負載電機連接，使用者轉動轉向盤時，帶動管柱轉動，負載電機施加模擬負載，阻止轉向盤轉動。集成在管柱上的轉矩傳感器可以反饋當前轉矩信號，安裝在管柱上的貫通式編碼器可以反饋轉向盤轉角信號。在助力電機不啟動時，使用者必須克服模擬負載轉矩才能轉動轉向盤，助力電機正常工作時，使用者才能正常轉動轉向盤。

圖6 硬件在環臺架結構

3.2 仿真分析

為了使加速踏板智能輔助系統的輸出更加準確地跟蹤期望值，采用滑模變結構控制方法設計控制器，相比較于傳統的PID模型控制更加精確、穩定。能夠使車輛獲得更平順的加速過程和更理想的輸出速度。如圖7所示，采用滑模變結構控制的加速踏板智能輔助系統相對于PID模型有更好的穩定性和響應性。如圖8所示，采用該系統的車輛較采用PID型的車輛加速更平順。

圖7 滑模控制與PID控制效果比較

圖8 不同控制方法對節氣門開度的影響

4 小 結

1）通過開發基于縱側向動力學控制的智能變道輔助系統，實現了提高駕駛員超車變道安全性、減輕駕駛員操作負擔的目的，并能夠保證車輛擁有足夠的動力性和駕駛性能；

2）基于滑模控制的加速踏板輔助控制系統能夠使節氣門開度變化平穩，解決車輛加速時的車身抖動問題，同時較PID控制具備更優的響應性；

3）通過控制車輛的變道次數和超車時間，系統能夠有效緩解交通擁堵壓力，提高道路通行能力。

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2018-04-02

安徽省自然科學基金1508085QE92，合肥工業大學2017年省級大學生創新創業訓練計劃項目2017CXCYS191。

1002-4581（2018）04-0023-05

U471.1：TP273

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2018.04.007