電動小汽車縱向主動避撞系統的建模與仿真

左思 張甫城 張新鋒

摘 要：隨著我國汽車行業的快速發展，小轎車已經成為了普通家庭的標配，私家車的普及為我們的出行帶來了極大的方便。在享受汽車帶來的生活便利的同時，交通事故帶來的人民生命、財產損失卻不容忽視，因此，汽車主動安全性受到越來越廣泛的關注。文章利用Carsim軟件進行整車建模，利用Matlab/Simulink軟件搭建電動小汽車的主動避撞控制策略以及仿真模型包括加速/制動切換模型、電機逆模型、制動系逆模型。最后將各個模塊連接在一起，形成了Matlab/Simulink與Carsim的閉環聯合仿真系統。

關鍵詞：電動小汽車;縱向主動避撞;Carsim;聯合仿真

中圖分類號：U467 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）19-183-04

Modeling and simulation of the longitudinal active collision avoidance

system of an electric car

Zuo Si， Zhang Fucheng， Zhang Xinfeng

（ Changan University Automotive College， Shaanxi Xi'an 710006 ）

Abstract： With the rapid development of Chinas automobile industry， car has become the standard for ordinary families， and the popularization of private cars has brought great convenience for our travel. While enjoying the conveniences brought by the automobile， the peoples life and property loss caused brought by the automobile cant be ignored. Therefore， the active safety of the automobile is paid more and more attention. In this paper. Carsim software was used for vehicle modeling， and Matlab/Simulink software was used to build the active collision avoidance control strategy of the electric car as well as the simulation model， including the acceleration/braking switching model， the motor inverse model and the braking system inverse model. Finally， the modules are connected together to form the closed loop joint simulation system of Matlab/ Simulink and Carsim.

Keywords： Electric car; Longitudinal active collision avoidance; Carsim; Joint simulation

CLC NO.： U467 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）19-183-04

引言

隨著科學技術的不斷發展，現代汽車主動避撞系統功能愈加強大，現代汽車主動避撞系統已經能夠做到自適應巡航ACC，車輛主動報警CWS，路徑規劃，路徑跟蹤（MPC），復合型車輛智能控制系統等。隨著V2X技術的不斷發展，V2X技術將在汽車主動避撞系統中起著舉足輕重的作用，V2X技術可以實現車與車之間的通信，例如V2X可以獲取他車的經度、他車行駛航向角度、他車緯度，他車的方向盤轉角狀態，他車車速大小，他車油門大小狀態、他車制動踏板狀態及車高、車長、車寬等信息。這樣獲得的信息便不受傳感器的靈敏度、天氣等因素影響，更加準確、可靠。

本文設計的電動小汽車主動避撞系統利用車載雷達采集到的信息，比如前后車的相對速度，相對距離等信息傳給電動小汽車主動避撞系統的ECU，ECU根據傳感器采集到的信息按照預先設置的控制策略主動減速或者加速，使自車能夠與前車保持安全距離并以合適的車速跟車行駛，實現電動小汽車縱向的主動避撞。

1 電動小汽車縱向主動避撞系統得建模

1.1 Carsim整車模型的建立

因CarSim中只有針對常規燃油汽車的整車模型，即其動力是由發動機經傳動系統傳至車輪，而本文的電動小汽車動力是通過電機直接驅動產生的。所以，針對電動小汽車在CarSim環境下的整車建模跟傳統汽車不同，需要借助外部的接口接入給其提供驅動力[4]，如圖2所示。

本文建立的整車模型參數如下表所示：

Carsim與 Simulink的聯合仿真輸入變量為IMP_MYUS -M_L1，IMP_MYUSM_L2，IMP_MYUSM_R1， IMP_MYUS -M_R2，IMP_PCON_BK;輸出變量為：SpdS1_1，Vx，DisS1_1，Ax。

1.2 電動小汽車逆縱向動力學建模

本文采用分層式控制思想來設計電動小汽車縱向主動避撞系統。分層式控制即為上層控制和下層控制，上層控制器根據汽車的當前行駛狀態，按照預先設定的控制策略輸出電動汽車期望的加速度，下層控制器根據上層控制器輸出的期望加速度計算得到期望的電機轉矩和期望的制動壓力，再將轉矩和制動壓力輸入到整車模型中對汽車的縱向運動進行控制，避免前后兩車發生碰撞。

電動小汽車主動避撞系統分層式控制思想如下圖：

若汽車當前應進行加速，則需要根據期望的加速度ades，通過電機逆模型，求得期望的電機輸出轉矩[1]。設：

（1）

根據文獻[1]得到純電動小汽車行駛方程式為：

（2）

則根據公式（2），期望的電機輸出轉矩可簡化為：

（3）

根據汽車的行駛阻力平衡方程，可得到汽車制動時動力學平衡方程：

（4）

因Fxb與p成正比關系，即：

（5）

由公式（4）、（5）可得到期望制動壓力為：

（6）

2 模糊控制

駕駛員在駕駛過程中，通過前后車的相對距離和相對速度來判斷汽車當前是否處于危險工況，如果處于危險工況則踩剎車制動，否則踩油門進行加速。駕駛經驗豐富的老司機能夠通過肉眼大致判斷自車速度與目標車速得到一個安全距離，然后將前后車的相對距離與安全距離進行比較，若相對距離小于安全距離，則制動剎車，避免前后車發生碰撞引發交通事故。若相對距離大于安全距離則加速行駛。因此，本文將前后車的相對距離與安全距離之差作為模糊控制器的第一個輸入量。

（7）

因為前后車的相對速度（自車速度與前車速度之差）也是判斷汽車是否處于安全行駛狀態的一個重要指標。所以，本文將前后車的相對速度作為模糊控制器的第二個輸入量，即：

（8）

本文在搭建電動小汽車縱向主動避撞系統的控制器時采用Sugeno型模糊算法，輸出變量為期望加速度ades 其規則形式如下：

（9）

式中：x和y為模糊控制器輸入變量，A和B為輸入變量的模糊集合，z為輸出變量，k為常數。

本文的模糊推理規則共25條，模糊控制規則見表2。

3 仿真結果分析

3.1 前車靜止工況

前車速度為零，自車與前車的初始距離為30m。仿真得到自車與前車的速度變化如圖3所示，前后車相對距離變化如圖4所示。

由圖3可知，在開始時刻，自車速度逐漸增加，在6s之后車速逐漸減小，最后在22s左右速度降為零，而前車速度一直為零。由圖4可知，在開始時刻，前后車的相對距離為30m，隨著時間的增加，前后車的相對距離逐漸減小，在22s左右保持不變。經過分析可以得出：在該工況下，前后兩車并沒有發生碰撞，達到了主動避撞的要求。

3.2 前車勻速工況

前車以30km/h勻速運動，自車的初速度也為30km/h，自車與前車的初始距離為20m。仿真得到自車與前車的速度變化如圖5所示，前后車相對距離變化如圖6所示。

由圖5可知，在開始時刻，自車速度逐漸增加，在7s之后車速逐漸減小，最后在50s左右速度降為30Km/h，自車與前車保持相同的速度行駛。由圖6可知，在開始時刻，前后車的相對距離為20m，隨著時間的增加，前后車的相對距離逐漸減小，在50s左右保持不變。經過分析可以得出：在該工況下，前后兩車并沒有發生碰撞，達到了主動避撞的要求。

3.3 前車緊急停車工況

前車以30km/h勻速運動，前車在12s時速度變為零，自車的初始速度也為30km/h，自車與前車的初始距離為20m。仿真得到自車與前車的速度變化如圖7所示，前后車相對距離變化如圖8所示。

由圖7可知，在開始時刻，自車和前車均以30km/h的速度行駛，6s之后前車速度開始從30km/h減速，在12s時停止;自車速度也逐漸減小，在18s時速度降為零。由圖8可知，在開始時刻，前后車的相對距離為20m，由于開始幾秒鐘，兩車速度相等，相對距離并未發生變化，隨著時間的增加，前后車的相對距離逐漸減小，在17s左右保持不變。經過分析可以得出：在該工況下，前后兩車并沒有發生碰撞，達到了主動避撞的要求。

3.4 復雜工況仿真分析

初始時刻前車以40km/h的速度運動，自車的初速度也為40km/h，自車與前車的初始距離為20m。前車做無規律的運動（突然減速，勻速加速，減速），仿真得到自車與前車的速度變化如圖9所示，前后車相對距離變化如圖10所示。

由圖5.7可知，自車速度隨著前車速度的變化而變化。當前車減速時，自車速度也減小;當前車加速時，自車速度也逐漸增加。由圖5.8可知，前后車的相對距離不斷變化，但自車與前車都在安全距離之外不會發生碰撞。經過分析可以得出：在復雜工況下，前后兩車并沒有發生碰撞，達到了主動避撞的要求。

參考文獻

[1] 閆丹彤.電動汽車主動避撞控制系統建模與仿真研究[D].湖南大學，2015.

[2] 鄭磊.汽車縱向主動避撞系統的仿真研究[A].四川省汽車工程學會、成都市汽車工程學會.四川省第十一屆汽車學術年會論文集[C].四川省汽車工程學會、成都市汽車工程學會：2013：7.

[3] 侯德藻，劉剛，高鋒，李克強，連小珉.新型汽車主動避撞安全距離模型[J].汽車工程，2005（02）：186-190+199.

[4] 劉秋生.輪轂電機電動汽車實車平臺及其驅動控制策略研究[D].西華大學，2016.