車輛縱向避撞系統(tǒng)仿真與建模

劉明成，申榮衛(wèi)

（天津職業(yè)技術師范大學汽車與交通學院，天津 300222）

1 避撞系統(tǒng)的總體設計

在聯(lián)合仿真中車輛避撞系統(tǒng)由三部分組成，分別為環(huán)境感知、中央決策、執(zhí)行機構。其具體的組成如圖1所示。

及時獲取本車和前車的運動信息是實現(xiàn)車輛避撞的首要條件，運動信息包括：本車的加速度、本車車速、本車發(fā)動機的轉速、兩車的相對車速、相對距離等信息，其中本車的信息主要是依靠各種車載傳感器獲取，車輛間的參數(shù)主要是依靠車載雷達來獲取，目前比較先進的車載雷達是毫米波雷達。

本車車載傳感器會實時獲取運動信息，防撞系統(tǒng)會根據(jù)這些運動信息及時計算出本車理論安全距離的最小值，并且與實際的車距來進行對比，避撞系統(tǒng)根據(jù)對比結果來判斷當前的安全狀態(tài)，并將相應的控制指令發(fā)送到執(zhí)行器。

控制指令需要在執(zhí)行器中實現(xiàn)，避撞系統(tǒng)通過調節(jié)節(jié)氣門開度或制動壓力來實現(xiàn)車輛的變速運動。

圖1 避撞系統(tǒng)組成

2 車輛模型的建立

2.1 Carsim車輛動力學模型建立

Carsim軟件可以較精確地搭建車輛動力學模型，在整車仿真中只需要輸入關鍵的參數(shù)，便可以實現(xiàn)車輛建模并且對模型進行分析，Carsim建模將整車分為轉向系、制動系、傳動系、懸架、車身、車輪、空氣動力學七部分。

所選車型為兩廂式小轎車，前輪驅動，發(fā)動機功率為125kW，ABS功能，傳動系為六速變速器，關于其他車輛設置采用軟件的默認設置。

2.2 車輛逆動力學模型的建立

車輛在實際行駛過程中，對油門和制動踏板的控制是分開的，若需要加速行駛，踩下油門，節(jié)氣門開度變大，實現(xiàn)車輛加速；若需要減速，松開制動踏板，在空氣和滾動等阻力作用下汽車會減速。當這些阻力達不到所需要的減速度時，此時需要制動踏板來提供足夠的制動力。因考慮到車輛的舒適性以及在加速和減速間的平穩(wěn)切換，需要設置節(jié)氣門和制動踏板的切換邏輯。

如圖2所示即為在不同車速下松開油門和制動踏板減速度的最大值，在切換區(qū)域設置寬度為△h=0.02g過渡區(qū)域[1]。

圖2 切換邏輯

（1）當ades＞ a+△ h，為節(jié)氣門控制，制動器無操作。（2）當 ades＜a-△h，為制動器控制，節(jié)氣門無動作。（3）a-△h＜ades＜a+△ h時，維持當前狀態(tài)，不進行切換。

2.2.1 節(jié)氣門控制

若汽車需要加速行駛，則需要將期望加速度 ades的大小轉化為期望發(fā)動機力矩Tdes。

汽車運動方程如下：

在式（1）中：Ft表示車輛受到的驅動力，∑F（v）表示車輛受到的阻力之和。即：

在式（2）中：ρ為空氣阻力，f為汽車滾動阻力系數(shù)，CD為空氣阻力系數(shù)。A為迎風面積，

驅動力計算公式如下：

其中：η為機械效率；Te為發(fā)動機輸出的扭矩；為液力變矩器扭矩特性函數(shù)；Rg為變速器擋位速比，Rm為主減速速比，Kd為實時計算的量。

求出期望的發(fā)動機扭矩Tdes和期望減速度ades，根據(jù)發(fā)動機map圖，即可得期望節(jié)氣門開度αdes[2]：。

圖3 發(fā)動機扭矩圖

2.2.2 制動控制

車輛在水平路面上行駛受到的阻力為：

聯(lián)立（7）（8）得：

在Carsim中進行車輛仿真，得到系數(shù)Kb=1612。

3 控制器設計

控制器作為決策單元是發(fā)揮系統(tǒng)安全性的關鍵環(huán)節(jié)。從駕駛員舒適性、安全性等方面來考慮，控制系統(tǒng)采用分層控制方案。

3.1 上層控制器設計

上層控制器一般都是采用經典的PID控制，該控制算法簡單、穩(wěn)定性好，在PID控制中，最主要的是確定kP、kI、kD，經過多次的設定，確定PID的三個參數(shù)數(shù)值依次為：kP=5、kI=10、kD=0.02。

3.2 下層控制器設計

基于模糊控制的上層控制器如圖4所示。

圖4 基于模糊控制的上層控制器

模糊控制是根據(jù)人的經驗來構建，駕駛員一般是根據(jù)前后車距與當前車速來估算當前車輛安全狀態(tài)。因此將實際距離與安全距離的差作為輸入量[3]。

式中，dr表示實際車間距離，dh表示期望車間距離，v前表示前車車速，v后表示后車車速。

將輸入和輸出作為七種不同的模糊語言來表示。分別是：正大（PB）、正中（PM）、正小（PS）、零（ZO）、負小（NS）、負中（NM）、負大（NB）。

3.2.1 輸入和輸出的模糊化

設置的相對速度的論域為[-60，60]km/h，實際車距與安全車距的差值論域為[-25，25]m，自車的加速度論域為[-5，0]m/s2。

3.2.2 隸屬度函數(shù)的確定

查閱相關的資料得知，輸入信號隸屬度函數(shù)為高斯函數(shù)[4]。

圖5 車距差隸屬度函數(shù)

圖6 速度差隸屬度函數(shù)

3.2.3 模糊規(guī)則的建立

（1）dv較小，而Ds較大時，此時車輛處于安全狀態(tài)，維持當前車速即可。

（2）dv很小，而Ds很小，此時車輛處于危險狀態(tài)，應該采取較大制動力，避免事故的發(fā)生。

（3）dv和Ds都較大或者較小時，可以進行輕微制動，提前遠離危險工況。

根據(jù)以上三條來制定以下 49條模糊控制規(guī)則，如圖 8所示。

模糊關系可以很好地體現(xiàn)出輸入與輸出的復雜的非線性關系，這種關系實際符合人的邏輯推理，容易被接受。

圖8 模糊控制規(guī)則

4 聯(lián)合仿真

車輛在制動時，其舒適性的主要評價指標為汽車沖擊度j來衡量，即減速度的變化率da/dt；

式中，a為車輛的縱向減速度；v為車速。

德國相關研究得知[5]：當減速度大于10m/s2時，舒適性很差，因此汽車在制動時候，在保證安全的前提下，減速度需要盡可能地小，在仿真中若減速度大于10m/s2時，就要對控制策略進行優(yōu)化，為了驗證所設計的參數(shù)是否符合要求，以前車緊急制動來進行仿真實驗，如圖9所示，即為仿真搭建的模型結構。

圖9 聯(lián)合仿真回路

4.1 接近緊急制動目標的仿真

設置自車與前車車速均為50km/h，其中自車在原點處，前車位于本車前40m處，前車在某一刻突然緊急制動，進行仿真的圖像如圖10-13所示。

圖10 前后車速變化

圖11 前后車位移變化

圖12 本車加速度變化

圖13 前后車距變化

由圖10可知，在第3s時前車開始緊急制動，在6s時前車制動停止，由圖11可知，前3s兩車車距保持恒定，在5.5s時，本車檢測到危險開始制動，由圖13可知，前后兩車最后車距維持在5m。

由圖12的本車加速度曲線可知，實際減速度和期望加速度誤差較小，且減速度穩(wěn)定性好。

5 結論

根據(jù)接近緊急制動目標的仿真，基于模糊控制的PID控制器能夠實現(xiàn)基本的避撞功能。

基于PID控制的控制器在實現(xiàn)避撞的同時系統(tǒng)還具有很好的魯棒性以及良好的舒適性，使得避撞系統(tǒng)更容易被駕駛員所接受。