自適應巡航控制系統的設計及硬件在環仿真

黃 鵬，何 通，李世豪

（長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

目前自適應巡航控制系統著重單一穩態跟隨工況的研究，然而現實中交通環境是多樣和隨機的，及時恰當的模式切換策略對于自適應巡航控制（Adaptive Cruise Control, ACC）系統有著關鍵意義。文獻[1]為盡可能消除模式切換時加速度跳變現象，采用加速度加權平均算法來減少車輛在模式切換過程中的抖振，但該方法無法徹底消除這一現象。文獻[2]提出一種在定速巡航模式下虛擬前車的方法，與常規模式切換策略相比系統響應更加平穩。本文上位控制器的設計采用線性二次型調節器（linear quadratic regulator, LQR），并在虛擬前車方法的基礎上設計了模式切換策略。

硬件在環仿真測試可以在實車測試前對控制器進行功能驗證，對于開發周期的縮短和成本的降低均有重要意義。文獻[3]對設計的自適應巡航控制器在Matlab/Simulink中建立系統模型進行仿真。文獻[4]對設計的 ACC 系統在 Carsim 和Simulink中進行典型工況聯合仿真試驗。文獻[3]和文獻[4]對ACC系統的測試均在純仿真階段。文獻[5]對設計的考慮車間反應距離的 ACC系統進行了實車試驗。目前對于ACC系統硬件在環仿真研究較少，本文首先基于 Simulink和 PreScan對ACC系統進行聯合仿真，驗證算法的可行性，然后生成代碼并下載到電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU），最后搭建基于dSPACE的硬件在環仿真平臺，對設計的ACC控制器功能進行充分驗證。

1 自適應巡航控制系統總體設計

本文采用上、下位控制器模式設計了ACC控制系統，圖 1為自適應巡航控制系統總體結構。上位控制器負責接收自車車速和傳感器檢測到的車間相對距離與相對速度Δ，首先確定出期望車距、期望車間距誤差Δ，然后通過狀態切換策略決定進入速度控制模式或距離控制模式，最后LQR控制器根據Δ和Δ計算出期望加速度；下位控制器首先根據上位控制器得出的通過切換策略決定進入驅動或制動模式，進而由逆縱向動力學模型計算得到期望節氣門開度和制動壓力，最后將和傳入車輛動力學模型，實現對車速和車距的自適應控制。

圖1 自適應巡航控制系統總體結構

2 上位控制器的設計

2.1 安全車距的計算

安全車距決定了ACC系統的跟車距離，安全車距過小容易造成危險工況，安全車距過大容易被旁車道車輛換道插入，意味著跟車效率下降。因此，合理的安全車距能較好地適應多變的交通環境，保證安全性與跟車效率的平衡。

文獻[6]提出了可變安全車距模型

式中，為安全車距；為自車車速；為前車車速；為駕駛員和車輛的反應時間；為最小制動減速度；Δ為停車時兩車安全車距。

具體到車輛，、、Δ均為定值，此處取 0.8 s，取 5.5 m/s，Δ取 3 m。行駛中防止前車因碰撞或其他因素導致車速突變為0，為保證自車安全性，取為0 m/s，化簡式（1）得到

文獻[5]通過車間反應距離判斷自車對目標車輛作出反應的時機

式中，表示車間反應時距。

式中，為定速巡航車速；=2.5 s為設定的安全時距，式（3）可化簡為

在速度控制模式下，當目標車輛在車間反應距離之外時（＞），不受前車影響繼續保持駕駛員設定的巡航車速行駛，當車距減小到車間反應距離之內時（≤），進入距離控制模式。

2.2 LQR控制器的設計

最優控制是在給定約束條件下，尋求使得系統性能指標達到極大（或極小）的反饋控制，ACC系統的設計是一個典型的最優控制問題。可以用狀態空間方程來描述自車與前車之間的運動關系

式中，表示狀態量；表示自車加速度是系統控制量；為目標車輛加速度；表示系統擾動量。由于rank[]=2滿秩，因此通過控制系統可控準則判斷上述系統具有完全可控性。

為了同時減少理想車距誤差 Δ和相對車速Δ，引入線性二次優化性能指標函數

式中，為狀態量權重系數；為控制量權重系數。

以性能指標函數最小為目標，最優控制為

式中，為狀態反饋系數矩陣，=diag[,]。選擇適當的權重系數，經比較不同值的控制效果最終選取1，6，18，計算得到0.235 7，0.542。為避免期望加速度過大超出正常范圍或引起乘員不適，用飽和限制函數將限制在[0.4,0.3]的范圍內。

2.3 狀態切換策略

在真實行車環境中，在各種狀態之間準確、平穩切換對汽車安全性和乘坐舒適性具有重要意義。上位控制器控制模式切換流程如圖2所示。

圖2 上位控制器模式切換策略

（1）首先判斷是否檢測到目標車輛，檢測到目標車輛時==1；

（2）當沒有檢測到目標車輛（==0）或者前車在控制距離之外（＞）或者前車車速大于設定的定速巡航車速（＞）時，切換到速度控制模式，此時設置一虛擬車輛以設定巡航車速始終行駛在安全距離位置，即=，Δ=0，Δ=－；

（3）當檢測到目標車輛（==1）且位于控制距離之內（≤）并且前車車速小于設定巡航車速（≤）時，切換回距離控制模式，此時上位控制器使用傳感器實際檢測到的前車信息，即目標車輛車速=+Δ，期望車距誤差Δ=；

（4）經過狀態切換層的決策，將速度差Δ和期望車間距誤差Δ傳入LQR控制器計算得到期望加速度。

3 逆縱向動力學模型

逆縱向動力學模型由驅動模塊和制動模塊組成，實際制動時應首先充分利用發動機和傳動系統的倒拖、道路阻力和空氣阻力，當減速度不滿足制動需求時采用制動系統的制動力。在dSPACE車輛仿真模型（Automotive Simulation models,ASM）里進行帶擋滑行試驗，圖 3為測出的對應不同車速下的滑行減速度。為避免自適應巡航系統在曲線附近位置頻繁驅動、制動切換，破壞乘坐舒適性，設置厚度為（+）的緩沖層，緩沖層厚度過小不能解決頻繁驅動、制動轉換的問題，緩沖層厚度過大會引起系統響應滯后，進而發生控制超調。經過多次驅動、制動跟隨試驗，確定出為 0.05 m/s，為 0.1 m/s。

圖3 帶擋滑行減速度

上位控制器將解算得到的期望加速度輸入下位控制器，在對應車速下，當≥+時進入驅動模式，當≤+時進入制動模式，當＜＜+時保持上一狀態不變。

3.1 驅動控制

進入驅動模式后，通過上位控制器計算得出的期望加速度求解所需發動機扭矩，對應扭矩和發動機轉速在逆發動機map圖里確定節氣門開度。

汽車行駛方程式為

式中，為地面制動力，由于驅動時無制動器制動力，因此地面制動力=0；為驅動力；為發動機扭矩；為變速器傳動比；為主減速器傳動比；為傳動系機械效率；為液力變矩器渦輪轉速；為發動機轉速；(/)為液力變矩器轉矩特性函數；為車輪滾動半徑；為滾動阻力；為滾動阻力系數；為汽車質量；為坡道阻力；為道路坡度；為重力加速度；為空氣阻力；為車輛迎風面積；為空氣阻力系數；為空氣密度；為汽車車速（m/s）；為加速阻力；為旋轉質量換算系數；為期望加速度。

聯立式（12）—（17）得到

圖4為根據dSPACE車輛動力學模型ASM中發動機脈譜圖得到的發動機逆脈譜圖。對應發動機轉速和轉矩，可以采用二維查表法確定相應的節氣門開度：

圖4 發動機逆動力學模型

3.2 制動控制

進入制動模式后，通過上位控制器計算得出的期望加速度求解所需制動力，然后由制動系統逆模型得到期望制動壓力（單位bar），進而控制制動系統動作。

制動和驅動是分開動作的，此時節氣門開度為0，驅動力為0，聯立式（12）—（17）得到

當制動力不超出地面附著力時，可以認為制動力和制動壓力近似呈線性關系，表示為

式中，為一系數，由式（20）（21）（22）得到

經過仿真試驗，確定系數=220.34。

4 硬件在環測試

試驗選用dSPACE公司的SCALEXIO實時仿真模擬器，dSPACE自帶高自由度車輛動力學模型ASM。本文選取自適應巡航控制器ECU主控芯片型號為英飛凌SAK-TC234LP-32F200F AB。

圖5為硬件在環仿真測試平臺結構，采用PreScan搭建ACC典型測試場景，聯合Simulink、dSPACE進行ECU硬件在環仿真測試。

圖5 硬件在環仿真測試平臺結構

在PreScan中創建測試工況，分別設計了目標車輛跟隨、目標車輛切出、旁車低速切入三個試驗。

4.1 目標車輛跟隨試驗

自車選用ASM中MidSizeCar，試驗選取平直道路，設置自車初始位置（質心位置）在原點處，初始車速為 20 m/s，定速巡航車速設置為30 m/s。前車初始位置（質心位置）在50 m處，初始車速為25 m/s，勻速行駛900 m后以-1 m/s的減速度減速至 15 m/s，然后勻速行駛至仿真結束。試驗1結果如圖6—圖8所示。

圖6 試驗1車速變化曲線

圖7 試驗1相對距離曲線

圖8 試驗1加速度變化曲線

圖6可見，試驗一開始自車識別出目標車輛，進入距離控制模式，自車車速逐漸從20 m/s提高到25 m/s。當前車突然以-1 m/s的加速度制動到15 m/s時，自車也能及時制動，速度跟隨到15 m/s。

圖7可見，加速跟隨前車階段，相對距離（自車最前端到前車尾部）逐漸從45.5 m穩定到80 m；前車減速后，將距離控制在35 m。

圖8可見，在試驗1工況下自車實際加速度變化趨勢與理想加速度變化趨勢基本相同，表明下位控制器具有較準確的執行能力。

4.2 目標車輛切出試驗

自車初始位置在原點處，初始車速為15 m/s，定速巡航車速設置為30 m/s。前車初始位置在50 m處，初始車速為25 m/s，勻速行駛至600 m處，換道切出。試驗2結果如圖9—圖11所示。

圖9 試驗2車速變化曲線

圖10 試驗2相對距離曲線

圖11 試驗2加速度變化曲線

由圖 9可知，自車一開始鎖定目標車輛，進入距離控制模式跟隨前車，車速由15 m/s逐漸提高至25 m/s。前車行駛至600 m處換道切出，此時自車雷達檢測不到目標車輛，模式切換至速度控制，車速逐漸提高到設定的巡航車速30 m/s。

由圖10可知，加速跟隨前車階段，相對距離逐漸從45.5 m提高至80 m，前車變道切出后相對距離跳變為0，此時進入速度控制模式。

圖11為加速度變化曲線。在試驗2工況下自車實際加速度變化與理想加速度變化趨勢基本相同。

4.3 旁車低速切入試驗

設置自車初始位置在原點處，初始車速為20 m/s，定速巡航車速設置為30m/s。前車 1初始位置在80 m處，初始車速為28 m/s，前車1保持勻速行駛，在530 m處，前車2以15 m/s的車速緊急切入自車和前車1之間。試驗 3結果如圖12—圖14所示。

圖12 試驗3車速變化曲線

圖13 試驗3相對距離曲線

圖14 試驗3加速度變化曲線

由圖12可知，自車一開始進入距離控制模式，車速跟隨前車1至28 m/s，在530 m處，前車2緊急切入自車和前車1之間，自車將前車 2鎖定為新的目標車輛，進入距離控制模式，減速跟隨前車2至11 m/s后加速跟隨，最終自車車速穩定在 15 m/s。

由圖13可知，加速跟隨階段，相對距離從75.5 m逐漸穩定至95 m，前車2切入自車車道后相對距離跳變為32 m，采取制動后由于前車2車速小于自車車速，相對距離進一步縮小，自車減速至小于目標車輛車速后，相對距離逐漸增大，最終穩定在35 m。

由圖14可知，在試驗3工況下自車實際加速度變化趨勢與理想加速度變化趨勢基本相同。

5 結論

硬件在環仿真測試結果表明，當目標車輛速度變化、前車切出、旁車道車輛低速切入時，設計的基于最優控制的ACC系統可以適應多變的交通場景，及時做出正確的決策，在距離控制模式下可以保證安全跟車距離的同時穩定跟隨前車，在速度控制模式下可以平穩地跟隨設定巡航車速行駛。