具有換道功能的自適應(yīng)巡航控制策略研究

胡遠志，張 隆，劉 西，雷發(fā)林

(重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室， 重慶 400054)

0 引言

自適應(yīng)巡航控制(adaptive cruise control,ACC)是智能車的基本功能[1]，能夠接管駕駛過程中的部分駕駛?cè)蝿?wù)，在緩解駕駛員駕駛強度的同時，可以有效地提高汽車安全性，以減少交通事故的發(fā)生[2]。

傳統(tǒng)的ACC系統(tǒng)僅能實現(xiàn)車輛的縱向運動控制，功能相對獨立，在面對前方低速行駛的目標車輛時只能低速跟車行駛或請求駕駛員接管等，存在很大的局限性。未來ACC系統(tǒng)必將與其他ADAS系統(tǒng)集成及協(xié)同控制以提高ACC系統(tǒng)的實用性[3]。但諸多學(xué)者對于ACC系統(tǒng)的研究集中在關(guān)鍵目標識別[4-5]、多模式控制策略[6-8]、控制算法優(yōu)化[9-11]等方面，僅涉及到ACC系統(tǒng)的縱向運動控制。

目前，對具有換道功能的ACC系統(tǒng)控制策略方面研究較少。黨睿娜[12]提出了一種綜合周邊多車輛信息的換道預(yù)警方法，實現(xiàn)了換道工況下周邊環(huán)境風險判斷及預(yù)警，其橫向控制仍需駕駛員操控；陳碧云[13]提出了具有換道輔助的多模式自適應(yīng)巡航控制策略，重點研究了換道意圖識別方法和換道可行性判斷方法，未涉及到橫向控制方面的內(nèi)容；姚軍[14]研究了具有轉(zhuǎn)向控制的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)，主要研究縱向、橫向、橫縱向耦合控制，但未涉及換道方面的內(nèi)容；黃晶等[15]研究了基于前車換道意圖辨識的智能巡航控制算法，涉及到ACC車輛的換道功能，對本文的研究具有較大的參考價值，但其仿真工況較為單一，并未涉及到巡航-換道等復(fù)合工況。孫小文等[16]將ACC行駛模式劃分為巡航、跟車、接管、換道工況，但未對換道工況下的控制策略進行說明。

基于此，本文針對城市快速干道及高速公路工況，對具有換道功能的自適應(yīng)巡航控制策略展開研究。首先，基于速度不滿意累計度設(shè)計了多模式切換策略，然后，基于模型預(yù)測控制算法設(shè)計了定速巡航和跟車巡航縱向控制器、換道軌跡跟蹤控制器，并利用五次多項式規(guī)劃了換道軌跡等。最后，使用Prescan/Carsim/Matlab軟件搭建了仿真與測試平臺，設(shè)計了多種測試工況對本文提出的控制策略進行仿真測試與驗證。

1 車輛ACC系統(tǒng)控制策略設(shè)計

車輛ACC控制器多采用分層式[17](上下兩層)設(shè)計方法，本文在沿用前人分層設(shè)計方案的基礎(chǔ)之上將ACC系統(tǒng)工作模式劃分為定速巡航、跟車巡航、換道巡航3種，系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)框圖

上層為決策規(guī)劃層，根據(jù)主車前方是否存在有效目標車輛執(zhí)行定速巡航模式和跟車巡航模式，當主車前方存在有效目標車輛且速度不滿意度及鄰車道車速優(yōu)勢滿足一定條件后將執(zhí)行換道巡航模式；下層為控制執(zhí)行層，將上層決策規(guī)劃的車輛期望縱向加速度根據(jù)車輛逆動力學(xué)模型轉(zhuǎn)化為油門和剎車控制指令，從而控制車輛的橫縱向運動，以實現(xiàn)車輛的巡航功能。

1.1 下層控制器的設(shè)計

下層控制器通過控制車輛油門開度和制動輪缸壓力實現(xiàn)對上層決策期望加速度的跟蹤。根據(jù)汽車理論及車輛縱向運動控制邏輯，分別建立了車輛驅(qū)動逆模型和制動逆模型，求解油門開度和制動壓力，以實現(xiàn)對車輛縱向運動的精確控制。

1.1.1車輛驅(qū)動逆模型

汽車理論中，汽車驅(qū)動行駛方程的定義如下：

Ft=Ff+Fw+Fj+Fi

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:Ff、Fw、Fj、Fi為車輛行駛阻力，F(xiàn)t為車輛克服行駛阻力所需的驅(qū)動力。根據(jù)力學(xué)相關(guān)理論將式(1)展開可得式(2)。式(3)中，δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。本文的研究僅考慮平直道路工況，即sinα=0、cosα=1，則車輛在行駛過程中的期望發(fā)動扭矩可轉(zhuǎn)化為式(4)。

車輛發(fā)動機的MAP圖關(guān)系可表示如下：

Tdes=f(α,ω)

(5)

式中:Tdes為期望的發(fā)動機扭矩，α為節(jié)氣門開度，ω為發(fā)動機轉(zhuǎn)速。為了求解期望的節(jié)氣門開度可將發(fā)動機MAP圖關(guān)系轉(zhuǎn)化如下：

αdes=f(T,ω)

(6)

根據(jù)Carsim軟件中發(fā)動機MAP圖中發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩、節(jié)氣門開度三者關(guān)系，將其轉(zhuǎn)換為逆MAP圖，如圖2所示。利用查表法可得到發(fā)動機期望的節(jié)氣門開度。

圖2 發(fā)動機MAP圖和逆MAP圖

1.1.2車輛制動逆模型

同樣，根據(jù)式(1)—(3)可推導(dǎo)出車輛制動時期望的制動力：

(7)

則輪缸壓力與制動壓力的關(guān)系可表示如下：

Fdes=k·pdes

(8)

式中:Fdes為期望的制動力，pdes為期望的輪缸壓力，k表示制動壓力和輪缸壓力的比例。則期望的輪缸壓力可表示為：

(9)

1.1.3油門/剎車切換邏輯

正常駕車過程中，制動和油門踏板不會同時被操控。為了使控制策略更加符合駕駛員駕駛特性，需制定油門和剎車切換邏輯，以避免油門和制動控制頻繁切換。為了得到制動和油門切換的臨界值，設(shè)定車輛初始速度為120 km/h,帶擋滑行直至車輛穩(wěn)定為怠速狀態(tài)。根據(jù)經(jīng)驗值設(shè)定閾值為0.05，則可得車輛油門/剎車切換閾值，如圖3所示。

圖3 車輛油門/剎車切換閾值

1.1.4下層控制器仿真測試

為了驗證下層控制器的準確性及穩(wěn)定性，設(shè)定車輛的初始速度為40 km/h，分別以正弦、斜坡、脈沖信號源作為激勵對下層控制器進行仿真測試與參數(shù)調(diào)整，仿真與測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 下層控制器仿真測試結(jié)果

根據(jù)圖4中的仿真結(jié)果可知，下層控制器可穩(wěn)定跟蹤設(shè)定的期望加速度，且油門與制動未出現(xiàn)同時被操控及頻繁切換的情況，其中加速度的突變是由于車輛換擋所致。因此，可知本文設(shè)計的下層控制器可滿足要求。

1.2 上層控制器的設(shè)計

1.2.1多控制模式切換策略

本文將ACC車輛的控制模式分為定速巡航、跟車巡航、換道巡航3種，其切換控制邏輯如圖5所示。

圖5 多控制模式切換邏輯框圖

根據(jù)主車前方是否存在有效目標車輛執(zhí)行定速巡航和跟車巡航模式，跟車巡航時實時計算駕駛員速度不滿意累計度，并對ACC車輛的換道行為進行決策，若滿足條件則執(zhí)行換道巡航模式。

換道行為決策的主要作用是根據(jù)當前車輛的狀態(tài)和環(huán)境信息決策是否要觸發(fā)換道請求，其中涉及到換道安全性、換道后的速度優(yōu)勢、換道觸發(fā)等。由于文章篇幅有限，本文假定鄰車道不存在其他目標車輛，即鄰車道具有速度優(yōu)勢且換道安全。另外，ACC車輛跟車時會主動控制車輛安全跟車，本文假定目標車與主車在短時間內(nèi)縱向運動行為不發(fā)生變化，即ACC車輛在換道時不會與目標車發(fā)生碰撞，所以只需要對ACC車輛的換道觸發(fā)機制進行設(shè)計。ACC車輛換道的主要原因是目標車輛的速度過低，因此本文以速度不滿意累計度模型設(shè)計ACC車輛換道的觸發(fā)機制。

速度不滿意累計度模型[18]描述的是期望車速與實際車速的差值隨著時間的累積量，令vdes、v分別為期望的車速和實際的車速，則速度不滿意度累計度模型可表示如下：

(10)

式中:V(k)為k時刻的速度不滿意累計度值，ΔT為采樣時間。當V(k)大于設(shè)定的閾值時，ACC車輛將被觸發(fā)進行換道操作。

本文中是否存在目標車輛的判定條件是主車當前車道150 m內(nèi)是否存在前車，設(shè)定速度不滿意累計度的閾值為5。

1.2.2車間距策略

車間距策略的最主要作用是根據(jù)主車狀態(tài)和目標車狀態(tài)求解出主車的期望車間距離，車間距策略主要分為固定車間距策略和可變車間據(jù)策略，由于可變車間距策略具有諸多優(yōu)點而被廣泛采用?？勺冘囬g距策略根據(jù)車頭時距的不同又分為可變車頭時距策略和固定車頭時距策略，由于固定車頭時距策略未考慮因素較少，其控制效果較差。因此，本文采用考慮前車車速、加速度的可變車頭時距策略。

車間距策略可表示如下：

Δxdes=thv+d0

(11)

th=t0-a(vl-ν)-bal

(12)

式中: Δxdes為期望車間距離，th為車頭時距，t0為默認的車頭時距，v為主車車速，vl為目標車車速，al為目標車加速度，d0為最小車間距離，a、b分別為系數(shù)。

1.2.3縱向期望加速度決策模型

MPC算法由于可約束多目標并在線優(yōu)化求解，控制效果較好、魯棒性較強。因此，本文將基于模型預(yù)測理論設(shè)計車輛的縱向期望加速度決策模型，以求解車輛的期望加速度。

1) 車輛縱向運動學(xué)模型

車輛縱向運動學(xué)關(guān)系示意圖如圖6，則主車和目標車的縱向運動學(xué)關(guān)系可表示為：

圖6 車輛縱向運動學(xué)關(guān)系示意圖

(13)

式中:vl(k)、v(k)、al(k)、a(k)、Δv(k)、Δx(k)分別表示k時目標車的車速、主車車速、目標車加速度、主車加速度、主車與目標車的速度差、主車與目標車的距離差，Ts為采樣時間，vl(k+1)、Δv(k+1)及Δx(k+1)分別表示k+1時刻目標車的速度、主車與目標車速度差、主車與目標車的距離差。

由于車輛控制系統(tǒng)的非線性較強，上層控制器與下層控制器之間存在一定的遲滯，則將實際的加速度與期望的加速度關(guān)系表示如下：

(14)

式中:τ為慣性時間常數(shù)，u(k)為求解的期望加速度。

為了使上層控制器的求解效果更加準確，本文將主車的加速度變化率引入到到車輛縱向運動學(xué)模型之中。由離散差分原理求解主車的加速度變化率表示如下，其中j(k+1)表示主車的加速度變化率。

(15)

則可以將式(13)轉(zhuǎn)化為：

(16)

選取x(k)=[Δx(k) Δv(k)v(k)a(k)j(k)]T為控制系統(tǒng)的狀態(tài)變量，主車的期望加速度μ(k)為控制變量，前車的加速度為al(k)擾動變量，y(k)=[δ(k) Δv(k)a(k)j(k)]T為系統(tǒng)的輸出變量，則建立車輛縱向運動學(xué)模型的狀態(tài)空間表達式：

(17)

2) 控制目標分析

為了兼顧車輛巡航跟車時安全性、舒適性、跟車性等多方面的要求，將控制目標轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的目標函數(shù)。

安全性：在巡航行駛中需要滿足相應(yīng)的法規(guī)要求，并避免車輛發(fā)生碰撞，將車輛的行駛實際速度和車間距約束如式(18)，式中d0為避免發(fā)生碰撞的最小安全距離，vmin和vmax分別為滿足交通法規(guī)約束的車輛速度上下限。

Constraints: Δx(k)>d0,vmin≤v(k)≤vmax

(18)

舒適性：一般利用車輛加速度和加速度變化率衡量駕駛舒適性，對其約束為：

(19)

Constraints:amin≤a(k)≤amax,jmin≤j(k)≤jmax

(20)

式中amin、amax、jmin、jmax分別為加速度及加速度變化率的最小值、最大值。

跟車性：為滿足車輛跟車時的動態(tài)響應(yīng)，車輛期望的車間距和實際車間距的誤差δ(k)應(yīng)趨于0，實際車速與目標車的車速誤差Δv(k)應(yīng)趨近于0，跟車性的優(yōu)化目標如下：

(21)

3) 多目標MPC控制器設(shè)計

基于已經(jīng)建立的車輛縱向運動學(xué)模型的狀態(tài)空間表達式，設(shè)定ξ(k)=[x(k)μ(k-1)]T，則可得：

(22)

Y(t)=ΨtX(t)+ΘtΔU(t)+ΥtW(t)+Z

(23)

基于多控制目標約束和優(yōu)化指標，建立目標函數(shù)如下：

(24)

1.2.4換道軌跡規(guī)劃

換道是車輛運動控制的常規(guī)操作之一，主要包括強制換道和自由換道[19]。強制換道一般發(fā)生在危險駕駛、匝道、匯流等交通場景，自主換道一般是由于駕駛員不滿意當前車道的行車速度追求更高的行車速度及駕駛習性所致。因此，本文主要針對自主換道行為進行換道軌跡規(guī)劃及軌跡跟蹤控制器設(shè)計。

軌跡規(guī)劃是實現(xiàn)車輛換道的關(guān)鍵，目前常用的軌跡規(guī)劃方法有圖搜索、隨機采樣、幾何曲線、基于動態(tài)優(yōu)化等方法，其中幾何曲線中的五次多項式規(guī)劃方法具備結(jié)構(gòu)簡單、曲線曲率連續(xù)且平滑、不存在階躍等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。

多項式曲線利用車輛換道起點、終點位置和姿態(tài)信息可得到滿足換道的參考軌跡曲線，五次多項式的表達式如下：

y(x)=a5x5+a4x4+a3x3+

a2x2+a1x+a0

(25)

式中，a0～a5為五次多項式的系數(shù)，其可由下式求解得到。

(26)

式中:x0、y0、x1、y1分別表示車輛換道的初始位置和終止位置。

1.2.5軌跡跟蹤控制

軌跡跟蹤控制是實現(xiàn)車輛換道的關(guān)鍵，本文采用兼顧多目標約束及優(yōu)化的MPC算法進行軌跡跟蹤控制器的設(shè)計。

(27)

其中H=

基于上述建立的狀態(tài)空間方程，本文將其轉(zhuǎn)化為M腳本，利用Matlab中的MPC Designer工具箱設(shè)計適用于換道的MPC控制器。定義MPC控制器的輸入及輸出結(jié)構(gòu)、控制器參數(shù)、約束條件等即可完成MPC控制器的設(shè)計。通過多次調(diào)參與仿真測試設(shè)定預(yù)測時域為30、控制時域為20、采樣時間為0.01,控制約束為-0.5 rad≤δ≤0.5 rad。

2 仿真測試與結(jié)果分析

利用Prescan/Carsim/Simulink軟件進行聯(lián)合仿真測試，其中車輛動力學(xué)模型部分參數(shù)如表1所示。

表1 車輛動力學(xué)模型部分參數(shù)

為驗證本文設(shè)計的具有換道功能的自適應(yīng)巡航控制策略，分別設(shè)計了定速巡航、定速巡航-跟車巡航、定速巡航-跟車巡航-換道巡航3類工況進行仿真測試。另外，為了驗證多控制模式切換策略，并便于對結(jié)果進行分析，分別用數(shù)字‘1’‘2’‘3’代表定速巡航、跟車巡航、換道巡航模式。

2.1 定速巡航工況

定速巡航工況中主車前方不存在目標車輛，車輛將根據(jù)駕駛員設(shè)定的車速巡航行駛，本文設(shè)計了2種工況進行仿真測試,主要驗證ACC車輛對設(shè)定巡航車速的響應(yīng)。

工況一：主車的初始速度為40 km/h，前方不存在目標車輛，設(shè)定期望巡航車速從40 km/h等速遞增至120 km/h，仿真測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 定速巡航工況一仿真測試結(jié)果

工況二：主車的初始速度為120 km/h，前方不存在目標車輛，設(shè)定期望巡航車速從120 km/h等速遞減至40 km/h，仿真測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 定速巡航工況二仿真測試結(jié)果

根據(jù)圖7和圖8的仿真測試結(jié)果分析可知，ACC車輛對設(shè)定的期望巡航車速響應(yīng)較好，可滿足定速巡航的功能要求。

2.2 定速巡航-跟車巡航工況

定速巡航-跟車巡航工況中，當主車前方存在目標車輛時，主車將跟隨前車穩(wěn)定行駛。本文設(shè)計了復(fù)合工況進行仿真測試，主要驗證ACC車輛定速巡航-跟車巡航控制模式切換及跟車行駛的穩(wěn)定性等。

設(shè)定主車的初始車速為40 km/h，巡航車速為80 km/h；主車前方250 m處存在目標車，目標車初始車速為36 km/h，在50、86 s時目標車車速分別增加至72、108 km/h，仿真測試結(jié)果如圖9所示。

根據(jù)圖9中仿真測試結(jié)果分析可知，初始時刻主車前方不存在目標車輛，車輛執(zhí)行定速巡航模式并迅速響應(yīng)設(shè)定的巡航車速80 km/h。在6.2 s時主車檢測到存在目標車輛，執(zhí)行跟車巡航模式，19 s時主車跟隨目標車輛以36 km/h的車速穩(wěn)定行駛。在50 s時目標車車速增加至72 km/h，主車響應(yīng)目標車的動態(tài)變化以72 km/h的車速穩(wěn)定跟車行駛。在86 s時目標車車速增加至108 km/h逐漸遠離主車，主車車速從72 km/h增加至80 km/h，并在99 s時執(zhí)行定速巡航模式。綜合仿真測試結(jié)果可知，ACC車輛在定速巡航-跟車巡航時的控制效果較好。

圖9 定速巡航-跟車巡航工況仿真測試結(jié)果

2.3 定速巡航-跟車巡航-換道巡航工況

定速巡航-跟車巡航-換道巡航工況中主車前方存在低速行駛目標車輛且當速度不滿意累計度大于閾值時，主車將主動控制車輛進行換道以追求更高的行駛速度。本文設(shè)計多復(fù)合工況進行仿真測試，主要驗證ACC車輛的多模式切換、換道功能激活及自主換道等。

設(shè)定主車的初始車速為40 km/h，巡航車速為80 km/h；主車前方250 m處存在目標車，目標車初始車速為54 km/h，并保持該車速穩(wěn)定行駛，仿真測試結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 縱向控制仿真測試結(jié)果

圖11 橫向控制仿真測試結(jié)果

根據(jù)圖10中的仿真測試結(jié)果可知，初始時刻主車前方不存在目標車輛，車輛執(zhí)行定速巡航模式并迅速響應(yīng)設(shè)定的巡航車速80 km/h。在10.7 s時主車檢測到存在目標車輛，執(zhí)行跟車巡航模式，32 s時主車跟隨目標車輛以54 km/h的車速穩(wěn)定行駛。在46 s時速度不滿意累計度大于設(shè)定的閾值執(zhí)行換道巡航模式，換道結(jié)束后主車前方不存在目標車輛執(zhí)行定速巡航模式，50 s時主車迅速響應(yīng)設(shè)定的期望車速巡航行駛。根據(jù)圖11中橫向控制的仿真結(jié)果可知，主車可穩(wěn)定跟蹤規(guī)劃的參考軌跡且前輪轉(zhuǎn)角控制量及狀態(tài)量橫擺角均在合理的范圍。

PreScan軟件中的VisServer可對仿真過程中的視頻進行回放，本文利用其Replay模塊將ACC車輛自主換道時的狀態(tài)展示于表2，其中t表示仿真時間。

表2 ACC車輛換道狀態(tài)

3 結(jié)論

本文設(shè)計了具有換道功能的自適應(yīng)巡航控制策略，當ACC車輛在面對前方低速行駛的目標車輛時可執(zhí)行換道操作，其可有效地提高ACC車輛的行車效率。首先，將ACC車輛的控制模式分為定速巡航、跟車巡航、換道巡航3種，并基于速度不滿意累計度設(shè)計了多模式切換策略。然后，采用分層式控制結(jié)構(gòu)，基于MPC算法設(shè)計了自適應(yīng)巡航控制器和軌跡跟蹤控制器，基于五次多項式進行了換道軌跡規(guī)劃等。最后，利用Prescan/Carsim/Matlab軟件進行了聯(lián)合仿真測試。

由仿真測試結(jié)果可知，本文設(shè)計的具有換道功能的自適應(yīng)巡航控制策略在定速巡航模式下可按照設(shè)定的車速穩(wěn)定行駛；在跟車巡航模式下可跟隨前車穩(wěn)定巡航，響應(yīng)快速且魯棒性較好；在換道巡航模式下可穩(wěn)定跟蹤規(guī)劃的參考軌跡實現(xiàn)自主換道。另外，ACC車輛可按照設(shè)計的多模式切換策略進行模式切換。本文設(shè)計的控制策略及控制器穩(wěn)定、高效且可靠，可為后來的研究提供參考。本文亦存在不足之處，研究過程中未考慮不同駕駛員的駕駛特性、換道時的工況比較單一等，后續(xù)可進一步研究。