自適應巡航控制系統主動換道功能研究

中圖分類號：U471.1 文獻標志碼：A DOI：10.20104/j.cnki.1674-6546.20240321

【Abstract】To addressthechallenge where the traditional Adaptive Cruise Control （ACC）are limited to maintain lowspeed following when encountering a low-speed vehiclein front，an ACC control systemwith lanechange functionis developed.Firstlythesystem subdivides thedriving modes into threetypes：cruisecontrol，cruise folowing andlane change cruise，andamulti-modeswitchingstrategybasedospeeddissatisfactionisformulatedtoflexiblyrespondtodiferentdriving scenariosanddriver’sneeds.Onthebasisoftheexistingadaptivecrusesystem，theactivelanechangefunctionisaded，and thequinticpolynomial isusedtoaccuratelyplanthelanechange trajectory，and thenthelanechangecruise trajectorytracking controller isconstructedbasedonthe Model PredictiveControl（MPC）algorithm.Finally，thecontrollerisverifiedbasedon MATLAB/Simulink/CarSim.Thesimulation resultsshow that the proposed strategy mets the requirements of active lane change in line with the driver's intention.

Key words： Adaptive Cruise Control （ACC）， Model Predictive Control （MPC）， Lane change， Quinticpolynomial

【引用格式】武子為，秦玉英.自適應巡航控制系統主動換道功能研究[J].汽車工程師，2025（8）：42-48. WU ZW，QINYY.Research on Active Lane Change Function Based on Adaptive Cruise Control System[J]. Automotive Engineer，2025（8）： 42-48.

1前言

在換道工況中，換道行為分為兩種：強制換道，即因路面狀況限制，駕駛員依道路交通法規指引，被迫改變行駛車道；自由換道，即當前車道前方存在低速行駛的車輛，駕駛員為獲得更好的駕駛體驗，選擇換道以獲得更高的車速。傳統的自適應巡航控制（AdaptiveCruiseControl，ACC）系統研究主要

42汽車工程師

針對車輛的縱向運動，在遇到低速行駛的車輛時，主車僅能以較小的速度跟隨前方車輛，不能滿足駕駛員的主觀需求。

在自適應巡航控制基礎上開發主動換道技術，可以提高車輛在復雜交通環境下的行駛效率。通過設計多模式切換策略，對車輛進行橫、縱向控制，不僅可顯著提高乘坐的舒適性和便捷性，還可通過優化行駛路徑和減少不必要的加減速有效提高道路利用率3]。

目前，針對具有換道功能的系統控制策略研究較少。張智能以跟蹤誤差最小為目標，采用粒子群優化算法對分數階PID控制器的參數進行了整定，但PID控制算法在橫向控制過程中瞬態響應較差，只適用于路徑曲率較小以及低速跟蹤的場景。姚軍提出了具有轉向控制功能的自適應巡航控制系統，主要對縱向、橫向以及橫、縱向耦合控制進行研究，但未涉及換道功能。

基于此，本文在建立ACC系統模型的基礎上，考慮駕駛員的期望速度，基于速度不滿度設計多模式切換策略，然后在現有基于PID構建的定速巡航控制器和基于模型預測控制（ModelPredictiveControl，MPC）算法構建的跟隨巡航控制器基礎上采用MPC算法構建換道巡航軌跡跟蹤控制器，并利用五次多項式規劃換道軌跡，最后，利用MATLAB/Simulink/CarSim開展仿真驗證。

2自適應巡航控制系統設計

本文采用上、下兩層控制器的分層控制方法實現ACC系統的定速巡航、跟隨巡航、換道巡航功能。上層控制器根據主車所在車道前方的實時交通狀況決策當前所處模式。當雷達傳感器檢測到主車前方有行駛車輛，且當前速度無法滿足預設的滿意度條件（如低于駕駛員期望速度或道路條件允許的更高速度）時，系統會自動觸發換道巡航操作。下層控制器將上層控制器規劃的期望加速度轉化為具體的車輛控制動作，即節氣門開度與制動踏板壓力，確保車輛按照既定的巡航模式行駛，并保持與前車的安全距離。本文自適應巡航控制系統的技術路線如圖1所示。

圖1自適應巡航控制系統技術路線

2.1 逆縱向動力學模型

2.1.1 逆發動機模型

根據力學平衡推導期望的輸出扭矩：

F_t=F_f+F_w+F_i+F_j

式中： F_t=T_tqi_oi_gη_r/r 為克服阻力所需的驅動力， cos α 為滾動阻力， F_w=C_dA_wρ_wv_x²/2 為風阻，F_i=mg?sinα 為爬坡阻力， F_j=δma_x 為加速阻力， T_tq 為發動機扭矩， i_o 為主減速器傳動比， i_g 為變速器傳動比， η_r 為傳動系統的傳動效率， r 為車輪滾動半徑，?_m 為整車質量， g 為重力加速度 ，f 為滾動阻力系數，α 為道路坡度， C_d 為空氣阻力系數， ?A_w 為車輛迎風面積， ρ_w 為空氣密度， v_x 為車速， δ 為旋轉質量換算系數， a_x 為車輛縱向加速度。

假設道路坡度為0，即 cosα=1sinα=0 ，可得期望發動機扭矩為：

式中： a_des 為期望加速度， T_des 為期望發動機扭矩。

車輛在行駛過程中，發動機扭矩的期望輸出與發動機工作狀態的對應關系參照發動機MAP圖：

T_des=f（β，ω）

式中 _：β 為節氣門開度。

在車輛動力控制系統中，期望的發動機扭矩輸出可以轉化為對期望節氣門開度 β_des 的調節，同時受到發動機轉速 ω 的影響：

β_des=f（T_des，ω）

CarSim中C級轎車用額定功率為 125kW 的發動機的MAP圖如圖2a所示，為了更直接地理解節氣門開度對發動機性能的影響并進行節氣門控制，本文對其進行了逆轉換處理，結果如圖2b所示。

（a）發動機MAP圖

（b）發動機逆MAP圖圖2發動機MAP圖和逆MAP圖

2.1.2 逆制動器模型

車輛在制動過程中，驅動力 F_t=0 ，發動機沒有輸出轉矩。車輛的受力分析為：

ma_des=-（F_xb+F_f+F_w）

當制動力 F_xb 小于路面最大制動力時，制動力與制動壓力 P_des 滿足：

F_ob=（T_bf+T_br）r=K_bP_des

式中： T_bf?T_br 分別為前、后輪制動力矩； K_b=780 為比例常值，可由仿真試驗測得。

期望制動壓力的計算公式為：

2.2 上層控制器設計

2.2.1 期望跟隨間距

在ACC系統中，常采用固定車間時距，車速與期望跟隨間距成正比，該方法計算量小、原理簡單。本文考慮安全性和使用工況，選用計算簡單的固定車間時距作為安全跟隨車間距模型的設計參數：

d_des=τ_hv_x+d₀

式中： d_des 為期望的安全車間距； τ_h 為車間時距，一般取為 1～3s;d₀ 為最小車間距，一般取為 2～7m 。

2.2.2 換道巡航設計

2.2.2.1 多模式切換策略設計

當雷達檢測到前方存在車輛時，系統立即捕獲并分析前車的運動狀態信息，進入跟隨巡航模式。如果主車的實際速度持續低于預設的期望速度，并且這種速度不滿足狀態持續一段時間，當速度不滿度達到設定閾值且具備換道條件時，車輛執行換道巡航。換道流程如圖3所示。

圖3主動換道流程

在車輛跟車過程中，如果前方存在低速行駛的車輛，使自車實際車速無法滿足期望車速，通過設置一個定值作為主車是否換道的條件，并引入速度不滿度模型。速度不滿度模型是指期望速度與實際速度之差隨時間累積的量，設實際車速為 v 、期望車速為 v_des ，速度不滿度模型可表示為：

式中： V（k） 為 k 時刻的速度不滿度， ΔT 為采樣時間。

2.2.2.2 軌跡規劃

本文在橫向控制中采用五次多項式軌跡模型設計換道軌跡，該模型能夠精準地貼合換道過程中的各項要求，確保軌跡的連續性、平滑性以及曲率的平穩過渡，從而優化換道操作的舒適性和安全性：

式中： x（t），y（t） 分別為縱向位移、橫向位移， Φ_t 為換道時間， w_l 為車道寬度， d 為縱向位移。

2.2.2.3 模型預測控制

在橫向控制中，車輛基于三自由度動力學模型，采用MPC方法對換道軌跡進行跟蹤。根據牛頓第二定律分析車輛沿 x 向 ?^y 向 ?z 向的運動，受力平衡方程分別為：

式中： φ 為橫擺角， F_rf?F_rr 分別為車輛前、后輪所受縱向力的合力， F_gf?F_g 分別為車輛前、后輪所受側向力的合力， I_z 為繞 z 軸的轉動慣量， a，b 分別為質心與前、后軸的距離。

輪胎在車身坐標系下所受的力與縱、側向力的關系為：

式中： F_u?F_lr 分別為前、后輪所受縱向力， F_ef?F_cr 分別為前、后輪所受側向力， 分別為前、后輪轉角。

前、后輪胎的側偏角公式為：

車輪的滑移率S為：

式中： w_t 為輪胎旋轉角速度。

為簡化計算、提高模型實用性，本文未涉及輪胎動態載荷轉移的影響，因此，輪胎所受垂向載荷為：

式中： F_zf?F_zr 分別為車輛前、后輪所受垂向載荷。

前、后輪側向力、縱向力可根據輪胎側偏角、滑移率獲得：

式中： C_ef?C_ef 分別為前、后輪側偏剛度， C_ifΩ_l 分別為前、后輪的縱向剛度， s_sf?s_sr 分別為車輛前、后輪滑移率。

建立車輛非線性動力學模型：

在橫向運動中，通過控制前輪轉角實現車輛的轉向。因此，定義模型預測控制器中的控制量為前輪轉角 μ=δ_f ，狀態量為 ，其中， 分別為車輛的縱向速度、橫向速度、橫擺角、橫擺角速度、縱向位移、橫向位移。

3仿真結果分析

本文采用CarSim中C級車自帶的動力學模型，利用MATLAB/Simulink/CarSim仿真平臺輸出前輪轉角，對參考軌跡進行跟蹤，如圖4所示。

在CarSim中搭建整車動力學模型，選用額定功率為 125kW 的發動機，部分參數如表1所示。將輸入、輸出接口與Simulink模型連接。輸入端口輸入前輪轉角，輸出端口輸出車輛的狀態量，主要用于輸入到MPC系統中進行預測或者觀測。輸入參數包括車輛的橫縱向速度、橫擺角、橫擺角速度、縱向位置、橫向位置和前、后輪滑移率。

圖4換道軌跡跟蹤仿真模型

表1車輛參數

軌跡跟蹤模型預測控制器的參數設置為：仿真步長 T=0.02s ，控制步長 N_c=1 ，預測步長 N_p=15 ，系統權重矩陣 ，松弛因子權重 ρ=1000 。

在CarSim中設定主車定速巡航目標車速為80km/h ，初始車速為 40km/h ，在主車前方約 150m 處設置目標車輛，目標車以 60km/h 的車速勻速行駛 80s ，仿真結果如圖5、圖6所示。其中，控制模式取1、2、3分別表示定速巡航、跟隨巡航、換道巡航。

圖5定速-跟隨-換道巡航工況縱向控制仿真結果

（a）速度不滿度

圖6定速-跟隨-換道巡航工況橫向控制仿真結果

由仿真結果可知，初始時刻雷達未探測到目標車輛，主車從初始 40km/h 的速度快速提高到80km/h 執行定速巡航。在第24s時雷達探測到目標車輛，隨即進入跟隨巡航，并且響應目標車輛，將車速由 80km/h 降低至 60km/h ，當達到期望安全車間距時，穩定跟隨前車。當主車實際車速低于所設定的定速巡航車速時，隨著速度不滿度累積，駕駛員將產生換道意圖。在第47s時速度不滿度達到設定閾值7后執行換道模式，主車對參考軌跡進行穩定跟蹤，且車輛橫擺角和前輪轉角均在合理范圍內。換道結束后，主車未探測到前方車輛，執行定速巡航模式，速度逐漸提高至設定車速 80km/h 。

4結束語

為提高車輛在復雜交通環境下的行駛效率，本文提出速度不滿度并基于此設計了多模式切換策略。在換道巡航模式下，為了規劃出平滑且符合車輛動力學特性的換道軌跡，采用三自由度車輛模型，利用五次多項式規劃換道軌跡。最后，通過MATLAB/Simulink/CarSim進行仿真測試。

仿真結果表明，主車可以按照所設定的多模式切換策略穩定切換巡航模式，能夠實現傳統意義上的定速巡航與跟隨巡航，也可滿足駕駛員換道意圖進行主動換道。在換道模式下，本文所搭建的控制器可以高效、可靠地跟蹤規劃的參考軌跡實現自主換道。

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