汽車自動巡航控制系統(tǒng)控制策略與仿真

余黃軍，張 昕，任傳喜

(1.沈陽理工大學 汽車與交通學院，沈陽 110159； 2.上汽通用(沈陽)北盛汽車有限公司，沈陽 110044)

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汽車自動巡航控制系統(tǒng)控制策略與仿真

余黃軍1，張 昕1，任傳喜2

(1.沈陽理工大學 汽車與交通學院，沈陽 110159； 2.上汽通用(沈陽)北盛汽車有限公司，沈陽 110044)

提出一種基于PID控制器實現定速模式、模糊控制器實現跟車模式的自動巡航控制策略。該控制方法使用不同的控制器控制兩種巡航模式，保留了兩種控制器的優(yōu)點，又避免了單一控制系統(tǒng)控制品質的下降，并利用Matlab/Simulink軟件建立汽車縱向動力學、發(fā)動機和控制器模型。仿真結果表明所設計的控制系統(tǒng)具有可行性和有效性。

自動巡航；縱向動力學模型；發(fā)動機模型；仿真

汽車自動巡航控制系統(tǒng)屬于主動安全技術，近些年來在汽車尤其是高檔汽車中的應用越來越廣泛，它能根據車輛當前行駛狀況和道路環(huán)境變化，實時控制自車與前車之間的相對車距和相對速度以匹配車流，有效地減輕了駕駛員在駕駛過程中的操作負擔，提高了道路的流通性，改善了車輛行駛的舒適性和安全性。

對于自動巡航控制系統(tǒng)，以往的研究者已經進行了大量的探索，提出了多種多樣的控制思路，例如：基于PID控制算法的研究[1]、基于模糊PID控制算法的研究[2]、基于神經網絡模糊控制算法的研究[3]等。但是研究后發(fā)現面對復雜多變的車輛行駛環(huán)境，單一控制算法制作的控制器不能完美的實現所有的車輛工作模式，在某些行駛模式下控制效果非常理想，一旦切換到另一些模式時就會出現速度波動大、反映時間長、誤差增大等控制品質明顯下降的問題。本文提出一種基于PID控制器實現定速模式、模糊控制器實現跟車模式的自動巡航控制策略。

1 自動巡航的工作原理

自動巡航控制系統(tǒng)又叫ACC(Automatic Cruise Control)，是一種20世紀90年代中期發(fā)展起來的輔助駕駛系統(tǒng)[4]，它將汽車定速巡航控制系統(tǒng)和跟車巡航控制系統(tǒng)有機的結合起來，既有巡航控制功能，又有防止前向撞擊功能。ACC系統(tǒng)主要使用在高速公路、寬路面的遠程道路和鄉(xiāng)間道路行駛的汽車上。

ACC系統(tǒng)最基本的組成部分是雷達傳感器和電子控制單元(控制器)。雷達傳感器用以探測主車前方的目標車輛，并向電控單元提供主車與目標車輛間的相對速度、相對距離、相對方位角度等信息。電控單元根據駕駛員所設定的安全車距及巡航行駛速度，結合雷達傳送來的信息調整主車的行駛狀態(tài)。

定速巡航是指控制單元按照駕駛員設定的巡航速度控制車輛勻速行駛。當主車行駛前方出現目標車輛，且目標車輛的速度低于主車設定的速度時，為防止兩車相撞且保持安全車距，電控單元將定速模式切換到跟車模式，使主車車速降到理想目標值后跟隨前方目標車輛行駛，與目標車輛以相同的速度行駛。當前方的目標車輛發(fā)生移線或本車移線行駛使得本車前方又無行駛車輛時，對本車進行加速控制，使本車恢復到設定速度后勻速行駛。當駕駛員參與車輛駕駛后ACC系統(tǒng)將自動退出對車輛的控制[5]。

2 車輛各部分模型的建立

2.1 汽車縱向動力學模型

ACC系統(tǒng)主要控制車輛的縱向運動，車輛的行駛阻力由滾動阻力Ff、空氣阻力Fa、坡度阻力Fi和加速阻力Fj組成[6]。當車輛穩(wěn)態(tài)行駛時，車輛的驅動力Ft和行駛阻力之和達到平衡狀態(tài)。

Ft=Ff+Fa+Fi+Fj

(1)

1)驅動力模型

(2)

式中：Ttq為發(fā)動機輸出轉矩，N·m；i0為主減速器傳動比；ig為變速器傳動比；ηt為傳動系機械效率；r為車輪半徑，m。

2)滾動阻力模型

Ff=Gf

(3)

3)空氣阻力模型

(4)

式中：CD為空氣阻力系數；A為汽車迎風面積，m2。

4)坡度阻力模型

Fi=Gsinα

(5)

式中，α為坡道角度，i為坡度。

由于α較小，故sinα≈tanα=i；因此Fi=Gi。

5)加速阻力

(6)

式中：δ為汽車旋轉質量轉換系數，δ>1；m為汽車質量，kg。

6)建立汽車縱向動力學模型

由車輛平衡方程式可得

(7)

轉換公式后可得速度表達式:

(8)

由此表達式建立汽車縱向動力學模型如圖1所示。輸入為車輛的驅動力Ft，輸出為車輛速度v。

圖1 汽車縱向動力學模型

2.2 發(fā)動機模型

發(fā)動機是汽車的動力核心，本設計為達到貼近實際的控制效果添加了發(fā)動機模塊。當電控單元接收到速度和距離傳感器傳送來的信號后，通過運算輸出一個控制量，這個控制量將會調整發(fā)動機節(jié)氣門開度，同時發(fā)動機輸出扭矩也將隨之改變，改變后的扭矩傳遞至汽車縱向動力學模型，最后通過縱向動力學模型展現控制效果。由于發(fā)動機的工作負載是動態(tài)的，運行工況處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此很難以比較準確的數學模型將這種動態(tài)的工況表達出來，所以一般都是在發(fā)動機穩(wěn)態(tài)試驗數據的基礎上采用數表或公式擬合的方法來建立發(fā)動機穩(wěn)態(tài)模型[7]。

根據GT-power中模擬發(fā)動機運行得到的發(fā)動機實驗數據，在Simulink仿真環(huán)境中可以調用Look-up table查表模塊來表示發(fā)動機扭矩、節(jié)氣門開度和發(fā)動機轉速三者之間的關系，如圖2所示。

圖2 發(fā)動機轉矩特性圖

根據發(fā)動機轉速與發(fā)動機輸出力矩之間的關系：

Jβ=Ttq-Tp

(9)

式中：J為發(fā)動機有效轉動慣量，kg·m2；β為發(fā)動機角加速度，rad/s2；Ttq為發(fā)動機動態(tài)輸出扭矩，N·m；Tp為液力變矩器的泵輪扭矩，N·m。

在Simulink中建立的發(fā)動機模型，如圖3所示。輸入為節(jié)氣門開度a及液力變矩器的泵輪扭矩Tp；輸出為發(fā)動機角速度ω和發(fā)動機動態(tài)輸出扭矩Ttq。

2.3 自動巡航控制器的選擇

汽車自動巡航一般分為兩種工作模式：定速巡航和跟車巡航。目前的自動巡航控制器多為單一型，即一種控制器控制多種工作模式，現提出一種基于PID控制器實現定速巡航、模糊控制器實現跟車巡航的控制算法。

圖3 發(fā)動機模型框圖

1)PID控制器模型

PID(比例、積分、微分)控制作為最早發(fā)展起來的控制策略在工業(yè)控制中得到了廣泛的應用，它具有結構簡單、可靠性好、參數易于整定等優(yōu)點[8]。PID控制的原理圖如圖4所示。

圖4 PID控制原理圖

簡單說來，PID控制各校正環(huán)節(jié)的作用如下：

(1)比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。

(2)積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數，時間常數越大，積分作用越弱，反之則越強。

(3)微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號變化太多之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調節(jié)時間[9]。

本設計選定PID控制器來實現車輛的定速巡航功能，建立的控制器模型如圖5所示。輸入為設定巡航速度，輸出為車輛實際速度。

圖5 PID控制系統(tǒng)模型框圖

2)模糊控制器模型

跟車巡航模式控制的是處在跟隨行駛車況下的前后車輛的相對距離，使其滿足安全車距要求，從而既能保證行車安全，又能減小相隔距離，提高道路的利用率。然而現代汽車的行駛環(huán)境是個復雜的非線性系統(tǒng)，且受外界的影響特別大，一些研究發(fā)現，想要建立一個精確的跟車巡航模型幾乎難以實現，同時也發(fā)現在實際車輛行駛過程中，有經驗的司機總是可以很好地控制自己的車輛跟隨目標車輛安全行駛。

模糊控制系統(tǒng)是以模糊集合化、模糊語言以及模糊邏輯推理為基礎的一種計算機控制系統(tǒng)。從線性與非線性的控制角度分類，模糊控制系統(tǒng)是一種非線性控制；從控制器的智能性看，模糊控制屬于智能控制的范疇。模糊控制器主要由模糊化接口、知識庫、模糊推理機、解模糊接口四部分組成[10]，其基本結構如圖6所示。

圖6 模糊控制器的基本結構

本設計選定模糊控制器來實現車輛的跟車巡航功能。

選取設定安全車距與實際車距的偏差e與偏差的變化率ec作為控制器輸入，經模糊推理后的解模糊輸出為油門開度變化Δθ。各量的模糊集均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，分別表示負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。輸入量車距的論域為{-150，150}，車距變化率的論域為{-8，8}，輸出論域為{-20，20}。

總結人們駕駛的經驗，得到如下控制規(guī)則：

If 距離誤差為ZO and距離變化率為ZO then油門開度變化為ZO；

If 距離誤差為 PB and距離變化率為PB then油門開度變化為NB；

If 距離誤差為NB and距離變化率為NB then油門開度變化為PB；

…… ……

由上述模糊控制算法建立的控制模型如圖7所示。

圖7 模糊控制系統(tǒng)模型框圖

3 系統(tǒng)仿真結果

本設計利用Matlab/Simulink軟件進行汽車自動巡航控制系統(tǒng)的仿真，系統(tǒng)仿真如圖8、圖9所示。具體參數選取如下：

定速巡航：主車巡航速度設為90km/h，500ms后因行駛車況或其他原因需要修改巡航速度至72km/h。

跟車巡航：安全車距設為150m，主車巡航速度設為20m/s，200ms后遇到速度為18m/s的目標車輛，400ms時目標車輛：1)加速到22m/s;2)減速至16m/s。

圖8 定速巡航仿真模型

圖9 跟車巡航仿真模型

3.1 定速巡航仿真結果分析

如圖10所示，0～300ms階段，車輛從靜止啟動到加速至穩(wěn)定的90km/h巡航速度；500ms時由于巡航目標速度的變化，控制器迅速地改變車輛速度降至穩(wěn)定的72km/h，只需要50ms。從仿真結果來看，PID定速巡航模式可以快速、穩(wěn)定的達到巡航速度要求，及時滿足不同的速度變化需要。

圖10 定速巡航速度控制

3.2 跟車巡航仿真結果分析

如圖11所示，0～200ms階段，主車輛以20m/s的速度穩(wěn)定向前行駛；200ms時在主車前進方向遇到以18m/s速度穩(wěn)定行駛的目標車輛，車載電腦迅速判斷車況，切換至跟車模式，同時模糊控制器及時接管車輛控制，250ms時成功將主車速度迅速降至目標車輛速度18m/s；400ms時目標車輛突然加速至22m/s或減速至16m/s，主車控制器都能迅速反應，控制車輛加速或減速至目標車輛速度。圖11a所示加速控制時穩(wěn)定控制需要250ms；圖11b所示減速控制時只需要180ms。為防止追尾，無論車輛加速還是減速，控制器都能將兩車的車距一直維持在安全車距150m左右，完成了跟隨目標車輛的安全控制，如圖12所示。

圖11 跟車巡航兩車速度

從仿真結果來看，模糊跟車巡航模式可以在有效判定目標車輛的速度和車距變化的前提下，準確、快速的實現主車的速度控制和車輛間的車距控制。

上述仿真結果分析表明本次設計的控制系統(tǒng)具有可行性和有效性。

圖12 跟車巡航兩車車距

4 結束語

提出了基于PID控制器實現定速模式、模糊控制器實現跟車模式的自動巡航控制系統(tǒng)控制策略，仿真結果表明，兩種控制器在各自的控制部分都顯示了良好的控制效果，有效實現了車輛在一定誤差范圍內的穩(wěn)定行駛，既保留了兩種控制器的優(yōu)點，又改善了單一控制系統(tǒng)的控制效果。該控制策略方法簡單、算法成熟、易于實現，可以減輕長時間駕駛旅途中駕駛員的勞動強度，具有一定的實用價值。

[1]王春蕾，周美嬌，易淑友.汽車自動巡航系統(tǒng)PID控制策略的研究[J].電子技術，2012(10)：92-95.

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(責任編輯：趙麗琴)

The Control Strategy and Simulation of Automobile Automatic Cruise Control System

YU Huangjun1，ZHANG Xin1，REN Chuanxi2

(1.Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China; 2.SAIC GM (Shenyang) NorSom Motors Co.,Ltd.,Shenyang 110044,China)

A kind of automatic cruise control strategy is put forward by PID controller and fuzzy controller，which realizes a constant speed mode and a car following model.This control method uses different way to control two cruise modes,which not only retains both the advantages of the two kinds of controller,but also effectively avoids the single control system to decline control quality.And Matlab/Simulink software is adopted to establish vehicle longitudinal dynamics model,engine model and controller model.Simulation results show that the designed control system has good feasibility and effectiveness.

cruise control；longitudinal dynamics model；engine model；Simulation

2015-06-08

余黃軍(1989—)，男，碩士研究生；通訊作者：張昕(1977—)，女，副教授，研究方向：汽車電子控制。

1003-1251(2016)04-0056-06

U461.6

A