汽車自適應(yīng)巡航系統(tǒng)的多模式控制

中國空空導(dǎo)彈研究院 李賀男

汽車自適應(yīng)巡航系統(tǒng)的多模式控制

中國空空導(dǎo)彈研究院 李賀男

由于汽車經(jīng)常行駛在復(fù)雜的交通環(huán)境下，因此前車的運動狀態(tài)和意圖往往是不可預(yù)知的，所以對于傳統(tǒng)的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)就產(chǎn)生了很大的限制?；谶@個原因，本文將提出一種可以多模式控制的自適應(yīng)巡航系統(tǒng)，它可以根據(jù)實際自動選擇合適的模式。本系統(tǒng)分別設(shè)計定速巡航，穩(wěn)態(tài)跟隨，接近前車，強加速，強減速和避撞六種控制模式，設(shè)計相應(yīng)的控制器并加以整合，從而改善系統(tǒng)整體的控制效果。本文主要講述穩(wěn)態(tài)跟隨模式，并基于這一模式進(jìn)行對其他模式進(jìn)行構(gòu)想設(shè)計。

ACC系統(tǒng)；PID

前言

先進(jìn)的輔助駕駛系統(tǒng)目前已是國內(nèi)外研究的主流和豪華車的普遍裝備，ACC自適應(yīng)巡航系統(tǒng)通過代替駕駛者控制節(jié)氣門和制動系統(tǒng)，從而解放駕駛者一部分注意力，但是由于道路情況的瞬息萬變，比如前車的不斷切入和切出，會導(dǎo)致一定安全隱患，而且影響汽車動態(tài)的跟蹤性能以及駕駛的舒適性。因此本文將提出一種基于原始ACC系統(tǒng)，通過運用模糊PID控制從而實現(xiàn)多模式控制的ACC系統(tǒng)。本文將分模糊PID控制的簡介，多模式控制流程，系統(tǒng)中多種模式的介紹，以及本系統(tǒng)的前景和展望等四部分講述。

1 模糊PID控制的簡介

首先這套多模式ACC系統(tǒng)達(dá)到的目標(biāo)是比原始的ACC系統(tǒng)更加靈活，反應(yīng)更加迅速，也更加智能從而提高行駛安全性，因此將采用隨機性更高的模糊PID控制。

1.1 傳統(tǒng)PID控制的優(yōu)點與缺點

優(yōu)點：PID控制能夠適應(yīng)各種控制對象，具有極強的適應(yīng)性特點，只要參數(shù)整定合適，可以實現(xiàn)無差控制，穩(wěn)態(tài)性能好；

缺點： PID控制不具有自適應(yīng)控制能力，動態(tài)特性不太理想，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生時變、非線性變化時，系統(tǒng)控制效果不佳，嚴(yán)重時會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

雖然PID控制具有一些局限性，但是由于其優(yōu)點顯著，仍在工業(yè)過程控制領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，而且經(jīng)過全世界的控制技術(shù)研究和應(yīng)用人員的探索研究，結(jié)合模糊控制，極大的改善PID控制的性能，形成了模糊PID控制系統(tǒng)。

模糊控制的特性在于其不依賴于系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時，不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此具有很強的魯棒性。

圖1 汽車巡航模糊控制原理

1.2 模糊控制技術(shù)概述

模糊控制是以人的直覺和經(jīng)驗為主導(dǎo)，也就是說，操作人員對被控系統(tǒng)的掌控不是通過精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式，而是通過其直覺和豐富的實踐操作經(jīng)驗，這種方法稱作探索式?jīng)Q策。

模糊控制作為智能控制的一個重要分支，已在控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。模糊控制是以模糊語言變量、模糊集合論和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機控制方法，其核心是模糊控制器，而模糊控制器的關(guān)鍵是模糊控制規(guī)則表，模糊控制規(guī)則表是根據(jù)經(jīng)驗豐富操作者的手動控制經(jīng)驗總結(jié)出來的一系列控制規(guī)則。

模糊控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

在模糊控制中，用模糊概念來表述輸入和輸出變量，模糊控制的基本論域為誤差變化率ec、誤差e和輸出y的實際變化范圍，e和ec稱為輸入語言變量，y稱為輸出語言變量。語言變量是一個模糊集合，語言變量值根據(jù)問題需要確定，語言變量值是構(gòu)成語言變量的詞集。對于輸入變量e、ec取基本論域內(nèi)的一個實際值，根據(jù)語言變量值的隸屬度函數(shù)，需將其轉(zhuǎn)化為語言變量值，這種轉(zhuǎn)化的過程叫模糊化。一般在一個模糊規(guī)則的前件中往往不只有一個命題，需要用模糊算子獲得該規(guī)則前件被滿足的程度。將一條規(guī)則的整個前件被滿足的隸屬度作為輸入，根據(jù)規(guī)則“如果x是A，則y是B”，表示的A與B之間的模糊蘊涵關(guān)系(A→B)進(jìn)行模糊推理，可以得到一個輸出模糊集，這種過程稱為模糊推理。模糊推理，是一種以模糊推斷為前提，運用模糊語言規(guī)則，推出一個新的近似的模糊推斷結(jié)論的方法。

圖2 模糊控制系統(tǒng)框圖

模糊推理的關(guān)鍵是模糊控制規(guī)則的確定，即模糊控制規(guī)則表，模糊控制規(guī)則表是根據(jù)經(jīng)驗豐富的操作者的手動控制經(jīng)驗總結(jié)出來的一系列控制規(guī)則。由于模糊規(guī)則庫由多條規(guī)則組成，經(jīng)過模糊推理得到的是一個由每一條規(guī)則推理得出的輸出語言變量值的集合，因此需要將這些輸出語言變量值進(jìn)行某種合成運算，得到一個綜合的輸出模糊集，這種過程稱為模糊合成。將經(jīng)過模糊合成得到的綜合輸出模糊集進(jìn)行轉(zhuǎn)化，對被控過程進(jìn)行控制，這種過程叫模糊判決或者叫去模糊化。

1.3 模糊-PID 復(fù)合控制

控制策略是:在小偏差范圍內(nèi)，即e落到閾值之內(nèi)時轉(zhuǎn)換成 PID（或 PI）控制，以獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能；在大偏差范圍內(nèi)，即偏差 e在某個閾值之外時采用模糊控制，以獲得良好的瞬態(tài)性能。微機程序根據(jù)事先給定的偏差范圍自動實現(xiàn)二者的轉(zhuǎn)換閾值。常用的是Fuzzy-PI 雙?？刂疲溆赡：刂坪?PI 控制兩種控制模式相結(jié)合。

圖3 巡航系統(tǒng)的工作原理圖

2 多模式控制流程

為了實現(xiàn)ACC的多模式控制，我們將設(shè)計模式切換層，在模式切換層中，需要合理分配控制模式的調(diào)用順序，并且保證駕駛員的優(yōu)先控制權(quán)。

3 系統(tǒng)中各個模式的簡介

這套系統(tǒng)將ACC系統(tǒng)分為六種模式，其中以穩(wěn)態(tài)跟隨模式為主，因為ACC的主要功能和初衷就是穩(wěn)態(tài)跟隨功能。其余五種模式均是基于此模式延伸而來。

3.1 穩(wěn)態(tài)跟隨模式

在實際行駛跟車過程中，駕駛員以穩(wěn)態(tài)跟車為主，期望車距誤差與相對車速保持在誤差范圍內(nèi)。由于駕駛員對跟蹤誤差的敏感度不同，會隨著車距和車速的而發(fā)生變化。因此在前車穩(wěn)態(tài)行駛工況，則采用如下圖所示的線性結(jié)構(gòu)使得車距與車速誤差同時收斂為0。

式中，kf取決于車速的大小，車速越大，駕駛員期望的加速度波動越小， λf反映了不同駕駛員對于速度誤差和距離誤差的敏感程度不同，根據(jù)所查資料統(tǒng)計，穩(wěn)態(tài)下λ值在11左右時，距τ由駕駛員設(shè)定。τ值越大，自動跟車距離越遠(yuǎn)，駕駛風(fēng)格越保守。

圖4 ACC跟車系統(tǒng)工作圖

3.2 基于穩(wěn)態(tài)跟車模式的多模式擴展設(shè)想

1)定速巡航模式。前方有效距離內(nèi)不存在目標(biāo)物時，系統(tǒng)進(jìn)入定速巡航模式，希望實際車速盡可能保持在設(shè)定車速附近土1km／h范圍內(nèi)。

2)接近前車模式。前方有慢速車輛進(jìn)入有效距離內(nèi)，而此時定速巡航時，系統(tǒng)由此進(jìn)入接近前車模式。在此模式下，初始距離d遠(yuǎn)大于期望車距ddes，而且兩車的初始的相對車速絕度值較大。此模式將期望以距離來補償速度誤差，最終平穩(wěn)過渡到穩(wěn)態(tài)跟隨模式。

3)強減速模式。當(dāng)旁車強行并線或前車緊急減速時，系統(tǒng)進(jìn)入強減速模式。在此模式下，相對車距d處于期望車距之下，并且相對車速Vr小于0，因此期望設(shè)定一個最小安全距離代替期望車距作為車距控制目標(biāo)的下限從而實現(xiàn)車輛的強減速。

4)急加速模式。由于車輛在急加速的模式下，車輛通常是沒有追尾的危險的，駕駛者可以容忍較大的跟蹤誤差和車距變化。因此，可以根據(jù)穩(wěn)態(tài)模式中的模型，放寬跟蹤性能的要求，重新標(biāo)定相關(guān)參數(shù)。

5)避撞模式。當(dāng)強減速模式仍不足以提供足夠的制動減速度，導(dǎo)致實際距離小于最小安全距離，系統(tǒng)將進(jìn)入緊急避撞模式，通過施加最大制動力直至停車，其中車距可以根據(jù)車距傳感器測出。而且此模式下的ACC系統(tǒng)可以和PSS系統(tǒng)的緊急制動輔助系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)作。

綜上所述，以上的五種模式的設(shè)計均可以通過對穩(wěn)態(tài)跟隨模式的相關(guān)系數(shù)的重新標(biāo)定或者對相關(guān)模型進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)實現(xiàn)。

4 本系統(tǒng)的前景和展望

ACC系統(tǒng)未來將向更加智能化發(fā)展，而且汽車的發(fā)展方向也是如此，因此不能適應(yīng)多變環(huán)境的ACC系統(tǒng)及其他汽車系統(tǒng)終將被淘汰，本文介紹的多模式ACC系統(tǒng)具有更強的靈活性和隨機性，很好的對現(xiàn)今的ACC系統(tǒng)的缺陷進(jìn)行了彌補。因此，我認(rèn)為這套多模式ACC系統(tǒng)十分具有市場前景，而且其中的模糊PID控制方法也將成為未來汽車甚至其他行業(yè)進(jìn)行控制設(shè)計時的的主流。

[1]裴曉飛,劉昭度,馬國成.一種汽車巡航控制的分層控制方法[J].北京理工大學(xué)學(xué)報,2012.

[2]張德兆,王建強,劉佳熙.加速度連續(xù)型自適應(yīng)巡航控制模式切換策略[J].清華大學(xué)學(xué)報,2010.

[3]裴曉飛,劉昭度,馬國成,齊志權(quán).汽車自適應(yīng)巡航系統(tǒng)的多模式切換控制[J].機械工程學(xué)報,2012.

[4]蘇明等.模糊PID控制及其MATLAB仿真[J].計算機應(yīng)用學(xué)報,2004.

[5]劉金琨.先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真[M].西安:電子工業(yè)出版社,2008.