基于個性化間距策略的自適應(yīng)巡航系統(tǒng)模式切換策略研究*

黃 晶，韋 偉，鄒德飚

（湖南大學(xué)，汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙 410082）

前言

自適應(yīng)巡航系統(tǒng)（ACC）是先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的重要組成部分，通過環(huán)境信息感知模塊進行前方行駛環(huán)境監(jiān)測，以一定的控制策略使車輛以預(yù)設(shè)定車速定速巡航或自動跟隨前車行駛，如速度控制模式和距離控制模式［1-3］。自適應(yīng)巡航系統(tǒng)以其可減輕駕駛?cè)斯ぷ髫?fù)荷，有效避免碰撞，保障行駛安全和駕乘舒適［4-6］的特點被廣泛研究和應(yīng)用。

現(xiàn)有ACC控制模式的劃分較為簡單，一般只有巡航與跟車兩種模式，適用場景單一，魯棒性較差，模式工況適應(yīng)性不強。為解決上述問題，美國密歇根大學(xué)Fancher等［7］應(yīng)用相對車距-相對車速關(guān)系將ACC分為6種工況。清華大學(xué)張德兆等［8］將ACC分為定速巡航、車距保持、接近前車和超車4種模式。吉林大學(xué)嚴(yán)偉［9］充分考慮駕駛?cè)说母S行為特性，提出ACC系統(tǒng)5種控制模式，以及依賴于駕駛?cè)怂俣雀S行為特性參數(shù)的多模式切換策略。北京理工大學(xué)裴曉飛等［10］在現(xiàn)有上、下位控制器的基礎(chǔ)上增加模式切換層，通過將車輛縱向運動狀態(tài)劃分為8種工況，使得系統(tǒng)根據(jù)實際工況條件選擇最優(yōu)的控制模式，并采用加速度加權(quán)平均算法提高模式切換的準(zhǔn)確性和輸出連續(xù)性。

間距策略主要應(yīng)用于工況劃分，基于車頭時距的可變間距策略目前應(yīng)用廣泛［11］。Ioannau等［12］認(rèn)為行駛過程的車間距應(yīng)和自身車速成正比。孫曉文等［13］采用基于相對速度的間距策略將模式劃分為速度控制模式和車距控制模式。朱敏等［14］提出了反應(yīng)時距的概念代替車頭時距，認(rèn)為反應(yīng)時距與駕駛?cè)嗽O(shè)定限速、安全時距、自車速度以及目標(biāo)車輛速度有關(guān)。趙健等［15］提出使用基于制動過程和基于車頭時距兩種間距策略用于不同工況，但間距策略并未考慮到具體制動過程以及駕駛?cè)颂匦?。因此針對不同工況考慮不同因素以及駕駛?cè)孙L(fēng)格，應(yīng)靈活使用不同間距策略。

接管距離是防止碰撞發(fā)生而保持的必要車間距，對其準(zhǔn)確度要求高。國內(nèi)外對接管距離模型做了大量研究。大致可分為3類：基于車輛制動過程運動學(xué)分析的安全距離模型［16-17］，基于碰撞時間的安全距離模型［18-19］和基于駕駛?cè)颂匦缘陌踩嚯x模型［20-21］等。但均存在安全距離模型不精準(zhǔn)、報警精確性低、未考慮駕駛?cè)颂匦缘葐栴}，因此現(xiàn)有模型算法仍有很大的改進空間。

基于前述研究，本文中對ACC系統(tǒng)工況進行重新劃分，并針對不同ACC工況，采用個性化間距策略，充分考慮快速性、跟隨性和舒適性，設(shè)計了各工況適用的控制方法，實現(xiàn)了穩(wěn)定、可靠、適應(yīng)駕駛?cè)孙L(fēng)格的工況間平滑切換。

1 模式切換策略設(shè)計

1.1 個性化的間距策略

間距策略主要應(yīng)用于縱向工況，基于車間距將車輛行駛狀態(tài)劃分為巡航、跟車和接管工況，其對應(yīng)的間距分別定義為巡航間距S0、跟車間距S2和接管間距S1，如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)巡航系統(tǒng)間距區(qū)域分布

1.1.1 巡航間距設(shè)計

基于車間時距進行巡航距離的計算，如式（1）所示。

式中：S0為最小巡航間距；Th為巡航車間時距，一般取5～8 s［9］，本文中取6 s；vf為本車車速；d0為停車時兩車應(yīng)保持的最小安全距離，一般取2～5 m［22］，本文中取2 m。

1.1.2 跟車間距設(shè)計

期望跟車間距同樣由式（1）計算求得，其中車間時距一般取1.5～2 s［9］。為保障不同風(fēng)格駕駛?cè)烁囘^程中的安全性和舒適性，根據(jù)駕駛?cè)说谋Ｊ?、適中和激進3種駕駛風(fēng)格，對車間時距進行調(diào)整，如表1所示［23-24］。

表1 不同駕駛?cè)孙L(fēng)格跟車時距

1.1.3 接管間距設(shè)計

接管間距模型根據(jù)是否考慮駕駛?cè)私槿?，把接管間距分為制動安全距離和預(yù)警安全距離。預(yù)警安全距離考慮了駕駛?cè)丝山邮艿淖钚“踩珪r距thmin內(nèi)前車走過的距離?；谲囕v制動過程［25］可分別計算前后車的制動距離sf和sl，由于無法得知前車駕駛?cè)诵畔?，所以對前車制動距離計算時省略駕駛?cè)朔磻?yīng)時間以及部分制動器響應(yīng)時間。通過本車與前車最危險狀態(tài)，即前后車制動距離差值的最小值，并考慮到兩車停車之后應(yīng)保持最小安全間距sm來確定制動安全距離，如式（2）所示。

為分析本車與前車最危險狀態(tài)，將前車行進運動狀態(tài)分為4種情況［26］：前車靜止、勻速、加速和減速，如圖2所示。并分別計算不同行駛工況下的制動安全距離和預(yù)警安全距離。

圖2 前車運動狀態(tài)

（1）前車靜止、勻速與加速行駛工況

當(dāng)前車靜止時，自車停車時距離前車最近；當(dāng)前車勻速運動時，假設(shè)前車速度為vl，本車速度為vf，本車以vf-vl速度相對速度相對前車前進，該情況可回歸到前車靜止情況；前車加速情況比前車勻速更安全，該情況可簡化為前車勻速運動情況，因此以上3種工況的制動距離與預(yù)警距離可統(tǒng)一如式（3）和式（4）所示。

（2）前車減速行駛工況

表2 前車減速行駛工況分類

道路上很大一部分的追尾事故是由于前車緊急制動，后車制動不及時造成的。該工況可根據(jù)兩車運動狀態(tài)分為3種情況，如表2所示。由于本車先停時，兩車速度相同時間點可在制動過程任何一個階段，將最危險時刻認(rèn)定為兩車都停車時［26］。前車減速時制動距離與預(yù)警距離分別如式（5）和式（6）所示。

式中：ab1為自車制動減速度；ab2為前車制動減速度，假設(shè)前車以最大減速度制動，此時制動距離最小最危險，取-8 m/s2［27］。

駕駛?cè)嗽试S最小時距以及自車減速度考慮到不同駕駛風(fēng)格，取值如表3所示［27-28］。

表3 不同駕駛?cè)孙L(fēng)格最小時距和減速度

圖3 模式切換策略

1.2 基于間距策略的模式切換策略

本文中提出的基于個性化間距策略的自適應(yīng)巡航系統(tǒng)多模式切換策略如圖3所示。圖中S為自車與前車實際間距，ACC系統(tǒng)實時接收整車決策系統(tǒng)給出的變道信號，當(dāng)變道信號為否時，則進一步判斷前后車距，前方?jīng)]車時，自車進入巡航模式；兩車車距大于S0時，自車同樣進入巡航模式；兩車車距位于S0、S1之間時，自車進入跟車模式；當(dāng)車間距小于S1時，則進入需要其他諸如AEB、ABS系統(tǒng)［29］介入的接管模式；當(dāng)整車決策系統(tǒng)發(fā)出變道信號時，變道模式激活進行變道，完成變道后進一步判斷前后車距從而切換進入巡航、跟車、接管中某一模式。

2 自適應(yīng)巡航系統(tǒng)模式切換分層控制策略設(shè)計

2.1 控制方案設(shè)計

自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)總體方案如圖4所示。

圖4 自適應(yīng)巡航模式切換分層控制方案

圖4中，Sdes表示期望跟車距離，S0表示巡航距離，S1表示接管距離，Ir表示換道信號，Stat表示工況模式，ades表示期望的自車加速度，acor表示調(diào)整加速度，αdes表示期望的自車節(jié)氣門開度，pdes表示期望的自車制動壓力。分層控制由上、下兩層控制器［30-31］組成，上層控制器根據(jù)傳感器獲得的車距、速度和加速度信息，判斷自車安全狀態(tài)，決策自車行車模式并輸出期望加速度［32］；下層控制器的控制對象是車輛動力學(xué)系統(tǒng)，由于車輛動力學(xué)系統(tǒng)的非線性，采用車輛逆縱向動力學(xué)模型［33］對其進行控制。上層控制器輸出的期望加速度經(jīng)過逆縱向動力學(xué)轉(zhuǎn)換成期望節(jié)氣門開度和期望制動壓力輸出，直接作用于發(fā)動機與制動系統(tǒng)以實現(xiàn)對期望加速度的跟蹤控制［34-35］。

2.2 上層控制器設(shè)計

巡航模式和換道模式僅對縱向速度進行控制，因此采用簡單可靠的PID控制器；跟車模式要對兩車相對距離、相對速度進行控制，為考慮乘坐舒適性還應(yīng)對加速度進行適當(dāng)約束，為協(xié)調(diào)各性能指標(biāo)，使控制器具有良好的魯棒性，采用MPC控制算法進行控制器設(shè)計［36］。

2.2.1 PID控制器設(shè)計

巡航和換道模式采用PID控制，其控制量計算如式（7）所示。

式中：ec（t）為當(dāng)前速度與設(shè)定速度的差值；通過試湊法，確定巡航模式參數(shù)Kp＝10，Ki＝0.1，Kd＝0.05，確定換道模式參數(shù)Kp＝80，Ki＝0.2，Kd＝0.3。

2.2.2 MPC控制器設(shè)計

跟車控制器采用車距控制策略，基于車輛運動學(xué)分析，建立跟車預(yù)測模型［37］，并通過不等式約束和目標(biāo)代價函數(shù)實現(xiàn)以下性能指標(biāo)。

（1）跟隨性指標(biāo)

以兩車相對距離和相對速度作為跟隨性指標(biāo)，設(shè)立目標(biāo)代價函數(shù)：

式中：P為預(yù)測時域長度；wΔd、wΔv分別為車距、車速誤差權(quán)重。

（2）安全性指標(biāo)

為保證本車安全性，車間距要始終保持大于安全車間距，同時兩車之間距離不能過大，兩車車速誤差也不宜過大［37］。因此對兩車間距誤差Δd（k）和車速誤差Δv（k）進行約束。

（3）舒適性指標(biāo)

車輛行駛越平順，燃油經(jīng)濟性及乘坐舒適性越好，通過約束車輛實際加速度和期望加速度實現(xiàn)行駛過程的平順度要求［38］。

MPC控制器參數(shù)如表4所示，表中Ts為采樣周期，K為液壓制動系統(tǒng)增益，T為延遲時間；Q為誤差權(quán)矩陣。

表4 MPC控制器主要參數(shù)

2.3 下層控制器設(shè)計

基于前饋和PID控制算法進行下層控制器設(shè)計，其中前饋控制有助于改善液壓系統(tǒng)中建壓遲滯的影響，反饋PID控制能夠滿足系統(tǒng)快速響應(yīng)的要求。下層控制器的輸入是期望加速度，輸出是實際加速度，控制對象是逆縱向動力學(xué)模型和車輛動力學(xué)模型，其控制框圖如圖5所示。

將上層控制器得到的期望加速度ades（t）與當(dāng)前車輛的實際加速度area（t）之差作為下層PID控制器的輸入：

式中增益分別為Kp=0.8，Ki=0.6，Kd=0.05。

制動前饋控制器采用查表法，預(yù)先測定無控制效果的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)結(jié)果，并與給定期望結(jié)果相比較，分析偏差制定前饋補償方案，最后做成二維表格形式。根據(jù)輪缸實際壓力與理想壓力的壓差X，控制增壓閥和減壓閥的占空比信號Y1和Y2從而控制增減壓閥的開閉，達到精確控制輪缸壓力的目的，具體情況如表5所示。

圖5 下層控制器控制框圖

表5 前饋補償器參數(shù)

3 仿真與驗證

為了對設(shè)計的自適應(yīng)巡航系統(tǒng)模式切換策略及控制器進行驗證，搭建Matlab/Simulink與CarSim聯(lián)合仿真模型，CarSim中兩車的車型均選用B級掀背式轎車，前輪驅(qū)動，發(fā)動機功率為125 kW，其他系統(tǒng)參數(shù)如表6所示。

表6 整車基本參數(shù)

3.1 仿真試驗設(shè)置

設(shè)置巡航、跟車、換道和接管工作模式和全工況切換模式5種仿真工況，各工況設(shè)置如下。

（1）巡航工況

汽車初始速度為25 m/s。0-10 s，設(shè)定巡航速度為27 m/s；10-20 s，設(shè)定巡航速度為20 m/s；20-30 s，設(shè)定巡航速度為10 m/s；30-40 s，設(shè)定巡航速度為15 m/s；40-50 s，設(shè)定巡航速度為10 m/s。

（2）跟車工況

前車速度在0-15 s以速度20 m/s進行勻速行駛，15-23 s以加速度1 m/s2加速到28 m/s，23-35 s保持勻速狀態(tài)28 m/s行駛；35-40 s以減速度-2 m/s2減速到18 m/s；兩車初始距離為50 m，本車初始速度為25 m/s。

（3）換道工況

0-30 s前車以車速20 m/s勻速行駛，30 s時，自適應(yīng)巡航系統(tǒng)接收到換道命令，本車以變道前車速開始變換車道至旁車道，縱向車速為變道前車速20 m/s；變道之后，前方無車輛，本車以巡航速度15 m/s行駛；初始本車車速為25 m/s，相對距離為50 m。

（4）接管工況

前車車速在0-15 s保持為20 m/s，15 s時，前車急減速至10 m/s并保持本車速行駛；本車初始速度為25 m/s，兩車初始距離為40 m。

（5）混合切換工況

前車在0-20 s以20 m/s速度勻速行駛，在20 s開始急減速到10 m/s，之后一直以10 m/s勻速行駛；本車在45 s接到換道命令，換道之后，本車道前方無車輛，本車以15 m/s的巡航速度行駛；本車初始車速為25 m/s，初始距離為40 m。

圖6 各工況下車輛速度時間歷程曲線

3.2 仿真試驗結(jié)果

各試驗工況下自車與前車的速度時間歷程曲線如圖6所示；本車加速度時間歷程曲線如圖7所示；跟車、接管、混合切換工況下本車與前車距離時間歷程曲線如圖8所示。

圖7 各工況下本車加速度時間歷程曲線

3.3 性能分析

3.3.1 快速性

由圖6（a）可知，巡航工況下對于不同巡航速度，本車均在2 s左右加速至巡航速度；由圖6（b）、圖8（a）可知，跟車工況下5 s后，相對距離誤差從12.5 m減到0，兩車相對速度由5 m/s減到0；由圖6（c）可知，自車開始變道后，縱向速度略有起伏，但基本保持與變道前速度一致；由圖6（d）、圖8（b）可知，在15 s之后的不到2 s的時間內(nèi)由于前車的制動，兩車實際距離小于接管間距34 m，本車快速進入接管模式，以自適應(yīng)巡航系統(tǒng)允許的最大減速度-4 m/s2減速。各工況下系統(tǒng)均響應(yīng)快速。

3.3.2 跟隨性

由圖6（a）可知，本車在達到預(yù)定巡航速度后均穩(wěn)定跟隨預(yù)定速度；由圖6（b）、圖8（a）可知，跟車過程中本車速度與前車速度差值、實際距離與期望距離的差值均很小，跟隨性能良好。

3.3.3 舒適性

由圖7（a）～圖7（d）可知，除接管工況下緊急制動情況，加速度均未超過3 m/s2，保證了乘坐舒適性。

3.3.4 切換有效性

混合切換工況下，由圖8（c）可知，0-20 s前車勻速行駛，兩車間距大于接管間距13 m，本車進入跟車模式，控制系統(tǒng)響應(yīng)較快，跟車過程平穩(wěn)；20-22 s前車急減速，本車迅速進入接管模式，以自適應(yīng)巡航系統(tǒng)允許最大減速度-4 m/s2持續(xù)進行減速，如圖6（e）、圖7（e）所示；如圖8（c）所示，22-45 s前車保持勻速行駛，跟車間距大于接管間距9 m，本車進入跟車模式，與前車間距縮小，相對速度減??；在45 s時，本車進行換道操作，換道中主要對本車縱向車速進行控制，如圖6（e）所示，換道過程本車速度穩(wěn)定在變道前速度10 m/s左右；如圖6（e）、圖7（e）所示，在48 s后，本車道前方無車，本車進入巡航工況，巡航速度為15 m/s，本車先加速一小段時間，然后巡航行駛。綜上，混合切換工況下，系統(tǒng)實現(xiàn)了有效平穩(wěn)切換。

圖8 各工況下本車與前車距離時間歷程曲線

4 結(jié)論

（1）本文中針對不同縱向工況，采用了個性化間距策略。期望巡航距離和跟車距離基于行車安全性和道路行車效率，采用車頭時距策略建立相關(guān)間距模型，并針對不同駕駛?cè)说母囂匦栽O(shè)置了3種跟車時距，且基于制動過程建立了適應(yīng)駕駛?cè)孙L(fēng)格的接管間距模型，對接管工況下前后車碰撞距離進行準(zhǔn)確計算，在保證安全性的基礎(chǔ)上進一步滿足駕駛?cè)说膫€性化需求，提高了接管準(zhǔn)確性。

（2）采用分層控制器設(shè)計實現(xiàn)自適應(yīng)巡航的多模式切換。上層MPC控制器通過設(shè)計代價函數(shù)及約束條件，保證了自車行駛的安全性，跟隨性和舒適性，下層控制器充分考慮液壓制動系統(tǒng)的建壓遲滯效應(yīng)和車輛動力學(xué)系統(tǒng)的強非線性，采用前饋和PID的控制達到快速、準(zhǔn)確控制的目的。

（3）開展了巡航、跟車、換道和接管以及全工況切換模式5種仿真試驗，4種基本工況下本車速度和與前車間距均能快速達到期望值，加速度除接管工況緊急制動情況外均未超過3 m/s2；混合切換工況下，控制模式根據(jù)實際工況平穩(wěn)切換。結(jié)果表明本文中設(shè)計的自適應(yīng)巡航系統(tǒng)模式切換策略及控制器滿足快速性、跟隨性和舒適性要求，實現(xiàn)了各工況之間有效平穩(wěn)切換。