自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)模型在Simulink中的實(shí)現(xiàn)

蘭龍睿

(福州大學(xué)梅努斯國(guó)際工程學(xué)院，福建 福州 350108)

1 概述

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束之后，世界汽車(chē)行業(yè)飛速發(fā)展，擁有汽車(chē)的家庭越來(lái)越多，汽車(chē)逐漸成為各國(guó)人民出行的首選。隨著汽車(chē)數(shù)量的增多，交通事故也越發(fā)增多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年有120多萬(wàn)人死于道路交通事故，數(shù)百萬(wàn)人受傷或致殘，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)5180億美元[1]?？梢?jiàn)，世界道路交通安全形勢(shì)十分嚴(yán)峻，人們對(duì)道路交通和汽車(chē)安全性的需求提高。人們希望能減輕駕駛時(shí)的疲勞感，減少交通安全事故發(fā)生，保障自身和他人的生命、財(cái)產(chǎn)安全。因此，各大汽車(chē)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)都著力于開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的巡航控制系統(tǒng)等駕駛輔助技術(shù)，防止駕駛員疲勞駕駛，保障汽車(chē)安全行駛。巡航控制是一種使汽車(chē)在行駛狀態(tài)下保持固定車(chē)速以提高駕駛舒適性的技術(shù)。在巡航控制期間，汽車(chē)能自動(dòng)改變節(jié)氣門(mén)體的開(kāi)度和檔位，使車(chē)輛保持一個(gè)相對(duì)固定的速度。由于車(chē)速固定，因此加速踏板和制動(dòng)踏板的踩放次數(shù)減少，耗油量也隨之減少。隨著技術(shù)發(fā)展，新的巡航控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作方式使得系統(tǒng)具有更高的工作效率、更強(qiáng)的可靠性和更廣的使用范圍。本研究旨在建立一個(gè)巡航控制系統(tǒng)，使行駛車(chē)輛在直行的高速公路上保持固定的速度，即在面對(duì)不同情況時(shí)，速度都能在波動(dòng)后保持固定。

自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)是在現(xiàn)有巡航控制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種智能自動(dòng)控制系統(tǒng)[2]。該系統(tǒng)通過(guò)兩個(gè)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)獲取外部信息的功能。在行駛過(guò)程中，安裝在車(chē)輛前部的距離傳感器用雷達(dá)連續(xù)掃描車(chē)輛前方道路，而輪速傳感器被用來(lái)采集實(shí)時(shí)的車(chē)速信號(hào)[3]。發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)在接收到傳感器的數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效算法處理[4]，然后就可以判斷車(chē)輛進(jìn)行加速或減速。本文利用Simulink中的自適應(yīng)巡航控制(ACC)系統(tǒng)進(jìn)行建模，解決巡航控制系統(tǒng)的仿真問(wèn)題。在最開(kāi)始的情況下，前車(chē)和本車(chē)的初始速度和初始位置已知，且加速度被認(rèn)為是一個(gè)現(xiàn)實(shí)中的正弦波。模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和積分，得到當(dāng)前速度和當(dāng)前位置，并將這兩個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶赃m應(yīng)巡航控制系統(tǒng)中，得到本車(chē)的縱向加速度。根據(jù)計(jì)算得到的縱向加速度，本車(chē)將做加速或減速操作。最后利用本車(chē)的當(dāng)前速度和當(dāng)前位置，計(jì)算出新的相對(duì)速度和相對(duì)距離，使系統(tǒng)繼續(xù)保持運(yùn)行，即保持兩車(chē)之間的安全距離。該系統(tǒng)將在Simulink中運(yùn)行，然后進(jìn)行評(píng)估。在Simulink的觀測(cè)器中得到速度、加速度和相對(duì)距離的數(shù)據(jù)并利用Matlab繪制圖像。通過(guò)分析圖像，本文將判斷在保持安全距離的情況下，速度是否固定在駕駛員事先設(shè)定的值，重點(diǎn)關(guān)注模型的有效性。

2 自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)和Simulink仿真

2.1 自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)

自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)是在舊有巡航控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新系統(tǒng)。自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)可以根據(jù)外界條件對(duì)汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此比常規(guī)巡航控制系統(tǒng)具有更好的性能。它有時(shí)也被稱(chēng)為動(dòng)態(tài)雷達(dá)巡航控制或智能巡航控制，因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)車(chē)上安裝的測(cè)量設(shè)備探測(cè)到前車(chē)與本車(chē)的距離和前車(chē)的速度。其基本思路是，汽車(chē)的加速或減速會(huì)自動(dòng)取決于周?chē)?chē)的移動(dòng)速度。這種巡航模式極大地優(yōu)化了巡航控制系統(tǒng)。自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)只對(duì)沿車(chē)道行駛的車(chē)輛進(jìn)行縱向行駛控制。控制系統(tǒng)通常由上層控制系統(tǒng)和下層控制系統(tǒng)組成[5]。上層控制系統(tǒng)根據(jù)兩車(chē)之間的相對(duì)距離和車(chē)載裝置獲得兩車(chē)速度差值，并輸出下一時(shí)刻的加速度。下層控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整內(nèi)部動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上層控制系統(tǒng)優(yōu)化得到的加速度。近年來(lái)，自適應(yīng)巡航控制的研究呈現(xiàn)多樣化的趨勢(shì)，如城市常工況下啟停的自適應(yīng)巡航控制、混合動(dòng)力汽車(chē)的自適應(yīng)巡航控制、與車(chē)道保持系統(tǒng)相結(jié)合的自適應(yīng)巡航控制、彎道行駛的自適應(yīng)巡航控制、考慮燃油經(jīng)濟(jì)性的自適應(yīng)巡航控制等。研究表明，自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的使用可以減少駕駛員踩放加速踏板和制動(dòng)踏板的次數(shù)，從而降低油耗，而且由于它能根據(jù)駕駛員的預(yù)期來(lái)設(shè)定巡航速度，因此駕駛的舒適性也得到了大大的提高，讓駕駛員在駕駛汽車(chē)時(shí)減少疲勞感并放松心情。

自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)有兩種工作模式:①速度控制。在該模式下，本車(chē)以駕駛員設(shè)定的速度行駛。②距離控制。在該模式下，本車(chē)與前車(chē)需要保持安全距離[6]。自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)雷達(dá)測(cè)量選擇使用哪種模式。例如，如果前車(chē)與本車(chē)距離接近，自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)將從速度控制轉(zhuǎn)換為距離控制。同樣，如果前車(chē)與本車(chē)距離過(guò)遠(yuǎn)，自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)將從距離控制轉(zhuǎn)換為速度控制。一般來(lái)說(shuō)，在本車(chē)與前車(chē)保持安全距離的情況下，系統(tǒng)會(huì)保持駕駛員設(shè)定的固定速度。

2.2 Simulink仿真

本文使用Simulink軟件進(jìn)行仿真，Simulink是一種基于Matlab語(yǔ)言環(huán)境的仿真建模軟件，具有圖形化界面且用戶(hù)界面友好，操作方便，是目前工程界常用的仿真工具。在Simulink中，數(shù)學(xué)模型可以用圖形方式進(jìn)行展現(xiàn)，而且各種功能模塊化，因此相關(guān)數(shù)值的求解可以通過(guò)內(nèi)部的一些模塊完成。在仿真建模過(guò)程中，可以直接用鼠標(biāo)拖放模塊，建立信號(hào)連接。由于在Simulink中可以用模塊進(jìn)行建模，所以控制系統(tǒng)和控制對(duì)象可以分別建立模型。每個(gè)子模塊的參數(shù)可以單獨(dú)修改，且這些修改不會(huì)影響其他模塊的運(yùn)行，使系統(tǒng)的擴(kuò)展十分方便。由于仿真對(duì)象的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，在Simulink中可以采用不同控制模塊來(lái)對(duì)比不同控制方式的優(yōu)劣，從中選擇最佳的控制算法[7]。

Simulink仿真中存在一個(gè)自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)(ACC)，該系統(tǒng)的輸入有5個(gè)變量，分別是:駕駛員設(shè)定速度、時(shí)間差、本車(chē)的速度、與前車(chē)的相對(duì)距離和與前車(chē)的相對(duì)速度。其中有一個(gè)子系統(tǒng)模塊被用來(lái)計(jì)算初始狀態(tài)和當(dāng)前狀態(tài)之間的關(guān)系，并在得到結(jié)果之后對(duì)系統(tǒng)的其他數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。為了實(shí)現(xiàn)在直行的高速公路上車(chē)輛能保持固定的速度，本文使用Simulink內(nèi)的這一模塊進(jìn)行建模。

對(duì)于本車(chē)和前車(chē)，本文基于拉普拉斯變換建立了加速度和速度的動(dòng)力學(xué)模型，如式(1)所示。該模型估計(jì)了節(jié)氣門(mén)體和車(chē)輛慣性的動(dòng)力學(xué)變化。

(1)

在本文中，本車(chē)和前車(chē)的相對(duì)安全距離可被表示為與本車(chē)速度有關(guān)的關(guān)系式，如式(2)所示。其中，Ddefault為靜止時(shí)的間距，Tgap為前車(chē)和本車(chē)的時(shí)間差。

Dsafe=Ddefault+vego×Tgap

(2)

兩輛車(chē)的初始速度和初始位置可以人為設(shè)置。基于兩車(chē)的初始速度和初始位置，模型可以計(jì)算出兩車(chē)當(dāng)前的速度和當(dāng)前的位置。其中，當(dāng)前速度的計(jì)算方法是上述動(dòng)力學(xué)模型方程，該方程可以描述加速度與速度之間的關(guān)系，并考慮到節(jié)氣門(mén)體和車(chē)輛慣性。當(dāng)前位置是根據(jù)初始位置和行駛方向上的位移之和計(jì)算得到的，其中位移為速度在時(shí)間上的積分。經(jīng)過(guò)計(jì)算，模型再將兩車(chē)當(dāng)前的位置與速度相結(jié)合，就能得出當(dāng)前的相對(duì)速度和相對(duì)距離。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)將決定車(chē)輛加速或減速，即加速或減速過(guò)程取決于兩車(chē)之間的實(shí)際距離。在本車(chē)與前車(chē)保持安全距離的情況下，系統(tǒng)會(huì)使本車(chē)保持駕駛員設(shè)定的固定速度。

3 Simulink仿真過(guò)程和結(jié)果分析

3.1 Simulink仿真過(guò)程

本文使用Simulink中的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)模塊進(jìn)行仿真，它滿(mǎn)足了兩輛車(chē)在保持安全距離時(shí)保持固定速度的需求。在Simulink中創(chuàng)建兩個(gè)子系統(tǒng)，表示本車(chē)和前車(chē)的位置，速度和加速度之間的關(guān)系。為了便于分析，本文認(rèn)為前車(chē)的加速度可以用一個(gè)現(xiàn)實(shí)中的正弦波表示。在仿真開(kāi)始時(shí)人為設(shè)定前車(chē)和本車(chē)的初始速度和初始位置。開(kāi)始仿真后，系統(tǒng)將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和積分，得到當(dāng)前速度和當(dāng)前位置。然后將這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)上傳至自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)，得到縱向加速度，本車(chē)據(jù)此將做加速或減速的操作。利用本車(chē)的當(dāng)前速度和當(dāng)前位置，模型計(jì)算出新的相對(duì)速度和相對(duì)距離，使系統(tǒng)保持運(yùn)行以達(dá)到目標(biāo)。在Matlab中編寫(xiě)了2個(gè)文檔，其中一個(gè)文檔用來(lái)初始化變量，設(shè)置相應(yīng)的數(shù)值，并在該文檔中編寫(xiě)命令，調(diào)用另一個(gè)文檔中的函數(shù)來(lái)對(duì)模型進(jìn)行仿真。另一個(gè)文檔用來(lái)模擬仿真和繪制速度、加速度和兩車(chē)間距的圖像，最終根據(jù)Matlab得到的圖像來(lái)評(píng)估模型。

為了直觀、清晰地顯示數(shù)據(jù)趨勢(shì)，對(duì)速度值進(jìn)行了人為增大，并進(jìn)行舉例分析。把駕駛員設(shè)定的速度設(shè)置為45m/s，本車(chē)的初速度是30m/s，前車(chē)的初速度是40m/s。因此，初始相對(duì)速度是10m/s。本車(chē)的初始位置為0m，前車(chē)的初始位置為50m，初始相對(duì)距離是50m，默認(rèn)的安全距離設(shè)置為10m。之所以將初始距離設(shè)置為50m，是因?yàn)樵谶@種情況下的初始距離不會(huì)影響本車(chē)的加速度。時(shí)間差為1s，采樣時(shí)間為0.1s。將數(shù)據(jù)設(shè)置在合理區(qū)間，以避免產(chǎn)生過(guò)大的誤差。前文給出了加速度與速度之間的關(guān)系，并考慮了節(jié)氣門(mén)體和車(chē)輛慣性的影響，然后基于Simulink建立自適應(yīng)巡航控制模型(如圖1所示)。

圖1 基于自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)建立的模型示意圖

最終的模型有3個(gè)模塊，其中2個(gè)子系統(tǒng)模塊代表了2輛車(chē)的基本信息，兩車(chē)的關(guān)系可由2個(gè)模塊之間的連線和小模塊表示，如圖1所示。另一個(gè)模塊是自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)模塊，它是Simulink中已有的一個(gè)模塊，直接使用該模塊便于模型的建立。該模塊中的5個(gè)變量分別是“設(shè)定速度”“時(shí)間差”“縱向速度”“相對(duì)距離”和“相對(duì)速度”。其中，“設(shè)定速度”和“時(shí)間差”是人為設(shè)定的，“相對(duì)距離”和“相對(duì)速度”可以通過(guò)本車(chē)和前車(chē)的數(shù)據(jù)計(jì)算得出，“縱向速度”是本車(chē)的當(dāng)前速度?；谶@5個(gè)變量，模型在自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)模塊中進(jìn)行計(jì)算，得到縱向加速度。而本車(chē)將基于縱向加速度進(jìn)行加速或減速。將本車(chē)的“當(dāng)前速度”值返回到自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)模塊，作為變量“縱向速度”的值。模型將進(jìn)行下一階段的計(jì)算，決定下一階段的速度。

如圖2所示，每個(gè)子系統(tǒng)模塊包含5個(gè)變量，分別是“加速度”“初始位置”“初始速度”“當(dāng)前位置”和“當(dāng)前速度”，由幾條線和幾個(gè)小模塊連接而成，以此表示它們之間的關(guān)系。其中“加速度”“初始位置”和“初始速度”是人為設(shè)置的。模型對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和積分，得到“當(dāng)前位置”和“當(dāng)前速度”。最后將這2個(gè)變量的值傳輸?shù)阶赃m應(yīng)巡航控制系統(tǒng)，繼續(xù)使兩車(chē)保持安全距離。

圖2 子系統(tǒng)模型示意圖

筆者發(fā)現(xiàn)，如果設(shè)定的速度小于本車(chē)和前車(chē)的速度，那么設(shè)定的速度將失去意義。因?yàn)楸拒?chē)在開(kāi)始時(shí)就達(dá)到了設(shè)定的速度，所以車(chē)輛會(huì)一直保持固定的速度，不再變化。主要由于本車(chē)的速度保持不變，而前車(chē)保持更大的速度，兩車(chē)的相對(duì)距離會(huì)越來(lái)越大。所以，在這種情況下，相對(duì)距離小于安全距離的條件不會(huì)出現(xiàn)，本車(chē)的速度也不會(huì)發(fā)生改變。

3.2 結(jié)果分析

通過(guò)在Matlab中進(jìn)行繪圖，獲得表示速度、加速度和相對(duì)距離的仿真數(shù)據(jù)變化圖。在前7s，如圖4和圖5所示，為了達(dá)到設(shè)定的速度，本車(chē)以最大加速度加速。從8s到28s，如圖3和圖5所示，由于兩輛車(chē)的當(dāng)前相對(duì)距離大于安全距離，所以本車(chē)的速度保持不變。從29s到36s，如圖3和圖5所示，由于前車(chē)的速度在下降，且本車(chē)速度大于前車(chē)速度，兩車(chē)相對(duì)距離也在減少。所以，如圖4所示，從29s到31s，本車(chē)的加速度減小到負(fù)值，但絕對(duì)值變大，即開(kāi)始減速。而在31s到36s之間，如圖3～圖5所示，由于兩車(chē)的相對(duì)速度變小，相對(duì)距離接近甚至小于安全距離。為了增加兩車(chē)之間的相對(duì)距離，本車(chē)的加速度立即達(dá)到最小。圖5顯示，從速度下降時(shí)刻到43s，在本車(chē)達(dá)到設(shè)定速度之前，本車(chē)的速度更快。如圖3和圖5所示，由于本車(chē)的速度在不斷增加，而前車(chē)的速度增加趨勢(shì)更快，兩車(chē)的相對(duì)速度也在不斷增大，所以在44s到53s之間的相對(duì)距離越來(lái)越大。在54s之后，由于兩車(chē)的相對(duì)速度減小，且本車(chē)速度大于前車(chē)速度，相對(duì)距離開(kāi)始下降，為了使兩車(chē)相對(duì)距離大于安全距離，本車(chē)的速度也開(kāi)始減小。

(a)實(shí)際相對(duì)距離(b)安全相對(duì)距離圖3 兩車(chē)實(shí)際距離和安全距離的比較圖

(a)本車(chē)加速度(b)前車(chē)加速度圖4 兩車(chē)加速度的比較圖

(a)本車(chē)速度與設(shè)定速度(b)前車(chē)速度圖5 兩車(chē)速度和設(shè)定速度的比較圖

通過(guò)模擬及其獲得的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)兩車(chē)保持安全距離時(shí)，即使前車(chē)速度發(fā)生變化，本車(chē)也將保持一個(gè)固定的速度。而且，該模型可以使兩車(chē)之間的相對(duì)距離在大多數(shù)情況下始終大于安全距離。因此，它是足夠安全的巡航控制系統(tǒng)，滿(mǎn)足本文研究的目的。

4 結(jié)論與展望

Simulink仿真結(jié)果表明，該模型符合保持勻速的目標(biāo)要求，基于Simulink建模得到的自適應(yīng)巡航控制方法可以描述本車(chē)與前車(chē)之間的關(guān)系。在Simulink中，該仿真模型具有良好的性能。此外，該模型可以使本車(chē)與前車(chē)保持足夠大的距離，保證兩輛車(chē)在大多數(shù)時(shí)候都是安全的。對(duì)于大多數(shù)司機(jī)來(lái)說(shuō)，這極大提高了駕駛安全性和駕駛體驗(yàn)，這種特性對(duì)巡航控制系統(tǒng)是有益的。

但是，基于模型建立的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)際情況的推測(cè)準(zhǔn)確度仍有提升的空間，在更多考慮行人、行駛曲線等變量后，計(jì)算出相關(guān)方程，將使模型能符合更多的實(shí)際駕駛場(chǎng)景。在自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的研究上，有學(xué)者也考慮了其他的一些變量，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器模型、滾動(dòng)優(yōu)化模型、模糊控制策略、有效目標(biāo)辨識(shí)算法等開(kāi)展研究，取得了相應(yīng)的成果。只有進(jìn)一步提升道路交通的智能化程度，才能在日常道路交通中運(yùn)用模型，并使之充分發(fā)揮作用。由于目前道路交通并沒(méi)有高度智能化，一些模型只能在特定條件下使用，無(wú)法實(shí)現(xiàn)任何場(chǎng)景下都能使用完全有效控制的汽車(chē)駕駛智能系統(tǒng)。雖然自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)還面臨著許多困難，但是隨著相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，仍然可以想象未來(lái)相關(guān)的道路和車(chē)輛的交通安全問(wèn)題能得到妥善解決，人們能夠更加安全地駕駛汽車(chē)出行。