趙秀春，徐國凱，張 濤，葛平淑

(大連民族學(xué)院機(jī)電信息工程學(xué)院遼寧大連116605)

車輛自適應(yīng)巡航控制技術(shù)ACC(Adaptive Cruise Control System)能夠輔助駕駛員駕駛，降低駕駛強(qiáng)度，提高駕駛性能，改善駕駛舒適性，因此自上世紀(jì)就得到了各大汽車廠商的廣泛關(guān)注，成為各大研究機(jī)構(gòu)研究與開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一［1-2］。汽車定速巡航系統(tǒng)自20世紀(jì)70年代就逐漸開始裝配在全球著名汽車公司的高級轎車上，隨著電子、計算機(jī)及控制技術(shù)的迅速發(fā)展，汽車巡航控制系統(tǒng)傳感器技術(shù)、信息融合技術(shù)等軟硬件技術(shù)日趨成熟，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性，對于控制算法的研究亦成為自動巡航系統(tǒng)研究的熱點和關(guān)鍵技術(shù)［3-5］。目前，用于巡航系統(tǒng)的控制算法主要包含針對驅(qū)動、制動力矩控制以及最近提出的分層控制［6-7］。由于巡航系統(tǒng)的復(fù)雜性和跟車巡航控制具有很強(qiáng)的非線性和不確定性，本文基于分層控制原理，采用模糊控制算法對車輛巡航系統(tǒng)進(jìn)行自適應(yīng)的定速巡航與跟車巡航的綜合控制，應(yīng)用Matlab Simulink及硬件在環(huán)技術(shù)進(jìn)行仿真實驗研究。

1 自適應(yīng)巡航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

汽車自適應(yīng)巡航系統(tǒng)的工作原理是ACC控制器根據(jù)測距雷達(dá)及其他傳感器返回的信息，控制目標(biāo)車輛的縱向運動狀態(tài)，從而保持期望的車輛速度和與前方引導(dǎo)車之間的安全距離。其功能主要為:當(dāng)前方無引導(dǎo)車時，控制目標(biāo)車輛按照設(shè)定的巡航速度行駛;當(dāng)前方出現(xiàn)引導(dǎo)車后，目標(biāo)車輛將逐漸靠近前車，并將其視為引導(dǎo)車，在保持安全車間距離的要求下跟蹤前車行駛，實現(xiàn)較少駕駛員的操作，減輕其疲勞程度;使車輛在巡航控制期間，能夠適應(yīng)風(fēng)力和道路坡度變化所引起的汽車行駛阻力變化，自動變換節(jié)氣門開度保證汽車燃料最佳經(jīng)濟(jì)性規(guī)律的穩(wěn)態(tài)行駛。本自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)既適用于單一的低速定速巡航控制，也適用于高速行駛工況中的定速控制和距離控制兩種功能的結(jié)合，其中定速控制即車前方?jīng)]有引導(dǎo)車輛或引導(dǎo)車輛在安全車距以外時，按照駕駛員設(shè)定的車速行駛;距離控制是指當(dāng)前方安全車距以內(nèi)有車輛行駛，且車速小于本車車速時，選定前方車輛作為引導(dǎo)車，按照控制策略自動跟蹤引導(dǎo)車行駛。

為了簡化系統(tǒng)的設(shè)計難度和便于控制器設(shè)計，本文所設(shè)計的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)由上位控制系統(tǒng)、下位控制系統(tǒng)和車輛模型3部分構(gòu)成。上位控制系統(tǒng)包含兩種工作模式即車輛定速巡航功能和跟蹤前車運動功能，以及工作模式的自動切換功能。下位控制系統(tǒng)主要是建立加速度與車輛節(jié)氣門開度之間的關(guān)系，從而直接獲得期望的節(jié)氣門開度。下位控制系統(tǒng)包含下位控制器和理想加速度與節(jié)氣門踏板之間的逆模型。通過下位系統(tǒng)得到真正用以控制車輛速度的節(jié)氣門踏板信號。車輛模型由發(fā)動機(jī)動力模型、變矩器與變速器模型以及車輛縱向動力學(xué)方程組成?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 ACC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 車輛自適應(yīng)巡航系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)采用分層控制，根據(jù)工況自適應(yīng)切換定速巡航和跟車巡航兩種模式，同時利用模糊PI控制實現(xiàn)巡航系統(tǒng)的高性能控制。

2.1 上位控制系統(tǒng)設(shè)計

上位控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)汽車工作模式的切換，即通過選擇定速巡航控制和跟車巡航控制兩種模式，分別實現(xiàn)車輛定速巡航功能和跟蹤前車運動功能。切換邏輯通過測量車輛工作狀態(tài)，如車間距離誤差，速度誤差以及本車加速度等信息判斷當(dāng)前車輛屬于哪種工作模式并計算出期望車輛加速度作為輸出期望加速度，以此作為下位控制系統(tǒng)的輸入，上位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2，其中工作模式選定模塊根據(jù)駕駛員設(shè)定的巡航速度和傳感器獲得的信號，判斷是否有車輛出現(xiàn)或離開有效車距范圍內(nèi)，且前車車速是否低于巡航車速上限，從而自動切換到跟車巡航控制或定速巡航控制模式來控制得到不同的理想的期望加速度值。

圖2 上位控制系統(tǒng)

2.2 下位控制系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)下位控制器采用的是模糊PI控制器，充分利用PI控制器結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、適于工程實際的特點，同時又結(jié)合了模糊控制響應(yīng)速度快、魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點。下位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3，由下位控制器和車輛逆模型構(gòu)成，通過驅(qū)動力方程、自動變速器模型和發(fā)動機(jī)map圖得到車輛逆模型［2］。模糊控制器以理想加速度與實際加速度的誤差e和誤差的變化率ec作為輸入，依據(jù)不同時刻e和ec對PI參數(shù)調(diào)節(jié)的要求，利用模糊控制規(guī)則在線對PI參數(shù)進(jìn)行修改。該模糊控制器結(jié)合了實際動態(tài)特性及實際經(jīng)驗，通過模糊規(guī)則推理，自動實現(xiàn)PI參數(shù)的最佳調(diào)節(jié)，使自動巡航系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)性能。

圖3 下位控制系統(tǒng)器結(jié)構(gòu)圖

模糊控制的輸入、輸出變量分別為偏差e和偏差變化率ec，輸出量為U。e的論域取為［-10，10］，ec的論域取為［-1，1］，U 的論域取為［-5，5］，它們的狀態(tài)分別是負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。語言值的隸屬函數(shù)選擇三角形的隸屬度函數(shù)。模糊推理規(guī)則如下:if e=NB and ec=NB then kp=PB以此類推。由于采用了Mamdain型模糊控制器，模糊推理采用Mamdain推理，解模糊采用缺省值:重心法。Mamdain控制規(guī)則見表1。

表1 下位控制器控制規(guī)則

3 仿真和實驗研究

本文首先利用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行仿真研究，系統(tǒng)仿真圖如圖4。與采用傳統(tǒng)PI控制器進(jìn)行對比，仿真結(jié)果如圖5。然后在硬件在環(huán)仿真試驗臺上進(jìn)行實驗研究，采用了兩種實驗工況，分別為前車階躍加速度工況(工況1)和前車正弦加速度工況(工況2)。其中，工況1中初始車輛加速度為0，初速度為10 m·s-1，10 s后加速度階躍為0.5 m·s-2，后車初始車速為10 m·s-1，車間距離為40 m。工況2中前后車速皆為20 m·s-1，前車加速度為±0.5 m·s-2正弦加速度，初始車間距離為60 m，實驗結(jié)果如圖6，曲線1為前車運動參數(shù)曲線，曲線2為本車響應(yīng)曲線。

圖4 系統(tǒng)的仿真圖

圖5 加速度響應(yīng)曲線

圖6 不同工況下基于硬件在環(huán)實驗結(jié)果

由圖5可以看出，與常規(guī)PI控制相比，采用模糊PI控制策略后，系統(tǒng)的性能指標(biāo)有了很大提高，響應(yīng)的上升時間和調(diào)節(jié)時間大幅縮短、超調(diào)量也較小，表明該系統(tǒng)具有更好的跟蹤性能。由圖6的工況1中可以看到，在有效車距范圍內(nèi)(前70 s)，被控車輛具有良好的巡航跟蹤性能，其車速與加速度與前車基本一致且振蕩較小，70 s后，車輛速度超過上限，自動退出跟車巡航控制，切換至定速巡航控制;工況2中，當(dāng)前車進(jìn)入有效車距范圍，車輛始終處于跟車巡航模式，而且，兩種工況下，被控車輛的車速和加速度均具有良好的跟蹤性和平穩(wěn)性。

4 結(jié)語

本文針對車輛巡航問題進(jìn)行研究，設(shè)計了一種分層控制，其中上位控制系統(tǒng)實現(xiàn)了定速巡航和跟車巡航兩種模式的自適應(yīng)切換，下位控制系統(tǒng)利用了模糊PI控制策略來提高車輛巡航系統(tǒng)的控制性能及控制精度。最后，進(jìn)行了Matlab/Simulink仿真與硬件在環(huán)實驗研究，結(jié)果表明該巡航系統(tǒng)具有自動切換功能，并且提供了較高控制精度和理想的跟車精度，該系統(tǒng)提高了汽車巡航的穩(wěn)定性，減輕了駕駛者的疲勞程度。

［1］于萬海.汽車定速巡航控制系統(tǒng)應(yīng)用與發(fā)展趨勢［J］.汽車與配件技術(shù)與應(yīng)用，2012，1(1):20-21.

［2］蘇玉剛，鄧彬，黃劍，等.AMT車輛自動巡航系統(tǒng)智能控制技術(shù)［J］.重慶大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2007，30(1):77-80.

［3］楊潔芳，陳開考，周勝利.基于單片機(jī)的汽車巡航控制仿真系統(tǒng)設(shè)計［J］.科技通報，2012，28(5):151-155.

［4］仇成群，劉成林，沈法華，等.基于Matlab和模糊PID的汽車巡航控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(6):197-201.

［5］尤洋.汽車自適應(yīng)巡航系統(tǒng)自調(diào)整因子模糊控制器的優(yōu)化控制［D］.長春:吉林大學(xué)，2012.

［6］裴曉飛，劉昭度，馬國成，等.一種汽車巡航控制的分層控制算法［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報，2012，32(5):479-483.

［7］李以農(nóng)，冀杰，鄭玲，等.智能車輛自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)建模與仿真［J］.中國機(jī)械工程，2010，21(11):1374-1380.