鐘豪 賈瑞雪

（重慶交通大學(xué)機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院）

在智能車(chē)自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（adaptive cruise control，簡(jiǎn)稱ACC）現(xiàn)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代汽車(chē)，既可以實(shí)現(xiàn)定速巡航，跟蹤前車(chē)，還能通過(guò)車(chē)載傳感器獲取前方車(chē)輛與道路信息，調(diào)整主車(chē)行駛狀態(tài)，保持以安全的車(chē)間距行駛[1]。其中，跟車(chē)巡航功能對(duì)于緩解駕駛員的駕駛壓力、減少交通事故的發(fā)生起到重要作用。由于前車(chē)加速度處于一直變化中，舒適性難以保證，因此多數(shù)消費(fèi)者考慮安裝ACC 系統(tǒng)[2]。文章在保證行車(chē)安全的基礎(chǔ)上，滿足駕乘人員的舒適性要求，以期實(shí)現(xiàn)更為良好的跟蹤效果。

1 車(chē)間運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立

車(chē)輛巡航跟車(chē)時(shí)，安全性和舒適性一般不可兼得。注重安全性顯然會(huì)有急劇減速的情況，從而降低舒適性，而過(guò)多考慮舒適性會(huì)使得汽車(chē)在危險(xiǎn)工況時(shí)難以保證安全性，進(jìn)而引起交通事故[3]。需在保證安全性的基礎(chǔ)上，增加考慮舒適性指標(biāo)，才能實(shí)現(xiàn)安全跟車(chē)。跟車(chē)系統(tǒng)控制簡(jiǎn)圖，如圖1 所示。

圖1 跟車(chē)系統(tǒng)控制目標(biāo)簡(jiǎn)圖

跟車(chē)控制由感知層和執(zhí)行層組成：感知層將傳感器接收的前車(chē)速度與車(chē)間距離的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析計(jì)算，得出期望加速度，傳遞給執(zhí)行層；執(zhí)行層分析計(jì)算兩車(chē)速度差值，將誤差輸入車(chē)輛逆縱向動(dòng)力學(xué)模型，輸出油門(mén)開(kāi)度與制動(dòng)壓力，調(diào)節(jié)本車(chē)加速度。分析跟車(chē)模型的車(chē)間關(guān)系，建立跟車(chē)系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程數(shù)學(xué)模型。圖2 示出跟車(chē)系統(tǒng)中自車(chē)和前車(chē)的縱向運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

圖2 跟車(chē)系統(tǒng)中兩車(chē)縱向運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系圖

根據(jù)圖2 可以定義：

式中：Δd——實(shí)際兩車(chē)距離與期望車(chē)間距差值，m；

Δv——自車(chē)與前車(chē)速度差值，m/s；

drel——實(shí)際車(chē)間距，m；

ddes——期望車(chē)間距，m；

vp——前車(chē)速度，m/s；

vf——自車(chē)速度，m/s。

2.2.4 大鼠肝微粒體孵育及樣品處理 取“2.2.1”“2.2.2”“2.2.3”項(xiàng)下經(jīng)啟動(dòng)的孵育體系各適量，置于37 ℃水浴中，分別于孵育0、5、10、15、20、30、45 min時(shí)加入含內(nèi)標(biāo)100 μg/L的乙腈溶液400 μL終止反應(yīng)，渦旋混勻30 s后，于4℃下以16 000×g離心10 min；取上清液以氮?dú)饬鞔蹈?，殘?jiān)眉状紡?fù)溶，以16 000×g離心10 min；取上清液適量進(jìn)行UPLC-MS/MS分析，考察各時(shí)間點(diǎn)孵育體系中ZG02的質(zhì)量濃度。各孵育體系均平行操作3次。

期望車(chē)間距表達(dá)式，如式（2）所示。

式中：dsafe——兩車(chē)最小安全距離，m；

th——車(chē)間時(shí)距，s。

2 跟車(chē)模型控制目標(biāo)分析

2.1 車(chē)輛安全跟蹤條件

ACC 系統(tǒng)本身可以為駕乘人員提供舒適性，但行車(chē)安全還是該系統(tǒng)最基礎(chǔ)的控制目的，為使ACC 系統(tǒng)的安全性在整個(gè)行駛過(guò)程中得到體現(xiàn)，需對(duì)實(shí)際車(chē)間距采取約束控制，即：drel≥dsafe。

最小安全間距（dsafe）由兩車(chē)距離與車(chē)身長(zhǎng)度構(gòu)成。在跟蹤模式下，實(shí)際車(chē)間距（drel）應(yīng)等于間距策略計(jì)算出的期望跟車(chē)間距（ddes），則控制效果良好。即使得自車(chē)速度（vf）逼近前車(chē)速度（vp），兩車(chē)速度差值（Δv）趨于 0，即：Δd→0，Δv→0。

2.2 駕駛員舒適性條件約束

行車(chē)舒適性的滿足應(yīng)遵循2 個(gè)基本原則：一是實(shí)際車(chē)距趨近期望車(chē)距；二是車(chē)輛縱向加速度不能過(guò)大或過(guò)小，加速度變化率應(yīng)保持在行車(chē)舒適范圍之內(nèi)。前者由運(yùn)動(dòng)學(xué)模型控制兩車(chē)間距體現(xiàn)，后者利用約束加速度來(lái)反映，定義加速度范圍為：

式中：af,max，af,min——自車(chē)加速度上下界，m/s2；

3 模型預(yù)測(cè)控制（MPC）策略設(shè)計(jì)

模型預(yù)測(cè)控制是目前運(yùn)用較多的一種反饋控制策略。其原理是采集當(dāng)前時(shí)刻的測(cè)量信息，根據(jù)對(duì)象前一時(shí)段的信息預(yù)測(cè)未來(lái)信息，不斷地重復(fù)并在線求解一個(gè)最優(yōu)化問(wèn)題來(lái)選擇控制行為。分析出控制序列的第1個(gè)變量，運(yùn)用到被控對(duì)象，然后采樣下一時(shí)刻信息，用新的測(cè)量值刷新優(yōu)化問(wèn)題，并重新求解[4-5]。智能車(chē)輛配備距離傳感器，如雷達(dá)、激光等，用于測(cè)量自車(chē)與前車(chē)的相對(duì)距離，還可以測(cè)量前車(chē)的相對(duì)速度。ACC系統(tǒng)在2 種模式下運(yùn)行。1）自車(chē)車(chē)速控制：自車(chē)保持以駕駛員設(shè)定的速度行駛；2）兩車(chē)間距控制：自車(chē)保持與前車(chē)的安全距離，應(yīng)根據(jù)實(shí)時(shí)雷達(dá)測(cè)量來(lái)決定使用何種模式。例如：如果前車(chē)離得太近，ACC 系統(tǒng)就會(huì)從速度控制切換到間距控制。同樣，如果相對(duì)速度過(guò)大，ACC 系統(tǒng)就會(huì)從間距控制切換到速度控制，即ACC 系統(tǒng)使自車(chē)保持以設(shè)定速度行駛，且保持安全的行車(chē)間距。

為了接近真實(shí)的駕駛環(huán)境，在仿真過(guò)程中，前車(chē)的加速度隨正弦波的變化而變化。自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)塊輸出一個(gè)針對(duì)自車(chē)的加速度控制信號(hào)，采樣時(shí)間（Ts）為0.1 s，仿真持續(xù)時(shí)間為60 s，自車(chē)與前車(chē)加速度傳遞函數(shù)關(guān)系為：

前車(chē)初始位置設(shè)置為x0,lead=48 m，初始速度設(shè)置為v0,lead=22 m/s，自車(chē)初始位置設(shè)置為x0,ego=8 m，初始速度為v0,ego=16 m/s，運(yùn)用Simulink 模塊建立跟車(chē)模型，如圖3 所示。圖4 示出跟車(chē)模型控制流程框圖。

圖3 跟車(chē)模型Simulink 模塊圖

圖4 跟車(chē)模型控制流程框圖

4 仿真分析

為提高跟車(chē)過(guò)程的可靠性，對(duì)控制系統(tǒng)輸出變量引入綜合白噪聲干擾，輸入為前車(chē)的速度和位置信息，輸出為自車(chē)加速度以及加速度變化率，設(shè)置仿真時(shí)長(zhǎng)為60 s，仿真得到自車(chē)與前車(chē)行駛狀態(tài)關(guān)系圖，包括兩車(chē)加速度、兩車(chē)速度以及兩車(chē)間距3 個(gè)對(duì)比圖形，如圖5～圖7 所示。

圖5 自車(chē)與前車(chē)加速度對(duì)比

圖6 自車(chē)與前車(chē)車(chē)速對(duì)比

圖7 實(shí)際距離與安全距離對(duì)比

分析圖5 可知，在前4 s，自車(chē)加速度減小，貼近前車(chē)加速度，4 s 后，兩車(chē)均有加減速，自車(chē)加減速度始終貼近前車(chē)，且控制在[-2，2]m/s2，滿足舒適性要求；分析圖6 可知，在前4 s，自車(chē)速度增加趨近前車(chē)，在4 s 后，兩車(chē)速度基本保持一致，相對(duì)速度較小，且兩車(chē)速度均不超過(guò)設(shè)置速度；分析圖7 可知，在20 s 之前，兩車(chē)間距較大，遠(yuǎn)大于安全距離，自車(chē)加速會(huì)減小兩車(chē)間距，在20 s 后，自車(chē)追上前車(chē)，兩車(chē)間距縮小，但始終大于安全間距，保證了跟車(chē)過(guò)程的安全性。在整個(gè)仿真過(guò)程中，控制器能夠使得兩車(chē)之間的實(shí)際距離大于設(shè)定的安全距離，且當(dāng)實(shí)際距離遠(yuǎn)大于安全間距時(shí)，汽車(chē)即按駕駛員設(shè)定的速度行駛。

5 結(jié)論

考慮前車(chē)加速度擾動(dòng)下的跟車(chē)穩(wěn)定性，在研究模型預(yù)測(cè)控制的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)輸出控制變量加入綜合白噪聲干擾，不僅能全面觀察到跟車(chē)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的變化規(guī)律，而且能夠提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。

從兩車(chē)最小安全距離和自車(chē)加速度的影響方面分別考慮汽車(chē)安全性和舒適性，仿真表明，兩車(chē)距離始終大于最小安全距離，且加速度波動(dòng)在設(shè)置的舒適范圍內(nèi)。此模型可以實(shí)現(xiàn)良好的車(chē)輛跟蹤，并且滿足駕駛員期望的跟車(chē)特性的要求。