張 鈺，徐明帆，白光宇，董明明，高 利，秦也辰

（北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

前言

先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（advanced driving assistance system，ADAS）廣泛應(yīng)用于智能車輛，在保障車輛安全性、穩(wěn)定性以及減輕駕駛員負(fù)荷等方面具有重要作用［1］。在緊急工況下，智能車輛通過協(xié)同及切換不同的ADAS 子系統(tǒng)，如自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)［2］、主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)［3］和車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)［4］等，實(shí)現(xiàn)車輛行車安全提升。然而，由于車輛的橫縱垂動(dòng)力學(xué)特性相互耦合，執(zhí)行器模塊在車輛行駛過程中相互制約、相互影響［5］，導(dǎo)致子系統(tǒng)在切換過程中，對(duì)應(yīng)的不同控制器優(yōu)化目標(biāo)易產(chǎn)生矛盾和干涉［6］。為了實(shí)現(xiàn)多行駛目標(biāo)間的切換，模糊方法被用來自適應(yīng)調(diào)整模型預(yù)測(cè)控制中目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重［7］，實(shí)現(xiàn)不同工況下的控制參數(shù)匹配，但此類方法在求解過程中未考慮不同行駛條件下的約束條件，且易出現(xiàn)不可解的情況。為獲取不同工況下的多目標(biāo)控制的最優(yōu)可行解，Pareto 優(yōu)化方法和遺傳算法被用來離線計(jì)算最優(yōu)權(quán)重后，依據(jù)行駛工況查表使用［8］，然而，該方法無法實(shí)時(shí)地應(yīng)用于復(fù)雜工況下的車輛控制。因此，緊急工況下車輛正常行駛需求與主動(dòng)安全功能間的高效、穩(wěn)定切換是進(jìn)一步提升智能車輛行車安全、實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)行駛要求的必要前提與核心關(guān)鍵。

針對(duì)智能車輛的行車安全目標(biāo)，如何實(shí)現(xiàn)在自車穩(wěn)定行駛下的主動(dòng)避撞是其首要任務(wù)，尤其是主動(dòng)躲避其他車道無意圖切入車輛引發(fā)的碰撞［9］，更是進(jìn)一步提升道路交通安全的重要途徑［10］。針對(duì)碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，人工勢(shì)場(chǎng)法［11］常被用來計(jì)算車輛行駛環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)以避免碰撞；另外，安全距離模型［12］和碰撞不確定性模型［13］被用來考慮前方切入車輛所帶來的碰撞風(fēng)險(xiǎn)；基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法也被用來預(yù)測(cè)前方車輛的切入行為［14］。但是，上述方法并未解決其他車道不同方向切入車輛的避撞及其與多車環(huán)境下的跟馳、換道等正常行駛目標(biāo)之間的協(xié)同實(shí)現(xiàn)。因此，如何量化不同車道多方向切入車輛的碰撞風(fēng)險(xiǎn)以及主動(dòng)躲避其引發(fā)的碰撞是進(jìn)一步增強(qiáng)當(dāng)前智能車輛主動(dòng)避撞功能的關(guān)鍵技術(shù)，也是緊急工況下智能車輛安全性和多目標(biāo)行駛要求高效、穩(wěn)定切換的必要保障。

針對(duì)以上問題，本文提出了智能車輛多目標(biāo)切換的控制方法（intelligent vehicle multi-objective switching control，MoSC），在滿足車輛穩(wěn)定性約束下保障主動(dòng)避撞這一首要目標(biāo)的同時(shí)，協(xié)同實(shí)現(xiàn)其它行駛需求。為說明行駛過程中的多目標(biāo)需求、切換過程以及算法效果，本文以自適應(yīng)巡航控制（adaptive cruise control，ACC）作為行駛基準(zhǔn)條件，研究智能車輛在考慮行駛穩(wěn)定性和橫向穩(wěn)定性約束時(shí)的跟馳與主動(dòng)避撞過程中的多目標(biāo)切換問題，保障智能車輛正常跟馳、主動(dòng)避撞的行駛需求。MoSC構(gòu)建上層規(guī)劃-底層作動(dòng)控制的分層控制架構(gòu)，上層規(guī)劃器集成縱向、橫向動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)以及非線性輪胎力模型，在橫向穩(wěn)定性約束下設(shè)計(jì)多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)；底層控制器考慮最大路面附著力，利用2 階滑?？刂品椒ňS持車輛的行駛穩(wěn)定性。為實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)切換，基于行駛過程中所有車輛的狀態(tài)，MoSC 設(shè)計(jì)基于事件觸發(fā)的兩級(jí)距碰撞時(shí)間（dual-time to collision，DTTC）計(jì)算方法，并基于DTTC 設(shè)計(jì)目標(biāo)切換機(jī)制，使得車輛能夠在正常行駛和避撞功能間切換。本文通過加速、減速以及轉(zhuǎn)向的多執(zhí)行器協(xié)調(diào)控制保障車輛的跟馳和避撞功能，并針對(duì)切換過程進(jìn)行控制系統(tǒng)穩(wěn)定性證明。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）提出了多控制目標(biāo)集成的控制架構(gòu)，架構(gòu)上層規(guī)劃器考慮橫向穩(wěn)定性約束，底層控制器增強(qiáng)行駛穩(wěn)定性，通過執(zhí)行器子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，滿足車輛安全、穩(wěn)定等多目標(biāo)行駛需求。

（2）設(shè)計(jì)了目標(biāo)切換機(jī)制，該機(jī)制基于事件觸發(fā)的DTTC 計(jì)算結(jié)果，可滿足車輛在跟馳和避撞功能間切換，使得車輛能夠避免與其他車道不同方向切入車輛的碰撞，同時(shí)進(jìn)行了控制系統(tǒng)穩(wěn)定性證明。

（3）搭建了多車試驗(yàn)平臺(tái)，充分考慮多車行駛過程中帶來的不確定性，驗(yàn)證了MoSC 的有效性和實(shí)時(shí)性。

1 MoSC所需模型建立

1.1 橫向動(dòng)力學(xué)模型

雙軌車輛橫向動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 車輛橫向動(dòng)力學(xué)模型

車輛橫向動(dòng)力學(xué)表示為

式中：m和Iz為車輛質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為車輛不同位置的橫向輪胎力，其中，ij=fl，fr，rl，rr分別表示車輛左前、右前、左后和右后車輪位置；δf為前輪轉(zhuǎn)角；lf、lr和W分別表示車輛前軸、后軸到車輛質(zhì)心的距離以及車輛的輪距；ve、vy和r分別表示質(zhì)心處的縱向速度、橫向速度和橫擺角速度。為精確描述輪胎的非線性特性，本文采用LuGre輪胎模型表示輪胎橫向力［15］：

式中：μ代表路面附著系數(shù)；ζij(αi)為摩擦瞬態(tài)方程；αi表示前、后輪胎的側(cè)偏角度；Re表示輪胎滾動(dòng)半徑；vij、ωij和分別表示各車輪輪心速度、轉(zhuǎn)速和垂向載荷；ε=κμ/σ0y，其中κ為載荷分布因子，σ0y和σ2y分別表示橡膠剛度和相對(duì)黏性阻尼。αf和αr分別通過下式計(jì)算：

式中：Kd=1、Td=0.1 s和s分別表示轉(zhuǎn)向系統(tǒng)增益、時(shí)間常數(shù)和Laplace 算子；δdes為上層規(guī)劃器所計(jì)算的期望前輪轉(zhuǎn)角。

1.2 縱向動(dòng)力學(xué)模型

本文基于分布式驅(qū)動(dòng)車輛底盤說明所提出算法，每個(gè)輪胎的動(dòng)力學(xué)模型為

式中：Iw表示輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)慣量表示每個(gè)輪胎的旋轉(zhuǎn)角加速度；dij表示由于模型不確定性所引起的擾動(dòng)；Tij為每個(gè)輪胎的作動(dòng)力矩為縱向輪胎力，基于輪胎垂向載荷和Burckhardt 路面-輪胎力的描述模型［16］，可由式（6）求得。

式中：λij表示每個(gè)輪胎滑移率；c1，ij、c2，ij、c3，ij是基于路面條件通過粒子群優(yōu)化方法所估計(jì)的物理參數(shù)［17］。

1.3 ACC模型

在ACC 中，兩車之間跟馳的期望間距表示為dr_des=tpve+rs，其中，tp=2.5 s 和rs=3 m 分別表示時(shí)間間隔和最小跟馳距離［18］。車輛加速度ae與期望的加速度輸入ae_des之間的關(guān)系由1 階慣性方程表示為：

式中Kr=1 和Tr=0.45 s 是系統(tǒng)增益和時(shí)間常數(shù)。定義期望距離誤差為Δd=dr-dr_des，相對(duì)速度為vr=vp-ve，其中dr是兩車實(shí)際間距，vp表示前車速度，結(jié)合式（7），ACC模型定義為

式中ap為前車加速度。

2 MoSC架構(gòu)設(shè)計(jì)

MoSC 的架構(gòu)如圖2 所示，包含了分層控制架構(gòu)和目標(biāo)切換機(jī)制。MoSC 基于多車行駛狀態(tài)觸發(fā)DTTC 計(jì)算，根據(jù)DTTC 的計(jì)算結(jié)果，切換模型預(yù)測(cè)控制目標(biāo)函數(shù)及約束條件，為底層控制器生成不同目標(biāo)下的期望加速度和期望前輪轉(zhuǎn)角。底層控制器依據(jù)上層期望加速度結(jié)果，采用二次優(yōu)化方法計(jì)算最優(yōu)縱向輪胎力，并利用超扭轉(zhuǎn)滑模方法計(jì)算每個(gè)輪胎的驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)力矩。

圖2 MoSC框架

2.1 預(yù)測(cè)模型建立

用于上層規(guī)劃器中的預(yù)測(cè)模型由式（1）～式（5）和式（7）～式（10）組成，表示為Cx。其中系統(tǒng)矩陣見附錄A。輸入為u=[ae_desδdesρ1ρ2]T，其中ρ1和ρ2為松弛因子［19］。狀態(tài)變量選取

擾動(dòng)變量為v=[ap ky ζv ζr]T，輸出變量y=[Δd vr Y ψ]T可由傳感器直接測(cè)量得到。預(yù)測(cè)模型進(jìn)行離散后可得到：

2.2 上層規(guī)劃器以及多目標(biāo)切換機(jī)制設(shè)計(jì)

MoSC根據(jù)控制目標(biāo)不同，上層規(guī)劃器共包含兩種模式：性能模式（performance-oriented target，PT）和安全模式（safety-oriented target，ST），通過3 類目標(biāo)函數(shù)和狀態(tài)約束的切換，滿足多目標(biāo)控制需求。

2.2.1 基于事件觸發(fā)的TTC量化計(jì)算

針對(duì)面向多方向來車的避撞性能不足問題，須量化由不同方向切入車輛所帶來的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。與文獻(xiàn)［19］類似，本文采用了基于橢圓車輛幾何外形的方法對(duì)碰撞時(shí)間和碰撞點(diǎn)進(jìn)行量化計(jì)算。如圖3（a）所示，車輛的長(zhǎng)度和寬度可用來形成橢圓幾何外形，n∈{e，p，s}分別代表本車、前車和旁車。碰撞點(diǎn)的計(jì)算方法如圖3（b）所示，基于每輛車的坐標(biāo)（Xn，Yn）、航向角ψn和速度vn，計(jì)算不同橢圓間的交點(diǎn)，定義為潛在碰撞點(diǎn)Sc，由當(dāng)前位置計(jì)算到達(dá)碰撞點(diǎn)的時(shí)間，即距碰撞時(shí)間（time-to-collision，TTC）；當(dāng)前位置與碰撞點(diǎn)的距離定義為潛在碰撞點(diǎn)距離G。由此，可得到不同方向車輛的具體碰撞位置和碰撞時(shí)間從而量化碰撞風(fēng)險(xiǎn)。由兩級(jí)TTC共同組成DTTC，分別為主車與旁車的碰撞時(shí)間TTC1，主車與前車的碰撞時(shí)間TTC2，為保障本車對(duì)不同方向接近的旁車的避撞性能，TTC1的閾值設(shè)置為Thres1_1和Thres1_2，由此分別觸發(fā)加/減速和轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)避撞；TTC2對(duì)應(yīng)閾值為Thres2。

圖3 TTC量化計(jì)算示意圖

為了提升風(fēng)險(xiǎn)量化方法的計(jì)算效率，提出了基于事件觸發(fā)的DTTC 計(jì)算方法，即基于本車狀態(tài)，當(dāng)兩車之間的橫向距離（閾值YLat=2 m）、航向角差值在一定觸發(fā)范圍內(nèi)（觸發(fā)范圍ψHeT∈[10°，180°]）時(shí)，則激活DTTC，否則不激活?？紤]兩車橫向距離、航向角及相應(yīng)的觸發(fā)范圍，事件觸發(fā)的邏輯如表1所示。

表1 事件觸發(fā)邏輯表

根據(jù)表1，橫向距離依據(jù)每輛車的橫向坐標(biāo)Yn來計(jì)算，由此得到橫向距離標(biāo)志函數(shù)為

當(dāng)橫向距離小于YLaT時(shí)，YFlag=0；當(dāng)橫向距離大于YLaT時(shí)，YFlag=1。

依據(jù)每輛車的航向角ψn計(jì)算兩車間的碰撞夾角ψα，可得ψα=sgn(Ys-Ye) ·(ψe-ψs)。因此，航向角差的標(biāo)志函數(shù)為

當(dāng)航向角差在觸發(fā)范圍ψHeT內(nèi)時(shí)，ψFlag=1；未在觸發(fā)范圍內(nèi)時(shí)，ψFlag=0。定義CFlag=YFlag·ψFlag，根據(jù)兩個(gè)因素設(shè)計(jì)事件觸發(fā)的函數(shù)為

該函數(shù)表明，當(dāng)兩車橫向距離較大并且航向平行時(shí)，η=0；當(dāng)兩車距離很近或者航向存在夾角時(shí)，η=1，則開啟DTTC 計(jì)算，防止在行駛過程中由于橢圓間不存在交點(diǎn)而繼續(xù)計(jì)算從而占用計(jì)算資源影響控制器的實(shí)時(shí)性。

2.2.2 PT目標(biāo)函數(shù)及約束設(shè)計(jì)

當(dāng)行駛過程中DTTC 的結(jié)果均未大于相應(yīng)閾值時(shí)，PT 為當(dāng)前車輛控制目標(biāo)，因此車輛保持跟馳。上層規(guī)劃器根據(jù)跟馳距離、相對(duì)速度和本車加速度計(jì)算期望加速度，相應(yīng)目標(biāo)函數(shù)設(shè)計(jì)為

式中：對(duì)角矩陣Q1、P1和H1分別為每項(xiàng)的權(quán)重，利用試錯(cuò)法調(diào)整權(quán)重；up代表了上一時(shí)刻的優(yōu)化結(jié)果。車輛跟馳過程中，為了更合理地利用跟馳距離dr和跟馳速度vr，引入松弛因子對(duì)跟馳過程中的狀態(tài)約束進(jìn)行修正。設(shè)Γ=[dr vr]T，松弛變量為Θ(k)=ρu(k) ≥0，其中ρ=[02×2I2×2]。則跟馳距離和速度的約束描述為：K|x(k)|≤Γ+Θ(k)，其中K=[K102×6]，而在每一時(shí)間步內(nèi)，期望加速度與前輪轉(zhuǎn)角控制序列由FORCESPRO［20］求解器優(yōu)化得到：

式中：ul、uu、xl和xu分別表示輸入和狀態(tài)的上下邊界；xˇ為處于最大預(yù)測(cè)時(shí)域Np時(shí)的穩(wěn)態(tài)點(diǎn)。獲取當(dāng)前時(shí)刻的最優(yōu)控制序列后，控制序列長(zhǎng)度Nc中的第一項(xiàng)作為最優(yōu)結(jié)果u輸入至系統(tǒng)。

2.2.3 ST目標(biāo)函數(shù)及約束設(shè)計(jì)

當(dāng)旁車由不同方向逐漸接近主車時(shí)，觸發(fā)DTTC計(jì)算，并依據(jù)計(jì)算結(jié)果切換至車輛縱向控制或主動(dòng)轉(zhuǎn)向方式實(shí)現(xiàn)主動(dòng)避撞。當(dāng)TTC1＜Thres1_1時(shí)，車輛切換至ST，此時(shí)主車需通過縱向控制增加其與旁車的碰撞距離。因此，目標(biāo)函數(shù)J2設(shè)計(jì)為

式中第1 項(xiàng)為exp(-G)的仿射近似變換，用于表示兩車潛在碰撞點(diǎn)間的間距，其權(quán)重為N2。J2保障了主車?yán)每v向間距實(shí)現(xiàn)避撞，在求解J2時(shí)的約束與J1約束類似，但是J2約束增加了主車與前車的最小距離，防止主車由于加速躲避旁車碰撞而追尾。然而，當(dāng)車輛由前方或者側(cè)方切入時(shí)，縱向距離不足以實(shí)現(xiàn)避撞，即當(dāng)TTC1＜Thres1_2或者TTC2＜Thres2時(shí)，主車應(yīng)采用主動(dòng)轉(zhuǎn)向的形式實(shí)現(xiàn)換道避撞。因此，J3設(shè)計(jì)為

在主動(dòng)轉(zhuǎn)向的過程中，期望前輪轉(zhuǎn)角與潛在碰撞點(diǎn)距離G有關(guān)，因此前輪轉(zhuǎn)角會(huì)隨著G的不同計(jì)算出不同工況下的最優(yōu)前輪轉(zhuǎn)角，有效增大本車和旁車碰撞點(diǎn)距離。為了保障車輛橫向穩(wěn)定性，將穩(wěn)定性約束加入至各目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化過程中。該約束由橫擺角速度和橫向速度的上下邊界形成的區(qū)域共同構(gòu)成。

根據(jù)圖4 中相平面的穩(wěn)定邊界［21］，將橫擺角速度和橫向速度的約束定義為

圖4 穩(wěn)定性邊界表征

式中αr，lin為后輪側(cè)偏角的線性區(qū)域范圍。

2.2.4 多目標(biāo)切換機(jī)制的穩(wěn)定性證明

表明目標(biāo)函數(shù)形成的Lyapunov 函數(shù)遞減。綜上，穩(wěn)態(tài)點(diǎn)在MPC 控制框架及多個(gè)目標(biāo)函數(shù)切換下是漸近穩(wěn)定的。

2.3 底層控制器

底層控制器利用超扭轉(zhuǎn)滑?？刂疲╯uper twisting sliding mode control，STSMC）生成車輪的驅(qū)動(dòng)力矩跟蹤上層期望加速度，并且補(bǔ)償附加橫擺力矩，維持車輛行駛穩(wěn)定性。

2.3.1 縱向輪胎力優(yōu)化方法

車輛行駛過程中，輪胎的縱向力不僅需要跟蹤期望加速度，還需要補(bǔ)償產(chǎn)生的附加橫擺力矩。由于車輛在行駛過程中，過小的橫擺角加速度會(huì)導(dǎo)致附加橫擺力矩的計(jì)算出現(xiàn)偏差，因此，總附加橫擺力矩采用前饋-反饋方法進(jìn)行計(jì)算，即以橫擺角加速度為前饋，橫擺角速度r為反饋。

2.3.2 STSMC

STSMC 利用了2 階滑模控制方法，可有效消除振顫，保障各車輪輪速在有限時(shí)間內(nèi)快速收斂至期望值。定義滑模面為

式中：1 -2η+κ=0，1 ＞η≥0.5；φij和βij為非負(fù)的增益系數(shù)。

3 MoSC驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)介紹

本文采用了多車試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證MoSC 的有效性和實(shí)時(shí)性，平臺(tái)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 多車試驗(yàn)平臺(tái)

多車試驗(yàn)平臺(tái)包含3 輛線控底盤，每輛底盤的定位采用基于RTK 的GNSS 系統(tǒng)，主車通過實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)中的CAN 通信實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向、驅(qū)動(dòng)及制動(dòng)等控制。前車和旁車分別由單獨(dú)控制器實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)操縱。多車試驗(yàn)平臺(tái)中車輛與控制器的參數(shù)如表2所示。

表2 控制器參數(shù)表

3.2 基于多車試驗(yàn)平臺(tái)的算法驗(yàn)證

3.2.1 自適應(yīng)巡航控制

主車在干燥路面上跟馳前車結(jié)果如圖6所示。

圖6 干燥路面跟馳結(jié)果

MoSC 在PT 下，采用橫向和縱向控制使得本車在整個(gè)過程中不僅可以維持一定的跟馳距離和相對(duì)速度，也可跟隨前車的橫向行為，如換道。在6 s時(shí)，前車向右換道，隨后本車逐步增大前輪轉(zhuǎn)角以跟隨前車換道。最終，本車速度為1.6 m/s，保持與前車速度相同。

3.2.2 前方切入

跟馳過程中，當(dāng)旁車由前方切入本車道時(shí)，主車不應(yīng)與旁車發(fā)生碰撞，并且旁車?yán)^續(xù)保持本車道行駛時(shí)，本車應(yīng)及時(shí)更換跟馳目標(biāo)，結(jié)果如圖7所示。

圖7 旁車由前方切入結(jié)果

在4 s 時(shí)，旁車以1 m/s 切入本車與前車之間，隨后主車由1.7減速至1.2 m/s，維持與旁車安全距離。前車換道后，主車仍然繼續(xù)跟馳切入的旁車，將其視為新前車。在6 s后，主車維持與新前車同樣的速度和橫向運(yùn)動(dòng)。

3.2.3 側(cè)向接近

多數(shù)碰撞是由旁車與主車發(fā)生側(cè)向碰撞，因此主車須及時(shí)躲避旁車側(cè)方接近所帶來的潛在碰撞，相關(guān)結(jié)果如圖8所示。

圖8 旁車由側(cè)方切入結(jié)果

在1 s 時(shí)，旁車逐漸開始加速接近主車，此時(shí)TTC計(jì)算觸發(fā)。在4.7 s時(shí)，TTC1小于Thres1_1，模式切換至ST。此時(shí)，旁車位于主車右后方，為增大距離，主車以3.5 m/s2加速至2.6 m/s。但是，隨著旁車不斷接近主車側(cè)向，主車無法通過縱向移動(dòng)增大碰撞時(shí)間，因此，在5.1 s 時(shí)，TTC1小于Thres1_2，主車采用主動(dòng)轉(zhuǎn)向方式增大距離。最優(yōu)前輪轉(zhuǎn)角與碰撞距離有關(guān)，當(dāng)側(cè)碰風(fēng)險(xiǎn)存在時(shí)，主車僅需增大其與旁車距離即可，因此，最大前輪轉(zhuǎn)角為0.3 rad，持續(xù)時(shí)間0.4 s。

3.2.4 側(cè)后方接近

旁車由側(cè)后方逐漸接近本車時(shí)，本車應(yīng)同時(shí)避免與旁車的碰撞和前車的追尾。相關(guān)結(jié)果如圖9所示。

圖9 旁車由側(cè)后方切入結(jié)果

在開始時(shí)，旁車加速接近本車側(cè)后方，此時(shí)，TTC 計(jì)算觸發(fā)。在2 s 時(shí)，TTC1小于Thres1_1，模式切換至ST，主車開始加速。在2-3.3 s 間，隨著旁車不斷地接近，主車以3.5 m/s2持續(xù)加速至3.0 m/s。在3.8 s時(shí)，隨著旁車減速，TTC1增大，此時(shí)恢復(fù)PT，主車減速維持與前車的安全跟馳距離。由于速度無法突變，在減速過程中，TTC2小于Thres2，在4 s 時(shí)，為了避免與前車和旁車發(fā)生碰撞，主車采用主動(dòng)轉(zhuǎn)向更換車道。此次須同時(shí)增大其與旁車和前車的距離，因此，期望前輪轉(zhuǎn)角達(dá)0.4 rad 實(shí)現(xiàn)換道。換道過程中須滿足穩(wěn)定性約束，其結(jié)果如圖10所示。

圖10 基于多車試驗(yàn)平臺(tái)的相平面結(jié)果

由圖10 所示，換道過程中的橫向速度和橫擺角速度在穩(wěn)定性約束范圍內(nèi)，因此穩(wěn)定性滿足要求。另外，在車輛控制過程中未出現(xiàn)失控及執(zhí)行錯(cuò)誤，可知算法實(shí)時(shí)性滿足要求。

4 結(jié)論

本文提出了一種智能車輛的多目標(biāo)切換控制方法，結(jié)合穩(wěn)定性約束前提和ACC 運(yùn)行過程中的智能車輛為背景，保證并提升車輛跟馳、主動(dòng)避撞、橫向穩(wěn)定性、行駛穩(wěn)定性等多目標(biāo)行駛要求。該方法中的上層規(guī)劃器以橫向穩(wěn)定性約束為前提集成ACC模型、車輛動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，設(shè)計(jì)不同目標(biāo)函數(shù)為底層控制器生成期望加速度和期望前輪轉(zhuǎn)角。基于上層規(guī)劃器結(jié)果，底層控制器采用二次優(yōu)化方法計(jì)算最優(yōu)縱向輪胎力和車輪轉(zhuǎn)速保證車輛行駛穩(wěn)定性，并利用超扭轉(zhuǎn)滑?？刂粕绍囕嗱?qū)動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)多執(zhí)行器的協(xié)調(diào)控制。為提升車輛的避撞性能，采用橢圓車輛外形實(shí)現(xiàn)本車與不同方向隨意切入車輛的碰撞風(fēng)險(xiǎn)量化計(jì)算，獲取精確的碰撞時(shí)間和碰撞距離。并基于多車的橫向距離和航向角，設(shè)計(jì)了觸發(fā)條件以啟用風(fēng)險(xiǎn)量化計(jì)算。依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)量化結(jié)果，設(shè)計(jì)目標(biāo)切換機(jī)制，使車輛在跟馳目標(biāo)和主動(dòng)避撞目標(biāo)間切換，并對(duì)控制器在切換過程中的漸近穩(wěn)定性進(jìn)行證明。最后，采用多車試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)所提方法進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，該方法在穩(wěn)定性約束下，可實(shí)現(xiàn)不同行駛目標(biāo)間的切換，保障車輛的穩(wěn)定性和安全性，對(duì)多目標(biāo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要意義。未來研究將考慮不同行駛環(huán)境以及多車交互下的動(dòng)態(tài)障礙物避撞控制，協(xié)同控制其他子系統(tǒng)增強(qiáng)多目標(biāo)行駛要求，并基于量產(chǎn)車實(shí)現(xiàn)算法驗(yàn)證。

附錄A

系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型狀態(tài)空間方程中的狀態(tài)、輸入和輸出矩陣為