汽车自适应巡航系统控制策略研究

目 录
第一章 绪论 .............................................................................................................................. 1
1.1 研究背景及意义 .......................................................................................................... 1
1.2 自适应巡航控制系统概况 .......................................................................................... 2
1.3 自适应巡航控制策略研究现状 .................................................................................. 3
1.3.1 自适应巡航系统的安全车距算法 .................................................................... 4
1.3.2 自适应巡航系统的控制策略 ............................................................................ 5
1.4 主要研究内容 .............................................................................................................. 6
第二章 安全车距算法及模式切换策略研究 .......................................................................... 8
2.1 需求分析 ...................................................................................................................... 8
2.2 ACC 系统安全车距算法设计 ...................................................................................... 8
2.2.1 CTH 算法分析 .................................................................................................... 9
2.2.2 VTH 算法分析 .................................................................................................... 9
2.2.3 VTH 算法改进设计 .......................................................................................... 10
2.3 基于反应车间时距的模式切换策略设计 ................................................................ 11
2.4 车辆纵向动力学模型的建立 .................................................................................... 13
2.4.1 发动机模型 ...................................................................................................... 14
2.4.2 液力变矩器模型 .............................................................................................. 16
2.4.3 自动变速器模型 .............................................................................................. 17
2.4.4 动力学模型验证 .............................................................................................. 18
2.5 车辆逆纵向动力学模型的建立 ................................................................................ 19
2.5.1 驱动/制动切换策略 ......................................................................................... 19
2.5.2 逆发动机模型 .................................................................................................. 20
2.5.3 逆制动系模型 .................................................................................................. 21
2.6 本章小结 .................................................................................................................... 21
第三章 基于变速积分PID 的系统控制策略研究 ................................................................ 23
3.1 PID 控制原理 .............................................................................................................. 23
3.2 变速积分PID 控制策略设计 .................................................................................... 24
3.2.1 距离控制算法设计 .......................................................................................... 24

3.2.2 速度控制算法设计 .......................................................................................... 26
3.2.3 变速积分PID 控制模型实现 .......................................................................... 27
3.3 自适应巡航PID 控制仿真分析 ................................................................................ 28
3.3.1 定速巡航模式仿真 .......................................................................................... 28
3.3.2 跟随控制模式仿真 .......................................................................................... 32
3.4 本章小结 .................................................................................................................... 36
第四章 基于模型预测控制的系统控制策略研究 ................................................................ 37
4.1 模型预测控制原理 .................................................................................................... 37
4.2 模型预测控制算法的数学描述 ................................................................................ 38
4.3 MPC 控制策略设计 .................................................................................................... 40
4.3.1 建立自适应巡航预测模型 .............................................................................. 40
4.3.2 对模型进行滚动优化 ...................................................................................... 41
4.3.3 对模型进行误差校正 ...................................................................................... 42
4.4 自适应巡航MPC 控制模型实现 .............................................................................. 43
4.5 本章小结 .................................................................................................................... 43
第五章 自适应巡航控制系统仿真研究 ................................................................................ 45
5.1 ACC 系统联合仿真平台 ............................................................................................ 45
5.1.1 MATLAB/Simulink 与CarSim 实时接口 ........................................................ 45
5.1.2 ACC 系统联合仿真平台建立 .......................................................................... 46
5.2 ACC 系统仿真与分析 ................................................................................................ 46
5.2.1 跟随前车定速行驶 .......................................................................................... 46
5.2.2 跟随前车加速行驶 .......................................................................................... 50
5.2.3 跟随前车减速行驶 .......................................................................................... 55
5.3 本章小结 .................................................................................................................... 60
总结与展望 .............................................................................................................................. 62
总结 ................................................................................................................................... 62
展望 ................................................................................................................................... 62
参考文献 .................................................................................................................................. 64
攻读学位期间取得的成果 ...................................................................................................... 68
致谢 .......................................................................................................................................... 69

第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
随着国民经济的快速发展，道路基础设施日趋完善，而居民收入的提高也促使消费观念发生转变，为了出行的方便以及运输的便利，私家车逐步普及，我国汽车保有量也在不断增长。我国是世界上交通量最大的国家，并且也是道路交通发展最快、汽车增量最多的国家之一。国家统计局发布的《2018 年国民经济和社会发展统计公报》显示，截止到2018 年末，全国民用汽车保有量为24028 万辆，比上年末增长10.5%。其中民用轿车保有量13451 万辆，增长10.4%[1]。随着车辆的增加，随之而来的交通拥堵、交通安全的问题也变得日益严重，道路交通事故发生的频率也越来越高。据国家统计数据显示，2017 年全国交通事故总计发生有203049 起，而其中汽车交通事故有139412 起，导致共有46817 人死亡，直接财产损失达 103978 万元。基于国家统计局发布2008 2017十年间的数据分析，得到民用汽车保有量和全国汽车交通事故数量总计直方图如下图1.1和1.2 所示。

汽车交通事故大多数是由于驾驶员操作失误造成的，驾驶汽车需要驾驶员时刻注意各种突发情况，所以驾驶员需要保持注意力集中的状态，而分心、疲劳驾驶和频繁操作都会影响驾驶员的注意力[2,3]。驾驶员需要随时注意本车和前车的相对距离及前车速度，调整本车车速。另外日益严重的交通拥堵，迫切需要寻找提高道路交通效率的方法。自适应巡航控制系统（Adaptive Cruise Control System）能够对驾驶员起到积极作用，方便驾驶员驾驶操作，这样驾驶员在汽车行驶过程中可以放松，不容易造成疲劳，自适应巡航控制系统还会提高道路通行率，乘坐舒适性和燃油经济性。所以对于自适应巡航控制系统的技术研究也就尤为关键。

自适应巡航控制系统是高级驾驶辅助系统（Advanced Driving Assistant System）的重要组成部分，其前身是传统的定速巡航控制系统，自适应巡航控制系统可以提高汽车的驾驶安全性和乘坐舒适性，并减少汽车对于环境造成的影响[4,5]。ACC 系统具有传统定速巡航控制系统的定速巡航功能，同时通过雷达等传感器监测前方行驶环境，计算本车与前车的相对车速以及相对车距，自动调节发动机节气门开度和制动轮缸制动压力，把驾驶员从操作加速踏板和制动踏板的一系列繁琐动作中解放出来，保证本车对于前车稳定的跟车行驶，这样在提高安全性和舒适性的同时，可以提高道路的通行能力[6,7]。随着科学技术的不断发展，ACC 系统控制器和传感器等汽车电子设备的升级以及系统算法的更新和完善，使得ACC 系统对于汽车行驶和制动的控制更加精确，也更加安全有效，对系统的普及起到了重要作用。但ACC 系统相较于ABS、ESP 和FCW 等其他驾驶辅助系统，技术还不够成熟，应用率也比较低[8]。目前ACC 系统研究以主车道目标车辆识别及判断为主，对于旁车道有并线意图的车辆预判研究还不够深入，对于路口等复杂工况还不具备通行能力。ACC 系统目前对于城市道路应用比较少，主要应用在高速路和高架道路等较为简单道路工况。作为ADAS 的重要组成部分，其对于未来智能交通先进系统有很大助益，同时掌握核心技术也使我国在智能驾驶领域取得较大发言权，ACC 系统无疑具有很大研究价值和推广意义。
1.2 自适应巡航控制系统概况
ACC 系统是从起初的定速巡航系统（Cruise Control System）发展而来的，利用雷达等传感器探测目标车辆状态，并结合自车传感器提供的本车状态做出判断，通过控制发动机节气门开度和制动轮缸的压力，实现定速巡航以及跟车控制，并结合其他辅助驾驶系统应对随时产生的突发情况[9]。ACC 系统正常工作主要由三部分组成。第一部分由传感器及相对应的交通情况，第二部分就是控制器根据道路环境、交通情况以及本车状态，决定ACC 系统的接下来的运行状况；第三部分则是纵向控制器来决定车辆响应速度和控制程度，结合车辆执行机构完成动作。由于驾驶员行为很主观，ACC 系统应尽可能设计的与驾驶员行为相近，给驾驶员提供精准操作状态的反馈信息很重要，驾驶员需要在必要的时候接管行驶，ACC 系统配备手动设置本车车速和期望行车间距以满足特别的行驶优先权[10]。

早期ACC 系统只有定速巡航功能，并且是通过机械装置将节气门开度固定。ACC系统的定速巡航功能引入比例反馈是在上世纪六十年代后期，这样可以对节气门较为精确地控制。到上个世纪八年代，随着微处理器以及电子元器件的集成和发展，定速巡航控制系统功能更加完善，稳定可靠且容易操作。ACC 系统也逐渐发展成为具有速度控制和车距控制功能[11,12]。ACC 系统的主要功能是控制汽车按照驾驶员设定的速度行驶以及跟随状态下按照设定的行车间距进行跟车行驶，其系统结构如下图 1.3 所示。

ACC 系统有很多优点，首先是减轻驾驶员加速和制动等操作负担。汽车或按驾驶员预先设定的车速定速巡航，或根据传感器检测的前车信息，控制车速和车距来进行跟随行驶。其次是提高乘员的乘坐舒适性。系统控制器对于车速的控制相比较于驾驶员而言，控制车辆行驶更加稳定，受环境条件影响很小，乘员可以直接感受到汽车的稳定行驶效果。再者是提高行驶安全性。车载传感器可以实时动态监测前方道路信息，在紧急情况下可以直接使制动系统起作用，省掉驾驶员反应及操作所需要的时间，避免碰撞或其他交通事故[13]。并且作为ADAS 的一部分，ACC 系统可以与其他辅助系统，诸如ESP、FCW、AEB 和LDW/LKA 等系统进行信息交互，进一步提升安全性能[14]。另外，ACC系统可以提高道路的利用率，并且由于对于车速的稳定控制，使发动机处于良好运行工
况，提高燃油经济性，减少环境污染。
1.3 自适应巡航控制策略研究现状
ACC 系统是从起初的定速巡航系统发展而来的，早期定速巡航系统只是采用机械装置，将节气门控制在固定位置从而来控制速度。上世纪六十年代后期，定速巡航控制开始引入比例反馈，可以实现节气门开度较为精确的控制。到了七十年代，开始逐步对汽车加速踏板开度和制动压力进行控制调节，从而实现本车与前车保持一定的行车间距并且保持与前车相对车速控制。从八十年代开始，德国戴姆勒和宝马公司，以及美国的福特、通用等公司开始将ACC 系统作为主要研发方向之一，ACC 系统的控制策略也逐渐完善[15,16]。与国外的研究成果相比，我国在ACC 系统研究方面的科研成果较少，还没有比较完备且独立成熟的技术。

第二章 安全车距算法及模式切换策略研究

2.1 需求分析
自适应巡航控制系统通常以良好的跟车性能为需求，但是在控制过程中太过精确的车速跟踪以及车距保持并不一定有利，良好的跟车性能往往伴随着乘坐舒适性和燃油经济性的恶化。而如果放宽对跟车性能的要求追求燃油经济性，则意味着本车加速度的降
低，会使前车切入频繁并降低跟车安全性。因此，本文定义功能需求如下：
（1）跟车性
以跟车行驶为基本功能，在前车稳定行驶工况中，车距和相对车速趋于零。在前车动态行驶工况中，为避免车距较大带来的旁车切入以及车距较小引起的驾驶员干涉，车距和相对车速应处于驾驶员允许误差范围。在前车紧急制动工况中，为避免追尾碰撞事故的发生，车距应处于安全车距内。
（2）舒适性
对于舒适性，自适应巡航控制系统应符合跟车特性有：驾驶员期望车距特性；驾驶员动态跟车特性，也就是前车加减速过程中，保证系统控制特性与驾驶员的动态跟车特性相似，尽量减小本车运动轨迹与期望轨迹的误差；符合驾驶员纵向乘坐舒适性标准，也就是本车纵向加减速运动要舒缓。而处于控制过程中，尽量使本车加减速以及制动舒缓，还可以在一定程度上提高汽车行驶过程的燃油经济性。
2.2 ACC 系统安全车距算法设计
安全车距模型在自适应巡航控制系统中是非常重要的，汽车的行驶安全性、道路利用率、交通流和车队稳定性及驾驶员接受度，都受到安全车距模型直接影响。安全车距设计较大会使道路利用率低，汽车的行驶安全虽然可以得到保证，但旁车道其他汽车切入本车前方。如果安全车距设计较小可以提高道路的利用率，但对汽车控制效果要求比较高，会使驾驶员感到紧张，制动作用时间以及驾驶员所需要的反应时间不够充足，容易造成交通事故。所以选择和设计合理的安全车距模型至关重要，这会直接决定ACC 系统设计性能。
安全车距模型大致可分为两类，固定安全距离模型和可变安全距离模型。汽车行驶时其安全距离与本车车速和道路环境无关，安全距离保持不变，即为固定安全距离模型。这种安全车距模型简单且容易实现，但不能满足实际工况需求。而进一步可变安全距离模型，此种算法主要就是基于车间时距（Time Headway）设计的，基本上可分为固定车间时距CTH （ Constant Time Headway ） 和可变车间时距VTH （ Variable TimeHeadway）两种[46,47]。

2.3 基于反应车间时距的模式切换策略设计
在驾驶员驾驶汽车在道路上行驶时，如果前车较远，驾驶员会保持稳定车速行驶而不会受到前车影响。当前车速度小于本车速度，驾驶员驾驶汽车逐渐接近前车到一定距离，车辆减速到接近前车速度，之后和前车保持一定距离行驶。但是在现有的自适应巡航控制系统中，没有定量的指标来描述本车什么时候做出反应，比如减速或加速动作，因此需要对自适应巡航汽车的反应间距做一个界定。
当自适应巡航汽车在反应间距外，本车根据设定的巡航速度行驶，而当本车处于反应间距内，ACC 系统切换到跟随控制模式，本车开始进行加速或减速的动作直到稳定跟随前车。如果反应间距是固定值，则不能兼顾当前行驶环境和前后车行驶状态，因此提出反应车间时距的概念，则反应间距可表达如下：

2.4 车辆纵向动力学模型的建立
建立车辆动力学模型主要考虑就是模型精度问题，建立模型太过复杂，系统对于数据处理的时间就会增加，这样对仿真实时性产生较大影响，而建立模型太过简单又会影响仿真结果。所以建立的动力学模型首先要考虑满足仿真要求，然后再尽量简化所建立的模型。对于动力学模型的构成主要有：发动机模型，液力变矩器模型和自动变速器模型等，接下来建立汽车的动力学模型。
为了有效验证所开发的控制策略算法，需要使所建立的车辆动力学模型有足够的精度和准确性。在开发过程中往往以商业化车辆动力学仿真软件为平台，这样保证车辆动力学模型精度的同时，可以尽量缩短所开发的策略算法开发时间。本文通过以美国公司Mechanical Simulation Corporation 推出的动力学仿真软件CarSim 为平台，建立车辆动力学模型，联合所开发的自适应巡航系统控制策略进行仿真验证分析。CarSim 软件源于密歇根大学交通运输研究所（UMTRI），提供全面的ADAS 开发环境，交通场景配置丰富且传感器设置灵活，可以仿真模拟车辆对道路参数、空气动力学参数以及驾驶员设定参数的响应，还可以对MATLAB /Simulink 开发的控制策略算法进行联合仿真。CarSim软件已广泛应用于现代汽车控制系统设计仿真，目前绝大多数的主机厂、零部件供应商以及院校和科研机构，均采用CarSim 软件进行有关方面研究。

第三章 基于变速积分PID 的系统控制策略研究

自适应巡航系统需要保证本车与前车的安全距离，并以合理的速度行驶。在设计过程要考虑到安全性，良好的跟踪性能以及舒适性。传统的自适应巡航系统控制策略一般都是采用经典控制输出，参数化时序安排以及PID 控制等。本章基于变速积分PID 控制对自适应巡航系统控制策略进行研究。
3.1 PID 控制原理
PID 控制由比例环节、积分环节和微分环节构成，这三者分别对应当前误差，过去累计误差和将来误差，其对被控对象进行控制是通过三者的线性累加。比例环节成比例地反映系统的偏差信号，积分环节主要用于消除静差，但容易在初期产生积分饱和现象，引起响应过程的较大超调。微分环节则可以减弱系统的超调趋势，并提高系统的响应速度，并且参数选择正确可以增加相位裕度，这有利于减小振荡，稳定并改善系统动态性能[50,51]。PID 控制原理结构图如下所示：

3.2 变速积分PID 控制模型实现
当前对于电控系统建立模型，以及对于控制策略算法的开发，大多数的工程人员都选择基于模型开发的MATLAB/Simulink 开发环境，MATLAB/Simulink 开发环境具备图形化建模与数值计算的功能于一体，并且此开发环境与许多车辆仿真软件都具有很好的兼容性，利用MATLAB/Simulink 开发环境可以辅助工程人员较为高效地建立复杂的汽车动力学模型，并且还可以辅助工程人员开发出控制策略算法，以及将所建立的复杂汽车动力学模型和控制策略算法与其他软件进行连接，提高研究开发人员对于控制策略算法开发的效率。本章以MATLAB/Simulink 开发环境为基础，对自适应巡航PID 控制策略算法进行搭建与开发。最终得到自适应巡航系统PID 控制器如下图3.2 所示。

由图3.2 可知，自适应巡航系统PID 控制器主要由四个模块构成：“Cruise Control Module”、“Safety Distance Module”、“Relative Velocity Module”以及“Processing Module”。分别控制前方有目标车辆的定速巡航控制，跟随前车时安全车距判别及保持、车速控制，以及最后的对三种信息的综合处理达到对本车的有效控制。最终的基于PID 控制的自适应巡航系统如图3.3 所示。

3.3 自适应巡航PID 控制仿真分析
本节将基于MATLAB/Simulink 开发环境所开发的自适应巡航PID 控制策略算法模型，与车辆动力学分析平台CarSim 软件进行联合仿真，图3.3 为搭建的自适应巡航系统联合仿真模型。利用CarSim 软件中的车辆模型以及配置的传感器，并根据相应的测试功能需求设置自适应巡航控制系统典型仿真工况，在CarSim 动力学软件中搭建测试用例，依据最后的结果曲线以及动画演示，对所开发的自适应巡航PID 控制策略算法模型进行分析。
3.3.1 定速巡航模式仿真
本小节主要进行所设计的PID 控制策略算法模型在前方没有目标车辆，本车定速巡航工况在进行仿真分析。搭建仿真测试用例为：首先设定静止时两车之间的最小保持距离min d 为5m，设定车间时距th1、th2、th3 为1s，0.04s 和0。设定本车的初始速度为0，从原地启动并加速到预设巡航速度60km/h、90km/h，并进行定速巡航，仿真测试时间设置为80s。仿真结果如下：

图3.4- 3.7 分别表示了定速巡航工况下，本车从原地起步加速到设定的巡航车速60km/h 和90km/h 的速度和加速度曲线。定速巡航工况是指当本车前方没有车辆时，或目标车辆不在本车传感器探测范围内时，自适应巡航系统按照设置的巡航车速以及车间时距对速度控制的行驶工况。从仿真图可以看出，本车达到预定的巡航车速60km/h 的调整时间为10s，达到预定的巡航车速90km/h 的调整时间为15s，响应迅速且平稳过渡到预定车速，基本符合正常的驾驶情形，在调整时间的加速度没有超过预设的最大加速度限值2m/s2，不会因为本车的加速度过大，从而给驾驶员和乘员带来不舒适的感觉，控制效果还是比较理想的。
进一步分析，自适应巡航车辆在高速向低速巡航车速调整时的功能，设定本车的初始速度为120km/h，减速到预设巡航速度60km/h、90km/h，并进行定速巡航，仿真测试时间设置为80s。

3.4 本章小结
本章对自适应巡航系统控制策略进行了研究，采用变速积分PID 控制，在MATLAB/Simulink 开发环境中建立了自适应巡航PID 控制策略算法，并以第二章搭建的车辆动力学模型为基础，对本章建立的PID 控制策略算法进行MATLAB/Simulink 与CarSim 联合仿真研究。分别在定速巡航和跟随控制模式下，对PID 控制策略算法进行了仿真分析，仿真结果显示自适应巡航PID 控制在定速巡航模式中具有响应迅速、超调量小的优点，但是跟随控制模式复杂工况下控制效果不够理想，很难做到稳定跟车，故本文考虑在自适应巡航系统跟随控制模式的控制中采用MPC 方法。