自適應(yīng)巡航ACC系統(tǒng)架構(gòu)分析概述目錄TOC\o"1-2"\h\u13111自適應(yīng)巡航ACC系統(tǒng)架構(gòu)分析概述 14151.1ACC系統(tǒng)架構(gòu)及相應(yīng)控制策略 164521.2工作模式切換策略 2125411.3小結(jié) 6在對(duì)ACC的各個(gè)組成部分詳細(xì)設(shè)計(jì)之前，需要對(duì)ACC系統(tǒng)的控制架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定各個(gè)模式下的功能以及算法。在上層控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)車輛控制系統(tǒng)所要完成的任務(wù)，設(shè)計(jì)能夠完成相應(yīng)任務(wù)的控制算法。在本章中，首先搭建了ACC系統(tǒng)的架構(gòu)以及確定控制算法，而后分析了ACC系統(tǒng)的兩種模式，建立了基于PID的定速巡航控制策略，同時(shí)設(shè)計(jì)了基于安全車距的兩種模式的切換策略。1.1ACC系統(tǒng)架構(gòu)及相應(yīng)控制策略垂直控制和分層控制這兩種類型在當(dāng)前ACC系統(tǒng)上使用的較多，垂直控制是指根據(jù)期望安全車距算法直接決策出車輛所需的驅(qū)動(dòng)踏板和制動(dòng)踏板信號(hào)[20]，但是垂直系統(tǒng)的適用對(duì)象一般為較為簡(jiǎn)單的線性系統(tǒng)，顯然這對(duì)車輛本身并不適合；并且當(dāng)建立的模型失配時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障[21]。分層控制相較垂直控制來(lái)說(shuō)控制效果較好，本文所設(shè)計(jì)的分層式控制系統(tǒng)框圖如圖1.1所示。分層式控制系統(tǒng)由上層控制器和下層控制器構(gòu)成，上層控制器首先根據(jù)工作模式切換模塊決定車輛下一時(shí)刻該執(zhí)行巡航模式還是跟車模式，同時(shí)結(jié)合采集到的數(shù)據(jù)（車間距、相對(duì)速度、本車車速、本車加速度）通過(guò)相應(yīng)的算法決策出期望加速度；而下層控制器的輸入是上層控制器輸出的期望加速度，下層控制器把期望加速度轉(zhuǎn)變成具體的控制量（期望電機(jī)轉(zhuǎn)矩、期望制動(dòng)壓力）完成對(duì)車輛的控制。上下層控制器各司其職，每個(gè)模塊的輸入輸出都是有相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型支撐，控制目標(biāo)清晰，而且各個(gè)模塊之間互不干涉。圖1.1總體示意圖信息感知層是ACC系統(tǒng)決策算法的數(shù)據(jù)源，它將雷達(dá)、輪速傳感器、加速度傳感器等采集信號(hào)模塊收集到的信號(hào)傳輸?shù)诫娍啬K（VCU）。工作模式切換模塊的主要功能是基于車間距完成對(duì)跟車模式和巡航模式的切換，上層控制器主要包含基于MPC的跟車策略、基于PID的巡航策略。在車輛行駛過(guò)程中，上層控制器根據(jù)工作模式切換模塊的信號(hào)，決定車輛執(zhí)行跟車模式或巡航模式。當(dāng)進(jìn)入跟車模式時(shí)，由基于MPC的策略根據(jù)信息感知模塊獲取到的有效數(shù)據(jù)，決策出期望加速度；當(dāng)進(jìn)入巡航模式時(shí)，由基于PID的策略根據(jù)駕駛員設(shè)定的巡航車速?zèng)Q策出期望加速度。下層控制器基于逆縱向動(dòng)力學(xué)模型（期望電機(jī)轉(zhuǎn)矩、期望制動(dòng)壓力）完成對(duì)控制量的轉(zhuǎn)化，最終輸出到執(zhí)行層，完成對(duì)車輛的控制。ACC系統(tǒng)是基于傳統(tǒng)的定速巡航系統(tǒng)之上，經(jīng)過(guò)不斷的完善和發(fā)展逐漸形成的。其主要功能是通過(guò)獲取本車和前車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息并進(jìn)行分析計(jì)算，最終決定本車當(dāng)前的行駛狀態(tài)。當(dāng)車輛沒(méi)有檢測(cè)到有效目標(biāo)時(shí)，車輛將處于定速巡航模式，按照設(shè)定的巡航車速行駛；而當(dāng)前方車輛檢測(cè)到有效目標(biāo)時(shí)，此時(shí)車輛將進(jìn)入跟車模式，系統(tǒng)將控制本車跟蹤前車速度與期望安全車間距。因此，上層控制器的設(shè)計(jì)需要同時(shí)考慮巡航模式和跟車模式。1.2工作模式切換策略1.1.1巡航模式被控車輛依據(jù)駕駛員設(shè)定的確定的巡航車速行駛的模式叫做巡航模式。車輛上設(shè)置有人機(jī)交互界面，駕駛員設(shè)定巡航車速，車輛則會(huì)去追蹤駕駛員所設(shè)置的車速，根據(jù)本車車速與駕駛員設(shè)定的巡航車速，得到相應(yīng)的期望加速度并輸出到控制層。控制層控制車輛動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)揮作用去跟蹤決策出的期望加速度，最終車輛完成對(duì)巡航車速的追蹤，在條件不發(fā)生變化的情況下，車輛繼續(xù)以巡航車速穩(wěn)定行駛下去。定速巡航功能即追蹤巡航車速，實(shí)現(xiàn)該功能方法簡(jiǎn)單，只需減小本車車速和駕駛員所設(shè)定的巡航車速進(jìn)行的差值即可[22]。對(duì)于基于單一誤差的控制，PID是控制領(lǐng)域內(nèi)最簡(jiǎn)單、有效的控制算法，且本文所設(shè)計(jì)的巡航模式較為簡(jiǎn)單，故采用PID控制作為基礎(chǔ)進(jìn)行巡航模式控制算法的設(shè)計(jì)。圖1.2巡航模式控制模型本文所設(shè)計(jì)的巡航模式控制模型如圖1.2所示，系統(tǒng)輸入設(shè)定巡航速度和本車實(shí)際速度，將二者的差值輸入到PID控制器中，PID對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)，PID控制器根據(jù)兩者的差值進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié)，通過(guò)不斷的仿真調(diào)試，使得該系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。最終得到比例系數(shù)P取3.2，積分系數(shù)I取0.01，微分系數(shù)D取0.002效果較好。但是，PID的三個(gè)參數(shù)是不斷調(diào)節(jié)與制約的，而且這三個(gè)參數(shù)在調(diào)節(jié)過(guò)程中需要一定的工程經(jīng)驗(yàn)，才能使系統(tǒng)穩(wěn)定地輸出期望加速度，從而保證系統(tǒng)穩(wěn)定地運(yùn)行下去。1.1.2跟車模式當(dāng)車輛前方存在車輛時(shí)，則車輛不能繼續(xù)執(zhí)行巡航模式，否則會(huì)產(chǎn)生交通事故，此時(shí)，車輛需要在保持安全車距的前提下通過(guò)跟蹤前車速度跟隨前車行駛，這種模式被稱為跟車模式。前方車速并不是一成不變的，本車要在跟上前車的前提下保持安全車距，為此就需要引入期望安全車距，期望安全車距的模型將會(huì)在第三章具體介紹，車輛通過(guò)跟蹤期望安全車距來(lái)實(shí)現(xiàn)與前車保持合適的間距，這會(huì)提高車輛在行車過(guò)程中的安全性與跟車性，同時(shí)也可減少實(shí)際跟車環(huán)境中加塞、追尾等情況的發(fā)生。車輛在行駛過(guò)程中不僅要保證跟車性與安全性，也需要考慮車輛的經(jīng)濟(jì)性以及舒適性即駕駛員的主觀感受。對(duì)消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，舒適性作為他是否安裝ACC系統(tǒng)的重要參考因素。ACC系統(tǒng)作為ADAS系統(tǒng)的一種，設(shè)計(jì)就是為了在一定程度上能夠解放駕駛員的雙手，緩解駕駛員的疲勞，所以，在跟車模型的控制算法設(shè)計(jì)過(guò)程中舒適性尤為重要。對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，經(jīng)濟(jì)性同樣也是他是否安裝ACC系統(tǒng)的重要參考因素。為此，在設(shè)計(jì)跟車模式時(shí)需要考慮多個(gè)影響指標(biāo)，PID算法適合于單目標(biāo)優(yōu)化，對(duì)于多目標(biāo)優(yōu)化并不適合，而模型預(yù)測(cè)控制（MPC）算法可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化控制，故在設(shè)計(jì)了基于MPC算法的跟車模式，該算法較PID來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，本文將在第三章進(jìn)行詳細(xì)展開(kāi)。1.1.3工作模式切換策略在車輛上設(shè)置有工作模式切換撥桿，駕駛員可以手動(dòng)切換工作模式，即跟車模式切換到巡航模式的切換。本文設(shè)計(jì)了一種根據(jù)本車與前車的相對(duì)車間距的切換策略，該策略的最基本功能是跟車模式和巡航模式之間切換。與此同時(shí)，該策略細(xì)化了跟車模式。在研究文獻(xiàn)中顯示，舒適性可以通過(guò)加速度來(lái)表征，Moon[23]分析跟車過(guò)程中加速度大小與舒適性的關(guān)系，基于加速度大小將跟車模式分為三種，如表1.1所示。表1.1跟車模式劃分工況舒適跟車工況緊急減速工況緊急制動(dòng)工況加速度大小 依照上文中所提到的理論設(shè)計(jì)了如圖1.3所示的工作模式切換策略，該策略是以相對(duì)車間據(jù)為作為判斷基礎(chǔ)的。當(dāng)雷達(dá)探測(cè)到實(shí)際車間距小于200m即雷達(dá)檢測(cè)到前方存在車輛時(shí)，車輛由巡航模式切換至跟車模式；反之，車輛執(zhí)行跟車模式。 當(dāng)車輛由巡航模式切換為跟車模式后，此時(shí)本車與前車距離較遠(yuǎn)，需要減小本車與前車的車距，即期望安全車距大于實(shí)際車距。此工況下車輛主要狀態(tài)為加速，快速地跟上期望安全車距，所以期望加速度上限可適當(dāng)?shù)奶岣撸囕v的減速情況較少，所以期望加速度下限沒(méi)必要取太??；經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，當(dāng)本車與前車的車距縮小到一定范圍后，此時(shí)需要調(diào)節(jié)本車與前車的間距，即需要減速的工況比較多，所以加速度的下限需要低一些；本車不需要很大的加速度來(lái)跟蹤前車，否則會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)，所以加速度上限可以適當(dāng)降低。當(dāng)本車和前車車距過(guò)小時(shí)，此時(shí)控制策略不合理的話，極易發(fā)生交通事故，當(dāng)前車急剎車時(shí)，本車需要較大的負(fù)的加速度來(lái)完成減速，應(yīng)放大對(duì)加速度的下限，降低加速度的上限。圖1.3工況劃分邏輯 基于相對(duì)車距，分別設(shè)計(jì)了在跟車模式下舒適跟車、安全跟車、緊急跟車三種子模式，三種子模式對(duì)加速度的限制如表1.2所示。 表1.2跟車模式劃分工況舒適跟車安全跟車緊急跟車加速度大小為實(shí)現(xiàn)跟車和巡航模式的切換策略，Simulink中利用Switch判斷模塊建立巡航模式和跟車模式的切換模型，如圖1.4所示。圖1.4跟車模式和巡航模式切換模式通過(guò)車間距的判斷，分別得到如表1.3所示的判斷邏輯變量dis_s，dis_u，其中d_rel代表本車與前車的實(shí)際車距，d_des為期望安全車距，1.5和0.7分別為上文提到設(shè)定車距的系數(shù)。表1.3邏輯判斷變量d_rel<1.5d_desd_rel≥1.5d_desd_rel<0.7d_desd_rel≥0.7d_desdis_s=1dis_s=0dis_u=1dis_u=0得到的判斷邏輯變量輸入到狀態(tài)機(jī)中，控制狀態(tài)機(jī)該執(zhí)行相應(yīng)狀態(tài)即狀態(tài)機(jī)輸出相應(yīng)加速度給下層控制器，在Simulink中建立了如圖1.5所示的狀態(tài)機(jī)。圖1.5跟車模式狀態(tài)機(jī)模型1.3小結(jié)本章分析了基于垂直控制的ACC系統(tǒng)的缺點(diǎn)，從而設(shè)計(jì)了基于分層控制的ACC系統(tǒng)架構(gòu)，把整體控制結(jié)構(gòu)分為上下層控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各層的功能分配：上層控制器也叫決策層，根據(jù)車輛的信息以及周圍的環(huán)境狀態(tài)，決