汽车跟车巡航控制系统研究

姚垠国，段敏，张恒，郑苏

摘 要：文章首先简述跟车巡航系统的工作原理，然后设计系统的切换层，建立车辆动力学约束方程，控制器采用分层式结构，上层控制器采用最优控制计算车辆的期望加速度，下层控制器采用PID控制控制车辆的加速和减速，实验结果表明系统的巡航功能可以正常激活，控制器可以实时控制主车很好的跟随前车进行起步、停止。

关键词：起停巡航;最优控制;PID控制;Matlab/Simulink;实车试验

中图分类号：TM517  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）23-49-03

Research on the Cruise Control System of Car

Yao Yinguo， Duan Min， Zhang Heng， Zheng Su

（ School of Automobile &Traffic Engineering， Liaoning University of Technology， Liaoning Jinzhou 121000 ）

Abstract： This paper first describes the working principle of the following cruise system， then the switching layer of the system is designed and the vehicle dynamics constraint equation is established， the controller adopts the layered structure， and the upper controller adopts the optimal control to calculate the expected acceleration of the vehicle， the lower controller adopts PID control to control the acceleration and deceleration of the vehicle， the experimental results show that the cruise function of the system can be activated normally， and the controller can control the main vehicle to start and stop with the leading vehicle in real time.

Keywords： Stop&Go Cruise; The optimal control; PID control; Matlab/Simulink; Real vehicle tests

CLC NO.： TM517  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2019）23-49-03

引言

汽車跟车巡航控制技术是先进汽车智能驾驶辅助技术之一，当道路前方没有车辆时，系统进入定速巡航模式，当前方有车辆时系统进入跟车巡航模式，如果车辆与前车之间的距离小于预设的最小距离，那么，它们会迫使车辆减速;如果前后两车之间的间隔距离足够远，它们就会把车辆加速到设定的速度，主动干预车辆的纵向控制，常用在车辆低速行驶频繁起步与停止的工况。国内外对跟车巡航系统有大量的研究，按照控制算法分有神经网络控制器[1]，模型预测控制器[2-4]，滑膜控制器[5]，文献[6]采用非线性车辆模型研究了极端情况下自适应巡航和定速巡航的过渡控制问题等。

1 跟车巡航系统的工作原理

整个控制是由传感器控制单元SCU来提供。SCU的主要功能是控制跟车巡航系统的传感器和目标识别，其控制参数计算和相关系统启动则是由跟车巡航系统的电子控制单元（ECU）负责执行。跟车巡航系统传感器的接收信号需要进一步处理。在目标识别时，系统会根据信号所含的信息来计算出潜在对象的距离和相对速度。车距控制需要从跟车巡航系统所探测的所有目标中，精确地锁定其中一个;锁定目标时会用上车辆移动方面的信息。根据驾驶本身的车速和所要求的反应时间，跟车巡航系统可算出所需的最小车距。若在现行车速下计算出的车距过近，跟车巡航系统就给适当的系统送出减速命令，从而调整车距。若调整后的车距已经足够，车速就会被调至所需的速度。要做到这点，跟车巡航系统须向相关驱动发出加速命令。

2 切换层设计

为了实现跟车巡航多模式控制，应用有限状态机原理，在原有跟车巡航控制之上增加切换层，以确定当前理想的控制模式。

使用Matlab/Simulink建立Statflow状态。

图1  状态图

3 控制器的设计

3.1 上层控制器设计

上层控制器根据本车的车速、加速度以及与前方车辆的相对速度、相对距离等信息计算得到期望加速度。

根据车辆在跟车巡航时的主车和测试车的运动关系可以列出状态方程：

式中m是系统的控制变量，n是系统的干扰变量，T是控制周期。取目标性能函数：

为了使性能指标函数达到最优，可以选取加权矩阵Q、R，根据LQ最优控制理论得出系数矩阵K，期望加速度为a=-Kx。

3.2 下层控制器的设计

下层控制器控制驱动或者制动，需要将被控制量进行实时反馈，系统通过实时比较被控对象实际值与理论值的大小，实时调节系统的响应输出，使该控制器对系统的，调节效果较好。PID 控制器中的系统误差e（t）与输出u（t）的关系为：

其中誤差e（t）是给定量r（t）和实际输出量c（t）之间的差值：

以传递函数的形式表示为：

其中，Kp为比例项系数;TI为积分项时间常数;Td为微分项时间常数。比例项的作用是调节被控制量向误差减小方向运行的速度;积分项会对系统稳态误差进行调节;微分项该项通过对输入误差变量的微分处理，使得其能预测下一次误差到来的情况，从而加快系统的响应速度。

4 试验及结果分析

采集的信号：车辆经度、纬度、与前方障碍物相对纵向及横向距离、制动踏板信号、加速踏板信号与前方障碍物相对速度。

跟车试验数据曲线如下：

图2  主车跟随前车，前车进入加速行驶状态时的

主车行驶速度曲线

由实验结果可以看出当前方车辆加速行驶时，主车会加速至巡航车速，

巡航测试实验曲线如下：

图3  主车在直线道路上行驶，车速为30km/h时，

设置巡航，此时主车的行驶速度曲线

由实验结果可以看出设定不同目标车速，巡航功能均可以正常激活，车速稳定后，惯性测量单元所测车辆纵向速度、总线所读车辆纵向速度均与设定目标车速相差≤2km/h，误差在合理范围内，

起停试验结果如下：

图4  起停测试中主车和前车的速度曲线图

图5  起停测试中主车和前车间隔距离曲线图

由实验结果可以看出两车初始的间隔距离为4 m，大于安全车距3 m，主车以1 m/s2的加速度加速到约7m/s，在9-18 s时开始以0.1 m/s2加速到7.9m/s，在18s开始制动，制动减速度为0.5m/s2 ，然后又加速起步至5m/s，由实验结果可以看出主车能较好的跟随前车的速度变化，并且实际两车的车间距离在与期望值的误差逐渐趋于0。主车可以跟随前车实现起停功能。

5 结论

设计跟车巡航系统逻辑转换图以及上层控制器和下层控制器，建立Stop&Go的Simulink模型，实车试验结果表明前方车辆加速时，主车可进入跟车状态，设定不同目标车速，巡航功能均可以正常激活并且主车可以跟随前车实现起停功能。

参考文献

[1] Yi K，Hong J，Kwon Y.A vehicle control algorithm for stop-and-go cruise contro[lJ].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part D：Journal of Automobile Engineering， 2001，215（10）：1099-1115.

[2] Ali Z，Popov A A，Charles G.Model predictive control with constraints for a nonlinear adaptive cruise control vehicle model in transition man-oeuvre[sJ].Vehicle System Dynamics，2013，51（6）：943-963.

[3] Bageshwar V L，Garrard W L，Rajamani R.Model predictive control of tr-ansitional maneuvers for adaptive cruise control vehicles [J]. Vehicula Technology，IEEE Transactions on，2004，53（5）：1573-1585.

[4] LiS，LiK，RajamaniR.Modelpredictivemulti-objectivevehicularadap tive， cruise，control[J].Control Systems Technology，IEEE Transactions on， 2011，19（3）：556-566.

[5] Ganji B，Kouzani A Z，Khoo S Y.Adaptive cruise control of a HEV using sliding mode contro[lJ].Expert Systems with Applications， 2014，41（2）：607-615.

[6] Ali Z，Popov A A，Charles G.Model predictive control with constraints for a nonlinear adaptive cruise control vehicle model in transition man-oeuvre[sJ].Vehicle System Dynamics，2013，51（6）：943-963.