基于CarSim自适应巡航控制建模与仿真

万雄　彭忆强　邓鹏毅　杨丽蓉　毛攀

摘 要：文章首先利用模糊法则建立能够反映驾驶员反应时间的隶属度函数，并根据制动过程理论建立安全距离模型，通过安全距离模型建立期望加速度模型。然后分别建立加速和制动模型，在此基础上制定控制模式转换策略，基于PID算法设计巡航控制器。最后在Matlab/Simulink和CarSim联合仿真环境中验证所设计的控制系统的有效性。关键词：模糊法则;安全距离模型;模式转换策略;巡航控制中图分类号：U467.1  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）02-25-04

Abstract： The membership function that can reflect the driver's reaction time is firstly established by using the fuzzy rule， and the safety distance model is established according to the braking process theory， and the expected acceleration model is established through the safety distance model in this paper. Then the acceleration model and the braking model are established respectively， based on which the control mode conversion strategy is formulated， and the cruise controller is designed based on PID algorithm. Finally， the effectiveness of the designed control system was verified in the Matlab/ Simulink and CarSim co-simulation environment.Keywords： Fuzzy rule; Safety distance model; Pattern switching strategy; Cruise controlCLC NO.： U467.1  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）02-25-04

引言

自适应巡航控制系统随着人们对于安全和智能驾驶的关注越来越受到关注。它通过监控车辆行驶状态实时控制智能车与其它车之间安全距离，从而很大程度减轻驾驶员的驾驶负担，提升驾驶的安全性。因此为了能够实现上述目的，本文在文献^[1]的基础上，建立起能够综合反映驾驶员反應时间的隶属度函数，进而建立准确的安全距离模型，并制定巡航控制策略，最后在仿真环境中对所建立的模型与策略进行验证，得到较好的效果。

1 安全距离模型

1.1 驾驶员反应时间

驾驶员反应时间影响因素众多，主要有速度、驾龄、应变能力和生理状态等^[2]，本文根据葛如海等人的文献，把驾龄、应变能力和生理状态加权做为综合指标值，把速度做为另一指标值，建立能够反映驾驶员反应时间的模糊隶属度函数。设驾驶员的综合指标值为y，车速为v，驾驶员反应时间为t，通过模糊化处理可以设置三个变量的模糊子集均为[PS、PM、PL]，依次分别为正小、正中、正大。隶属度函数均采用三角形隶属度函数，相应的模糊隶属函数如图1-图3，建立模糊推理规则见表1。

1.2 安全距离模型

车辆在道路上进行巡航行驶时，需要实时通过信息采集系统测量车辆的行车信息，控制器根据采集到车辆信息进行处理，计算出当前的安全距离，并与采集到后车与前车或前方目标之间的相对距离进行对比，判断后车的安全状态^[3]。目前国内外存在各种各样的安全距离模型，本文采用较为成熟的基于车辆制动过程的安全距离模型。

2.3 加速模型

当车辆处于稳态工况时，不同速度下车辆达到不同加速度对应着不同的节气门开度值，在CarSim中进行仿真工况模拟，以不同车速进行测试，测出车辆在各个车速下极限加速度的节气门值，在Simulink二维查表某块中建立车辆在各个车速和加速度下发动机节气门开度，其节气门开度特性如图4所示。

2.4 控制模式切换

车辆在实际道路行驶中，制动和油门控制是分开动作的，两种动作不可以同时操作。为了避免加速控制和制动控制之间高频率的切换，定义了加速/制动切换的判断公式如下：

2.6 系统整体模型

在Carsim中分别搭建好前车与后车的车辆纵向动力学模型。雷达系统将探测到的后车信息和前车信息传递给行车间距控制系统，此控制系统根据安全距离模型计算出后车车辆期望加速度，此期望加速度经过PID控制器调节后，输入给车辆动力学系统，车辆动力学系统基于此加速度输出期望的制动压力和节气门开度，并将此值传给制动及节气门控制系统，此系统输出相应的制动力及节气门开度给后车动力学系统，进行制动及加速控制，实现后车自适应的巡航作用。控制系统原理图如图5所示。

3 仿真分析

为验证所建立的控制策略的有效性^[5]，利用Matlab/ Simulink与CarSim进行联合仿真，自适应巡航控制系统仿真模型如下：

在Carsim中设置道路为1200m，两车道，向东直路，仿真时间设为80秒。设置两车的相对位置，车速和前车的制动工况。

设定自车在仿真道路工况的原点，前车位于自车正前方50m的位置，设置后车初始速度为0km/h，前车初始速度为40km/h，在仿真开始40s时，突然对前车主制动缸施以10Mpa的制动压力，前车能够以地面提供的最大制动减速度减速停止。运行建立的系统整体仿真模型，可以得到两车速度曲线，车间距曲线，位移曲线分别如图7、图8、图9所示。

从图7可以看出，前车在加减速的同时，后车车速也随着前车的车速自动进行调整，当前车减速时，前后车车距减小，后车能做出相应的减速措施以防追尾;当前车加速时，车距逐渐增大，后车随后能加速跟随前车运动。从图8可以看出，实际车距也能自动的跟随前车自动的发生变化，并且两车停车后的实际间距和期望的间距一致。

从图9位移曲线可以看出后车停在前车后方大约5m的地方，实际距离和期望距离基本一致，避免了两车相撞，说明此控制策略的有效性，同时也说明此自适应巡航控制系统具有较好的适用性。

参考文献

[1] 葛如海，张伟伟.基于隶属函数的高速公路安全距离模型研究[J]. 中国安全科学学报（10）：101-105.

[2] 祝菲菲.基于毫米波雷达定位的汽车三维防碰撞算法研究[D].兰州理工大学，2017.

[3] 张雪峰.汽车主动防撞控制系统控制方法研究[D].江苏：江苏大学， 2017.

[4] 王熔熔，李朋.基于模糊控制的汽車避撞系统建模与研究[J].公路与汽运，2012（02）：9-15.

[5] 李印祥.汽车主动制动/转向避障控制系统研究[D].合肥工业大学， 2018.