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汽车自适应巡航控制系统
摘要:
本文提出了一种通过纵向控制器使自车跟随前面车辆的自适应巡航控制系统。测试车辆通过自适应巡航系统识别前面的车辆，并通过控制其油门和刹车使试验车辆与前面车辆的保持安全距离。车辆行驶距离引起的车辆距离误差可以通过安装在车辆正面的激光扫描仪得到的信号确定。巡航中车辆的速度变化是通过车辆将APS信号（该信号可以在速度控制单元中人工生成）传递给ECU来实现的。本文提出的自适应巡航控制系统是通过carsimSimulink联合仿真得到的，经过多次试验后被证明该系统非常实用和可靠。
简介：
近年来，汽车安全技术的研究得到了广泛的应用。安全技术分为两个不同的类别，主动安全技术和被动安全技术。被动安全技术包括自20世纪50年代以来安装的安全带，安全带是在交通事故发生后通过限制乘客的行为来保护乘客。主动安全技术则是希望提高车辆在不同路况下的的驾驶性能，除了基于各种电子控制系统外，主动安全技术中，驾驶员可以在不操纵油门踏板的情况下使车辆保持一定的速度继续行驶，这种技术就叫做巡航控制系统。巡航控制意味着车辆保持同一个速度持续行驶。车辆的行驶仅仅通过速度控制来完成并以此来保证车辆以及车辆前方物体的安全是不可能的，因此，通过自适应巡航来监测交通状况以及防止由于疏忽大意而造成的交通事故的安全技术技术在汽车行业的到了深入的研究。
在自适应巡航系统中，首先要考虑的就是驾驶员以及车辆前方障碍物的安全。因此，ACC系统的研究就被分为两个不同的层面；一个是通过纵向控制器控制车辆间的距离以及执行跟随任务，另一个就是通过横向控制来保持车辆在一定的轨迹上行驶而不偏离轨道。
本文研究的是通过与前面车辆之间的距离来控制汽车自适应巡航的系统。用于本次研究的是一辆起亚莫哈维SUV。SICK公司生产的LMS-291雷达探测器在本次实验中被用来测量两车辆之间的距离。汽车的加减速由用逻辑转换组成的PID控制器来实现。车辆间距误差（由测得的车辆间距离和制动距离组成）连接PID控制器的输入端。根据距离误差，加速控制系统通过接收到APS信号的ECU来控制车辆加速。减速控制系统则通过一个连接到减速踏板上的伺服电机来控制车辆减速。
2.硬件组成：
2.1 在这一部分中，介绍了实验车辆和设备的结构特点。
在本研究中所使用的车辆是一辆搭载3000cc柴油发动机的起亚莫哈维SUV，该图为用于本次实验的车辆。在车保险杠里边，装有一个激光扫描仪。
2.2加速控制系统
在先前的研究中，控制执行器直接连接到节气门或加速踏板来使汽车加速，而用于本次实验的车辆则是通过安装在加速踏板上的APS传感器来控制车辆加速的。APS包含两部分相互独立的信号，这两个信号通过安装在加速踏板上的可变电阻器发射输出电压给ECU从而控制车辆的加速。
图2显示了APS的安装配置。图3表示了在本研究中提出的方法。表1表明本次实验的分析结果。车辆的加速控制是通过速度控制单元处理APS信号以得到ECU输入信号来实现的。
2.3制动控制系统
图4展示了用来控制刹车的刹车系统
2.4车辆检测传感器
在执行自适应巡航的任务时，激光扫描仪被当做传感器来监测车辆间的距离。本次研究中所用的激光扫描仪通过信号在发射源和目标间往返的时间来计算车辆间的距离。该激光扫描仪型号为LMS291-S05是由德国SICK公司生产，它已被广泛应用于主动安全技术研究。该激光扫描仪最大扫描角为180ordm;横向分辨率在0.25°到1°之间。它也可以用来做平面扫描。通过发射和接收的激光脉冲之间的时间来计算研究对象间的距离。图5显示了检测原理和该激光扫描仪的最大识别范围。
图5
3.主动巡航控制系统
简单来说，ACC系统就是一个在驾驶车辆跟随前面车辆行驶过程中保持二者之间有一个安全距离的技术。这一节主要描述ACC系统算法。
3.1驱动算法
图6所示是ACC系统的驱动算法。自适应巡航控制系统可以分为避撞控制和基于前车的自适应巡航，当车辆开始巡航的时候，控制器就开始工作来使车辆与被跟随车辆间保持安全距离。当前面没有车辆的时候，控制系统就像普通的巡航系统一样工作。
3.2目标检测
可通过安装在测试车辆上的雷达来检测前方车辆。安装在测试车辆上的雷达通过极坐标系来确定两车间的距离。如图7所示，通过公式1可以将雷达探测到的信号由极坐标系转化到直角坐标系中。
（1）
图7
车辆间距离可以通过雷达扫描时第一次接收到物体的信号和最后一次接收到物体信号之间的角度确定。此外，我们只根据公式2，收集在目标区域内的数据以提高运算速度。
（2）
式中：dist代表计算的到的两车间的距离，r代表测量点和雷达之间的距离，x代表由极坐标转化后的x轴坐标，max代表雷达能探测到的最大距离，本次试验中雷达能探测的最大距离为80m采样时间为26ms。
3.3安全距离
国内道路交通法确定的安全距离声明，在同一方向上行驶时车辆间的距离要能够保证避免后面的车与前面的车不发生碰撞。因此，在某一速度下，能够保证后车不与前车发生碰撞的距离被称为安全距离。车辆的制动距离通常由驾驶员反应距离和制动距离之和决定。如公式3和图8所示
（3）
图8
式中：distbrake表示汽车的刹车距离，distthinking表示驾驶员在反应过程中车辆行驶的距离，diststop表示车辆的制动距离。车辆的刹车距离可以用牛顿第二定律通过公式4计算的到。
（4） 式中：m表示汽车质量，w表示汽车所受重力，dx表示汽车在行驶方向上的加速度，da表示空气阻力系数，fx1表示前轴制动力，fx2表示后轴制动力，h表示质心距地面的高度。
当汽车低速行驶时，如果施加的力在制动过程中车辆是常数，可以得到简单方程5。
(5)
式中：fxt表示车辆减速时汽车受到的纵向力。有于fxt是恒力，汽车速度从V0变为Vf可以由方程6计算得到。
（6） 式中：V0表示初速度，Vf表示制动结束时汽车的速度。因此，制动距离可以用公式7表示
(7)
由于减速结束时，汽车速度为0，所以制动距离的计算可简化为
（8）
通过公式8我们可以得到：制动距离正比于初速度的平方。
此外，由空气阻力造成的减速度不可忽略。由公式9可以看出，车辆的空气阻力与空气阻力系数以及行驶速度的平方有光。
(9)式中：Fbrake是前后轮的总制动力，C是空气阻力系数。因此，考虑空气阻力时汽车的制动距离可以表示为
（10）
反应距离可以根据驾驶员感知到危险是的反应时间的平方得到。但是，当用制动控制系统取代驾驶员人为制动时，制动距离可以由雷达的采样时间来确定。因此，反应距离可以表示为。
（11）
车辆的距离误差可以由公式3计算得到的制动距离减去雷达测量的距离得到。如图9所示。
车辆的距离误差可以定义为
(12)
自适应巡航中加（减）速控制器是根据后车在误差距离的基础上能够和前车保持安全距离来设计的。
4.控制器设计
在这一节中将会介绍汽车系统中加速器与控制器的组成。
4.1系统辨识
系统识别方法是用来解决如何从测量数据得的到的动力模型中抽象出数学模型。在本次研究中，加速度控制器的传递函数将会从MATLAB的系统辨识工具箱中选择。加速度控制器的输入和输出信号取决于APS电压值和车速。图10显示输入和输出的信号。利用加速度控制器的输入输出信号，导出了传递函数的阶数和控制系数。图11表示其预测性能。在第二个例子中，最优解为89.63%。
图10 图11
因此，运用系统辨识衍生的传递函数可以表示为
（13）
4.2 ACC系统的配置
在本研究中该控制系统被分为上层控制和下层控制，图12反映了不同阶层的系统配置。在上层控制中，disterrorge;0代表基于车辆的距离误差得到的加速度，disterror＜0表明减速度是由输入速度确定。图12展示了通过加速度减速度转换逻辑设计的PID控制器，K（S）_1和K（S）_2可定义为式（14）和式（15）。
（14）（15）
式14中加速度alpha;是加速踏板的目标位置，式15中beta;代表控制目标位置的角度。另外，Kp，Ki和Kd代表的PID控制器的控制增益，通过模拟得到的调谐值被用于这些参数中。e表示车辆间距误差，并将误差的初始值定义为：e（0）＞0。然后，e作为控制输入被确定为初始值，车辆就将停止下来。
在下层控制中，加速度减速度的控制可以利用基于上层控制目标值的微控制单元来实现。
4.3仿真与实验
在这一部分中，通过仿真和实际驾驶性能对测试车辆的自适应巡航系统进行评估。
5.1 ACC仿真
在本次实验中，通过车辆动力学仿真软件（carsimsimulink）对根据前车和后车之间的距离误差来执行自适应巡航控制的车辆进行仿真。
在本次实验中，车辆朝同一个方向行驶，作用在车上的空气阻力忽略不计。试验中使用的参数值和测试车起亚莫哈维汽车的参数值相同。
表2显示了在仿真中使用的参数值。图13表示了利用carsim得到的汽车簧载质量。
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