汽车自适应巡航控制系统(ACC)控制技术

摘要

　　自适应巡航控制系统作为智能辅助驾驶的关键技术之一,目前已成为人们关注的热点。本文以汽车自适应巡航控制系统(ACC)为研究对象,开展其车辆纵向动力学建模和控制策略研究。论文主要完成了以下几方面的工作:

　　首先,阐述本文研究背景及意义,从自适应巡航系统应用现状、车辆纵向动力学建模、驾驶员跟车行为特性和自适应巡航控制算法四个方面对近年来的最新研究进展进行了论述,并在此基础上提出本文研究内容。

　　其次,分析自适应航系统的功能需求和控制目标,同时考虑自车的跟踪性能和舒适性能,设计自适应巡航控制系统体系结构,由上层控制器、下层控制器和自车模型组成,为后面章节建模和控制策略研究提供技术路线。

　　再次,以某自动变速器轿车为对象,分析该车辆纵向动力学系统的基本结构,基于Matlab/Simulink软件环境实现车辆纵向动力学仿真建模,用于后面章节控制策略设计和仿真验证。

　　然后,针对自适应巡航系统的功能需求和控制目标,研究一种汽车自适应巡航分层控制算法,上层控制器建立包含自车控制模型、车间运动学和车间时距的集成式纵向运动学模型,综合考虑车距、相对速度和自车加速度三大性能指标,通过线性二次最优控制理论得到期望的跟车加速度;下层控制器建立包含驱/制动切换逻辑、逆发动机模型和逆制动器模型的车辆逆纵向动力学模型,采用PID控制实现加速度校正,通过节气门和制动器的切换控制,使得车辆的实际加速度能够对上层控制输出的期望加速度进行J?艮踪。

　　最后,为了验证所设计控制算法的有效性和正确性,基于Matlab\Simulink软件环境搭建自适应巡航分层控制器,联合所建立的车辆动力学模型,在多种工况下进行了仿真验证。

　　关键词:自适应巡航;动力学建模;PID控制;线性二次最优控制;分层控制

ABSTRACT

　　Adaptive cruise control (ACC) system is one of the key technologies of intelligent assisted driving vehicles, which has become the focus of attention. In this paper, taking the adaptive cruise control system as the object of study, the dynamic modeling and control strategies are studied. The main works of this thesis are as follows:

　　Firstly, the research background and significance of this paper is elaborated, and latest research achievements in recent years are discussed from four aspects, which include the current application situation of ACC system, vehicle longitudinal dynamics model, driver car behavior and adaptive cruise control algorithm. On this basis, the research content of this paper is put forward.

　　Secondly, the function requirement and control target of adaptive cruise control system are analyzed, the architecture of adaptive cruise control system is designed, composing of the upper controller, lower controller and vehicle model, which provide the technical route for the modeling and control strategy research in following chapters.

　　Again, taking a vehicle equipped with automatic transmission as research object, the basic structure of the vehicle longitudinal dynamics system is analyzed. Simulation modeling of vehicle longitudinal dynamics based on Matlab/Simulink software environment is conducted, which used for control strategy design and simulation verification in later chapters.

　　Then, based on the function requirement and control target for adaptive cruise control system, a layered control algorithm is investigated. The integrated longitudinal kinematic model is established in the upper controller, which includes the vehicle model, the kinematics between vehicles and the time interval. The desired acceleration is calculated through linear quadratic optimal control theory, taking into account the vehicle distance, relative speed and acceleration of three major performance indexes. In the lower controller, the vehicle inverse longitudinal dynamics model including the drive / brake switching logic, the inverse engine model and the inverse brake model is established, and the PID algorithm is used to achieve acceleration correction. Through switching control of throttle and brake, the actual acceleration of the vehicle can track the desired acceleration of the upper control output.

　　Finally, in order to verify the validity and effectiveness of the designed control algorithm, an adaptive cruise hierarchical controller is built based on the Matlab\Simulink software environment, and simulation verification is carried out under a variety of working conditions combining with the vehicle dynamics model.

　　KEY WORDS: adaptive cruise control, dynamic modeling; PID control; linear quadratic optimal control; hierarchical control

　　近年来,随着汽车工业的飞速发展和驾驶员的非职业化,汽车给人们提供出行便利的同时,带来的交通事故、道路堵塞及环境污染等问题也日趋严重。提高行车安全、减少道路交通事故成为人们关注的热点,开展汽车辅助驾驶系统的研究显得尤为重要。

　　汽车先进驾驶辅助系统(ADAS)通过雷达或摄像头实时对自车周边的车辆、车道线、障碍物、行人等进行识别,然后根据预先设定的控制模式或算法通过自车执行器(节气门、制动系统、转向机构)的主动控制,实现车辆的先进辅助驾驶功能,预防道路交通事故的发生。

　　ADAS通常包括自适应巡航控制系统(ACC)、车道偏移报警系统(LDWS)、车道保持系统(LCA或LKS)、防碰撞系统(CAS)、夜视系统(NVS)、自适应灯光控制系统(ALC)、行人保护系统(PPS)、自动泊车系统(APS)、交通标志识别(TSR)、盲点探测(BSP)、驾驶员疲劳探测(Driver　drowsiness　detection)系统、下坡控制(Hill　descent　control)系统和电动汽车报警(Electric　vehicle　warning　sounds)系统等。表1.1所不为目前主要ADAS的技术方案和功能介绍。

　　汽车自适应巡航控制(Adaptive　Cruise　Control,　ACC),又称为主动或智能巡航控制,是在传统的定速巡航控制系统基础上发展而来,即具有定速巡航功能,又可以通过车载传感器(雷达、激光、光学摄像头等)实时监测车辆前方行驶环境,依据探测到的本车与前方车辆之间的相对距离、相对速度等信息,通过与制动防抱死系统、发动机控制系统协调动作,使车辆与前方车辆始终保持安全行车距离,增强汽车行驶安全性。ACC是一种智能化的自动控制系统,对于减轻驾驶负担、提高乘坐舒适性、减少驾驶操作失误、提高道路使用能力和降低燃油消耗都具有重要意义。

　　据市场调研机构估计,全球自适应巡航控制市场在2014-2018年期间达到15.8%的年复合增长率,到2020年全球7.2%的新车都将配备该系统。然而ACC系统目前的价格仍然较高,在中国选配ACC的价格往往需要数万元,因此在2015年,豪华车(C级及以上)装配的ACC系统占据了　75%的市场份额。

　　目前,智能驾驶汽车作为我国实现“中国制造2025”规划的重要一环,对汽车产业转型升级和上游产业发展都有着积极的意义。在众多的汽车先进驾驶辅助系统中,自适应巡航系统被消费者接受度最高且应用最广。因此,开展汽车自适应巡航控制系统研究对于改善道路交通拥堵问题、避免交通事故的发生、减少燃油消耗和二氧化碳排放、增大汽车大数据发展潜力,以及潜在的工业和物流领域运用都有重大意义。

　　关于ACC的历史起源于20世纪70年代。1971年,美国伊顿公司开始从事这方面的开发,其雏形是日本三菱公司提出的PDC　(Preview　Distance　Control)系统,它将雷达与其他处理器一起考虑,可以探查车距的变化,并对驾驶员发出警告,系统还可以控制节气门开度对发动机的功率进行调节。此后丰田、本田、通用、福特、戴姆勒、博世等公司也投入到了研发行列。近年来,德国的大陆特威斯公司致力于汽车安全行驶的全方位研究,也在加紧对车用雷达系统的开发。该公司开发出采用微波雷达技术和红外传感技术两类ACC系统产品,可探测出前方150米范围内的目标车辆与本车间的车距和相对速度,在自动进行安全车距控制时,发动机和传动系工作稳定,乘坐舒适。为了进一步提高自适应巡航控制系统的性能,该公司还提供了与能见度相关的车速推算系统,以及为缩短制动系反应时间的电子辅助制动助力装置。

　　自适应巡航系统包括雷达模块、数字信号处理模块和控制单元。通常驾驶员事先设定所希望的期望车速,自适应巡航系统利用雷达或红外线光束探测自车与前车距离,获得前车的确切方位,如果监测到前车减速或监测到新目标,系统就会通过CAN总线发送执行信号给发动机或制动系统,使得自车与前车保持在一个安全距离。

汽车自适应巡航控制系统(ACC)控制技术：

汽车ADAS系统

自适应巡航控制系统

上层控制器仿真模型

逆纵向动力学仿真模型

下层控制器仿真模型

加速度时间历程

加速度时间历程

目录

　　第一章 绪论
　　　　1.1 论文研究背景及意义
　　　　1.2 国内外相关技术应用与研究现状
　　　　　　1.2.1 自适应巡航控制系统应用现状
　　　　　　1.2.2 车辆纵向动力学建模
　　　　　　1.2.3 驾驶员跟车行为特性
　　　　　　1.2.4 自适应巡航控制算法
　　　　1.3 本文研究内容
　　第二章 汽车自适应巡航控制系统体系架构设计
　　　　2.1 控制目标及需求分析
　　　　2.2 体系架构设计
　　　　2.3 本章小结
　　第三章 汽车自适应巡航系统纵向动力学建模
　　　　3.1 车辆纵向动力学建模
　　　　　　3.1.1 发动机建模
　　　　　　3.1.2 液力变矩器建模
　　　　　　3.1.3 变速器建模
　　　　　　3.1.4 车轮转动动力学建模
　　　　　　3.1.5 车辆纵向动力学建模
　　　　3.2 自适应巡航系统执行器建模
　　　　　　3.2.1 电子节气门建模
　　　　　　3.2.2 液压制动器建模
　　　　3.3 车辆纵向动力学模型仿真验证
　　　　　　3.3.1 基于Matlab/Simulink的车辆动力学仿真建模
　　　　　　3.3.2 仿真结果分析
　　　　3.4 本章小结
　　第四章 汽车自适应巡航系统控制策略研究
　　　　4.1 自适应巡航系统控制策略架构
　　　　4.2 自适应巡航系统上层控制器设计
　　　　　　4.2.1 PID定速巡航控制
　　　　　　4.2.2 LQR车距保持控制
　　　　4.3 自适应巡航系统下层控制器设计
　　　　　　4.3.1 车辆逆纵向动力学建模
　　　　　　4.3.2 自适应巡航系统下层控制器设计
　　　　4.4 本章小结
　　第五章汽车自适应巡航控制系统仿真验证
　　　　5.1 控制器设计和仿真工况设置
　　　　5.2 前车加速工况仿真验证
　　　　　　5.2.1 前车以小定加速度加速行驶工况
　　　　　　5.2.2 前车以大定加速度加速行驶工况
　　　　5.3 前车定减速工况仿真验证
　　　　　　5.3.1 前车以小定减速度制动工况
　　　　　　5.3.2 前车以大定减速度紧急制动工况
　　　　5.4 前车正弦加、减速工况仿真验证
　　　　　　5.4.1 前车速度以小正弦加减速工况
　　　　　　5.4.2 前车速度以大正弦加减速工况
　　　　5.5 本章小结
　　第六章 总结与展望
　　　　6.1 全文总结
　　　　6.2 不足与展望
　　致谢
　　参考文献

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