隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，自適應(yīng)巡航控制 （Adaptive Cruise Control，ACC）應(yīng)用可在一定程度上減少駕駛員的駕駛強(qiáng)度，是車輛輔助駕駛技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。自適應(yīng)巡航由傳統(tǒng)的定速巡航演變而來(lái)，利用多傳感器感知周圍環(huán)境信息，收集和傳輸自車及前方車輛的行駛狀態(tài)信息。根據(jù)不同的行駛環(huán)境選擇不同的控制策略，通過(guò)相應(yīng)的策略對(duì)自車行駛狀態(tài)參數(shù)做出調(diào)整，最大程度上避免駕駛疲勞、保證安全性和通行效率。本文對(duì)prescan中的ACC demo模型算法邏輯進(jìn)行分析討論。

 ACC系統(tǒng)工作原理

ACC系統(tǒng)工作原理如圖1所示，駕駛員啟動(dòng)系統(tǒng)后，汽車在行駛過(guò)程中，安裝在其前部的兩個(gè)雷達(dá)傳感器（一個(gè)長(zhǎng)距一個(gè)廣角）持續(xù)掃描前方道路，其中傳感器1的掃描范圍是距離150m，視場(chǎng)角9°角，傳感器2的掃描范圍是距離30m，視場(chǎng)角80°。直道和彎道兩個(gè)傳感器都進(jìn)行掃描，采集行車環(huán)境信息，根據(jù)行車環(huán)境進(jìn)行直、彎車道判別后，ACC控制模塊開始作用，若主車前方內(nèi)有車輛或前方目標(biāo)車輛距離很遠(yuǎn)且速度很快時(shí)，ACC系統(tǒng)選定巡航控制模式，系統(tǒng)根據(jù)駕駛員設(shè)定的車速和轉(zhuǎn)速傳感器采集的本車車速，自動(dòng)調(diào)節(jié)油門控制器、制動(dòng)控制器等，使主車以設(shè)定的車速巡航行駛。若目標(biāo)車輛存在且離主車較近或速度很慢，ACC系統(tǒng)選定跟隨控制模式。系統(tǒng)根據(jù)駕駛員設(shè)定的安全車距和轉(zhuǎn)速傳感器采集的車速計(jì)算出期望車距，并與測(cè)距傳感器采集的實(shí)際車距比較，自動(dòng)調(diào)節(jié)油門控制器、制動(dòng)控制器等，使主車以安全車距穩(wěn)定地跟蹤前方目標(biāo)車輛行駛。

圖1 ACC系統(tǒng)工作原理

ACC軟件框架

圖2 ACC系統(tǒng)軟件組成框圖

TIS1 Straight/Bend Road（以第一個(gè)傳感器為例，傳感器2同理）。直道和彎道的目標(biāo)篩選策略分別如圖3和圖4所示。

圖3 TIS1 Straight Road

圖4 TIS1 Bend Road

這個(gè)模塊的作用是：1）處理從傳感器1采集到的數(shù)據(jù)；2）計(jì)算實(shí)際車頭時(shí)距；3）判斷檢測(cè)目標(biāo)是否位于本車道以及該車間距離是否會(huì)有危險(xiǎn)；4）輸出與前車的距離，計(jì)算本車應(yīng)保持的車速和安全距離。

2.1 同車道目標(biāo)判別（Objects On Lane）

車輛開啟ACC功能后，主車僅需針對(duì)同車道的前車狀態(tài)采取不同措施，其余車道的車輛不影響。故需進(jìn)行車輛同車道目標(biāo)判別。前車與主車的橫向距離為D，當(dāng)其值不超過(guò)特定數(shù)值D0時(shí)，即認(rèn)為兩車為同一車道。一般設(shè)定D0為二分之一單車道寬度。當(dāng)車輛直道行駛時(shí)，按照?qǐng)D5所示，其中a為前車與主車傳感器的距離。

圖5 本車傳感器與前車1

D=asinθ為主車與前車橫向距離，與二分之一單車道寬度作比較，若小于，則兩車在同一車道上，并輸出前車相對(duì)于主車?yán)走_(dá)傳感器的多普勒相對(duì)速度和垂向距離，即acosθ；反之，則表示兩車不在同一車道上，多普勒速度輸出為0以及距離輸出傳感器檢測(cè)的最大范圍距離。Simulink模型如圖6所示。

圖6 直道同車道判別

當(dāng)車輛彎道行駛時(shí)，如圖7所示，其中d為前車與主車傳感器的距離，L1為主車行駛半徑。

圖7 本車傳感器與前車2

已知主車的速度Ve以及主車的橫擺角速度we可求得L1為：

主車的橫擺角

兩車的橫向距離

將橫行距離D與二分之一車道寬度比較，若D小于半個(gè)車道寬度，則表示兩車在同一車道上，輸出傳感器1檢測(cè)到的前車與主車的距離、前車相對(duì)于主車?yán)走_(dá)傳感器的多普勒速度以及方位角θ；反之，則兩車不在同一車道，距離輸出傳感器檢測(cè)的最大距離、多普勒速度以及方位角輸出為0。Simulink模型如圖8所示。

圖8 彎道同車道判別

2.2 實(shí)際的車頭時(shí)距（HWT）計(jì)算（HWT Computing）

車頭時(shí)距HWT是指同一車道行駛的車輛隊(duì)列中兩輛連續(xù)通過(guò)的車輛通過(guò)某一斷面的時(shí)間間隔。當(dāng)主車的速度為Ve時(shí)，實(shí)際車頭時(shí)距的計(jì)算公式為HWT=d/Ve，其中d為主車與前車的距離。Simulink模型如圖9所示。

圖9 HWT計(jì)算模型

2.3 前車縱向速度計(jì)算（Lead car longitudinal Velocity）

這個(gè)模塊的功能為計(jì)算前車的絕對(duì)速度以及兩車間的安全距離。在直道行駛過(guò)程中，當(dāng)前車相對(duì)于主車?yán)走_(dá)傳感器的多普勒速度Vr不等于0時(shí)，輸出前車的速度Vl=Ve+Vr,其中Ve為主車的速度。安全的前車速度

其中Ds為當(dāng)前車靜止時(shí)，兩車應(yīng)保持的距離，

為要求行車間隔時(shí)間。將Vl與Vs作比較，若

，則安全距離輸出為

；反之，則輸出為安全距離

。Simulink模型如圖10所示。

圖10 直道縱向速度計(jì)算模型

在彎道行駛過(guò)程中，前車相對(duì)于主車?yán)走_(dá)傳感器的徑向相對(duì)速度為

，當(dāng)傳感器1檢測(cè)到的距離小于傳感器1能檢測(cè)到的最遠(yuǎn)距離，則輸出前車徑向速度為

。安全的前車速度為

將Vl與Vs作比較，若

，則安全距離輸出為

；反之，則輸出為安全距離

Simulink模型如圖11所示。

圖11 彎道縱向速度計(jì)算模型

2.4 直道彎道判別（Switching TIS）

直道行駛時(shí)車輛橫擺角速度，與彎道行駛時(shí)車輛橫擺角速度不同，故依據(jù)橫擺角速度判定車輛是在直道行駛或彎道行駛。設(shè)置橫擺角速度臨界值，當(dāng)角度超過(guò)該臨界值，則認(rèn)為車輛在彎道行駛，否則為直道行駛。Simulink模型如圖12所示。不足之處在于橫擺角速度

若在主車速度很大的情況下，即使曲率很小，即在直道上行駛時(shí)，也依舊會(huì)判斷成在彎道上行駛，因此，解決方案是加一個(gè)速度比較模塊或是直接比較曲率。在實(shí)際應(yīng)用中，也需要對(duì)該模塊進(jìn)行重點(diǎn)調(diào)整。

圖12 直彎道判別模型

2.5  ACC系統(tǒng)控制模式（ACC Action）

當(dāng)ACC系統(tǒng)開啟后，主車依據(jù)前車車況可分情況進(jìn)行控制，基于傳感器1的ACC系統(tǒng)控制模式（TIS1 ACC Action）詳見表1所示：

表1 ACC控制工況說(shuō)明

注：本文執(zhí)行策略中的加速、制動(dòng)表示在車輛本身加速力及制動(dòng)力上的疊加值。 前車行駛距離是指要求的車頭時(shí)距時(shí)間內(nèi)前車能行駛的距離。

1）ACC系統(tǒng)控制模塊整體模型如圖13所示，將傳感器1檢測(cè)到的實(shí)際車頭時(shí)距與要求車頭時(shí)距作比較。

圖13 TIS1 ACC控制模塊

當(dāng)車頭時(shí)距大于等于要求車頭時(shí)距時(shí)，比較主車與前車的速度，simulink模型如圖14所示。

圖14 車速比較模型

當(dāng)主車車速小于等于前車車速，則主車執(zhí)行加速策略，模型圖15所示。e為兩車距離信號(hào)，其通過(guò)PID調(diào)節(jié)得到應(yīng)有的加速應(yīng)力，該值大于等于0，則其為ACC系統(tǒng)的油門開度（throttle[%]），否則為原車ECU規(guī)定的油門開度（th_in）。

圖15 加速控制模型1

加速時(shí)的油門開度通過(guò)調(diào)節(jié)PID參數(shù)更改，模型如圖16所示。

圖16 PID模型1

2）當(dāng)主車車速大于前車車速時(shí)，比較兩車的實(shí)際速度差值和設(shè)定兩車的速度差值進(jìn)行控制，模型如圖17所示。

圖17 速度差值比較模型

當(dāng)兩車實(shí)際速度差值大于設(shè)定的速度差值時(shí)，則主車執(zhí)行減速策略。此狀態(tài)，前車與本車的速度差相差較大，無(wú)需考慮前車速度，本車制動(dòng)的減加速度值由兩車相對(duì)速度及距離推算出，模型如圖18所示。

圖18 制動(dòng)控制模型1

3）當(dāng)兩車實(shí)際速度差值小于等于設(shè)定的速度差值時(shí)，則需再比較實(shí)際車距和前車行駛距離，如圖19所示。

圖19 實(shí)際車距和前車行駛距離比較模型

當(dāng)實(shí)際車距大于前車行駛距離，主車執(zhí)行加速策略，這個(gè)狀態(tài)下的加速控制模型與加速控制模型1（圖15）基本相同，其區(qū)別在于最小加速應(yīng)力為0。模型如圖20所示。

圖20 加速控制模型2

4）當(dāng)實(shí)際車距小于等于前車行駛距離，主車執(zhí)行減速策略。主車需進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)減速度值與前車車速有關(guān)。LowSpeadActv為設(shè)置的前車截止車速，與前車車速進(jìn)行比較，當(dāng)前車車速值小于設(shè)置的截至車速時(shí)，減速度值（brake[m/s^2]）由兩車相對(duì)速度rd及距離e計(jì)算得到 （計(jì)算公式如下）；否則減速度值為0。模型如圖21所示。

圖21 制動(dòng)控制模型2

5）當(dāng)車頭時(shí)距大于要求車頭時(shí)距，主車車速小于等于前車車速時(shí)，主車保持原先的狀態(tài)。模型如圖22所示。

圖22 保持狀態(tài)模型

6）當(dāng)車頭時(shí)距大于要求車頭時(shí)距，主車車速大于前車車速，兩車速度差值大于設(shè)定速度差值時(shí)，主車執(zhí)行執(zhí)行以最大減加速度減速策略，模型如圖23所示。

圖23 制動(dòng)控制模型3

2.6 基于傳感器2的ACC系統(tǒng)控制模式（TIS2 ACC Action）

傳感器2是一個(gè)短距的廣角雷達(dá)，適用于短距的跟車控制，其整體控制策略建模如圖24所示。

圖24 TIS2 ACC控制模塊

傳感器2的ACC系統(tǒng)控制模式與傳感器1的一致，但在傳感器1的基礎(chǔ)上又增加了“stop&go”模式，這種控制模式是在很擁擠、緩慢前進(jìn)的路況情況下，將主車車速減速至0或者從車速為0開始提速。當(dāng)傳感器2的HWT模式開啟并且主車截止速度大于前車速度時(shí)，開啟“stop&go”模式，主車依據(jù)前車車況分情況進(jìn)行控制，詳見表2：

表2 stop&go控制工況說(shuō)明

7）當(dāng)實(shí)際車距大于安全距離時(shí)，比較兩車車速，當(dāng)主車車速大于前車車速時(shí)，執(zhí)行減速策略。如果傳感器2檢測(cè)到的車距大于前車靜止時(shí)應(yīng)保持的車距，則根據(jù)

計(jì)算出減加速度進(jìn)行減速，反之，輸出最大制動(dòng)力進(jìn)行減速。建模如圖25所示。

圖25 制動(dòng)控制模型3

8）當(dāng)主車車速小于等于前車車速，則主車執(zhí)行加速策略，模型圖26所示。e為兩車距離信號(hào)，其通過(guò)PID調(diào)節(jié)（如圖27所示）得到應(yīng)有的加速油門開度，最小油門開度為0。

圖26 加速控制模型3

圖27 PID模型2

9）當(dāng)實(shí)際車距小于等于安全距離時(shí)，則主車執(zhí)行減速策略。當(dāng)主車速度大于前車速度a時(shí)，減加速度通過(guò)

公式計(jì)算得出，反之輸出為0；再判斷前車速度，當(dāng)前車速度大于1時(shí)，輸出前一步所得的制動(dòng)壓力，反之輸出最大制動(dòng)壓力；最后對(duì)傳感器2檢測(cè)到的車距與前車靜止時(shí)應(yīng)保持的車距進(jìn)行比較，如果大于，則輸出前一步計(jì)算出的制動(dòng)壓力，反之輸出最大制動(dòng)壓力。建模如圖28所示。

圖28 制動(dòng)控制模型4

10）當(dāng)兩車相對(duì)速度小于等于0.1并且主車速度小于等于0.1時(shí)，輸出最大制動(dòng)壓力，反之則輸出之前所計(jì)算出的制動(dòng)壓力。建模如圖29所示。

圖29 制動(dòng)控制模型5

綜上，整體的“stop&go”控制策略模塊模型如圖30所示。

圖30 stop&go控制模塊

2.7  ACC有效性決策模型1（Limitations1）

當(dāng)ACC設(shè)置開關(guān)關(guān)閉或本車車速大于最高允許運(yùn)行速度或指示器開關(guān)打開時(shí)，ACC控制將失效，輸出主車原有油門開度、制動(dòng)壓力，輸出由ACC模式控制得出的油門開度、制動(dòng)壓力以及前車速度。模型如圖31所示。

圖31 ACC有效性決策模型1

2.8  ACC有效性決策模型2（Limitations2）

當(dāng)ACC模式啟動(dòng)或設(shè)置的前車截止速度大于前車速度時(shí)，則輸出在ACC模式控制下的油門開度、制動(dòng)壓力、計(jì)算得出的HWT、ACC_flag以及前車速度，否則應(yīng)力就輸出原車ECU的油門開度、制動(dòng)壓力；再判斷ACC設(shè)置開關(guān)是否打開，若打開，則將按照ACC控制的行駛狀態(tài)行駛，輸出上一步輸出的內(nèi)容，反之，車輛按照原有行駛狀態(tài)行駛，輸出原車ECU的油門開度、制動(dòng)壓力，ACC_flag、HWT、前車速度均輸出為0。模型如圖32所示。

圖32 ACC有效性決策模型2

以上，是prescan里的ACC simulink demo模型主要模塊的說(shuō)明，其主要功能邏輯是基于目標(biāo)篩選結(jié)果的多模式切換控制，對(duì)ACC控制算法開發(fā)有一定的啟發(fā)作用，但是部分功能模塊尚需進(jìn)一步完善。

simulink仿真結(jié)果

當(dāng)前車被傳感器檢測(cè)到并且進(jìn)入到HWT模式時(shí)，“Adaptive Cruise Control”框變紅，并且顯示前車速度，反之不顯示，右上角的“ACC OFF”也可以點(diǎn)擊進(jìn)行切換成“ACC ON”，手動(dòng)選擇是否開啟ACC模式。此外，還會(huì)顯示本車的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速以及油門和制動(dòng)踏板開度。如圖33所示。

圖33 simulink仿真結(jié)果1雷達(dá)輸出圖表會(huì)顯示車輛前端雷達(dá)的視角范圍，雷達(dá)檢測(cè)到的目標(biāo)車輛也會(huì)用藍(lán)色標(biāo)出，當(dāng)進(jìn)入HWT模式時(shí)，前車還會(huì)變紅色，如圖34所示。

圖34 simulink仿真結(jié)果2