第35卷第4期 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2016年4月 Vol.35 No.4 Journal of Liaoning Technical University（Natural Science） Apr. 2016 收稿日期：2014-12-25 基金项目：辽宁省教育厅项目（L2014240） 作者简介：陈学文（1974-），男，辽宁 锦州人，博士，副教授, 主要从事汽车系统动力学及控制方面的研究. 本文编校：焦丽 辽宁工程技术大学（自然科学版)网址：http://202.199.224.158/ http://xuebao.lntu.edu.cn/ 陈学文,刘伟川,祝东鑫.汽车巡航智能跟随控制与仿真[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2016,35(4):417-421. doi:10.11956/j.issn. 1008-0562.2016.04.016 CHEN Xuewen, LIU Weichuan, ZHU Dongxin Intelligent following control and simulation using Matlab/Simulink for automobile cruise system[J].Journal of Liaoning Technical University(Natural Science,)2016,35(4):417-421. doi:10.11956/j.issn.1008-0562. 2016.04.016 汽车巡航智能跟随控制与仿真 陈学文，刘伟川，祝东鑫 （辽宁工业大学 汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001） 摘 要：为提高汽车行驶的主动安全性及缓解司机驾驭汽车的疲劳感，提出了汽车巡航智能跟随控制方法.应用模糊控制理论，以前车和巡航车间理论安全距离与实际相对距离偏差及两车速度偏差作为控制变量，设计智能巡航模糊逻辑控制器，将油门开度或制动踏板行程作为控制器输出变量，实现汽车巡航的智能跟随控制.利用Matlab/Simulink针对智能跟随控制功能实施了仿真验证，结果表明：设计的智能巡航模糊控制器能够有效地跟随前方车辆行驶并始终保持两车间的安全距离，说明该控制器具备较强的鲁棒性. 关键词：智能跟随控制；油门开度；制动踏板行程；安全距离；鲁棒性 中图分类号：U 491.6 文献标志码：A 文章编号：1008-0562(2016)04-0417-05 Intelligent following control and simulation for automobile cruise system CHEN Xuewen, LIU Weichuan, ZHU Dongxin (College of Automobile and Traffic Engineering, Liaoning University of technology, Jinzhou 121001, China) Abstract: In order to alleviate the driving fatigue and increase automobile active safety, an intelligent following control method on automobile cruise system is proposed. Adopting the fuzzy control theory, an intelligent following control method of automobile cruise is put forward. Using the relative velocity and the deviation of safe distance and relative distance between the preceding car and the cruise vehicle as the input variable of the fuzzy logic controller, the throttle position or the braking pedal travel is obtained based on fuzzy control rules. Using MATLAB/Simulink, the control function on the intelligent following control is simulated and the results show that the controller on automobile intelligent cruise has good robustness and can follow automatically the preceding car on the conditions of keeping the safety distance. Key words: intelligent following control; throttle opening; braking pedal travel; safety distance; robustness 0 引言 近年来，各大城市交通拥堵现象日益严重，交通事故率也随之不断上升，严重影响了人们的出行环境与生命安全.汽车主动巡航控制不仅可以提高汽车行驶的主动安全性，而且还可以大大改善或缓解司机驾驭汽车的疲劳感.国外关于ACC系统的研究主要集中在车载信息融合、ACC系统控制策略的选取及ACC产品的研制与开发等几个方面[1-5]，其中，控制策略的优劣是实现ACC系统功能及其实用化的关键.但早期ACC控制策略的研究主要是针对高速公路上高速行驶的车辆，不适合城市道路环境下车流速度较低且密度较大的情况下使用.为此，研究人员基于ACC提出了走-停巡航控制策略[3-4]，主要适用于频繁起步或停车的情形，但还不能完全适用于复杂的城市道路环境.除上述控制理论外，一些智能理论（比如：模糊控制、神经网络及模型匹配等）方法也被应用于ACC控制算法的建立上，中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第35卷 辽宁工程技术大学（自然科学版)网址：http://202.199.224.158/ http://xuebao.lntu.edu.cn/ 418 但集多功能于一体的模糊智能控制算法仍有待进行更深入地研究.国内关于ACC的研究，主要集中在一些高等院校和科研机构等.比如：清华大学针对ACC控制模式的切换策略进行了深入研究[5].北京理工大学，以CCS系统研究为基础，针对ACC系统的切换模式进行了研究，提出了巡航控制的分层控制方法[6].吉林大学建立了车辆动力学系统的预瞄加速度模型，实现定速巡航功能，同时针对走—停巡航控制也做了相应的研究，取得了一些阶段性的研究成果[7].浙江大学考虑驾驶员特性针对ACC控制算法及其控制模式的切换进行了深入研究[8].纵观国内外关于汽车巡航控制的研究现状及其进展，虽然汽车ACC系统已得到了较充分的发展，但在某些方面还有待加强，比如：智能巡航控制算法的研究及系统研制仍有待进行更深入地研究，尤其是开发具有集成控制功能的巡航策略及其产品.本文采用模糊控制理论，以节气门开度或制动踏板行程作为控制器的控制目标，自动调节巡航车速以实现在安全距离内智能跟随前车，利用Simulink验证巡航系统智能跟随控制功能. 1 汽车智能跟随控制 1.1 智能跟随模糊控制原理 图1为汽车巡航模糊控制原理.其中，智能巡航模糊逻辑控制器以距离偏差RD（即前车与巡航车之间的安全距离Sa与两车之间的相对距离Sr差）与速度偏差RV（即前车实际车速Vp与巡航车实际车速Vh之差）作为输入变量，将节气门开度或制动踏板行程作为输出量.然后再将得到的精确输出量反馈于汽车纵向控制系统，获得巡航车实际车速并通过自车传感器反馈该控制量，进一步结合理论安全距离与实测车距的偏差计算，实现系统闭环控制. 1.2 智能跟随模糊控制器设计 （1）输入与输出变量的选取与模糊化 选用RD与RV为控制器的输入量，根据模糊控制规则，确定的模糊输出变量u.对于RD、RV及u均选择五个模糊子集，即负大（NB），负中(NM)，零(ZO)，正中(PM)，正大(PB).RD、RV与u的论域分别为[-35, 35]、[-13, 13]与[-100, 100]，其隶属度函数选用三角型，见图2（RV与u图略）. 图1 汽车巡航模糊控制原理 Fig.1 fuzzy control principle of automobile intelligent cruise system 图2 距离偏差的隶属度函数 Fig.2 membership function of the relative distance （2）模糊控制规则 模糊控制规则是用模糊语言描述控制器输入变量（RD与RV）与输出变量u之间的关系.本文设计的模糊控制规则，见表1. 表1 模糊控制规则 Tab.1 fuzzy control rule RV u NB NM ZO PM PB NB ZO PM PM PM PB NM NM ZO PM PM PM ZO NB NM ZO ZO PM PM NB NM NM ZO PM RD PB NB NM NM NM ZO （3）输出变量的解模糊化 对于输出变量的解模糊化，即确定输出变量的精确值，本文采用重心法对输出变量进行了反模糊化计算. 1.3 汽车巡航系统动力学建模 由图1得知，若要实现巡航控制需要建立汽车巡航系统动力学模型.该模型主要包括发动机模型、传动系统模型（含液力变矩器、自动变速器、驱动桥（主减速器和差速器））及制动系统模型几部分.首先应针对各动力学总成单独建模，然后利用力矩与转速传递关系连接各总成，形成整体的汽车纵向动力学系统模型（图3），由模型最终可获得巡航车的实际车速，具体建模过程可参见笔者前期的研究工作[10]. 距离偏差/m 隶属度 NMNBZO PM PB1 0.5 0 -30-20-100 10 3020制动踏板行程 节气门开度 智能巡航 模糊逻辑 控制器 偏差计算汽车纵向控制系统车速传感器 实际 车速 00≺kut kub ks kv u SrSavpvh中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第4期 陈学文，等：汽车巡航智能跟随控制与仿真 辽宁工程技术大学（自然科学版)网址：http://202.199.224.158/ http://xuebao.lntu.edu.cn/ 419 图3 汽车纵向动力学系统模型 Fig.3 module of vehicle longitude dynamics system 2 仿真 为验证本文提出的智能跟随控制的有效性，利用Matlab/Simulink进行了巡航控制的纵向系统动力学模块的设计，结合模糊控制器实现了巡航跟随功能的仿真验证. 根据车辆实际跟随情况，论文分别围绕跟随前方低速行驶车辆、跟随前方切入车辆典型工况进行了仿真.其中：跟随前方低速行驶车辆工况根据两车实际距离与理论安全距离的不同又分为两种情况，即：（1）初始时刻Vh>VP，且Sr>Sa；（2）初始时刻Vh>VP，且SrSa；②初始时刻VhVP，Sr>Sa仿真结果 Fig.4 simulation result on the condition of Vh>VP and Sr>Sa 图4与图5分别为巡航车跟随前方低速行驶车辆(Vh>VP)的仿真结果.从图4中可以看出，开始时刻两车之间的间距略微大于系统设定的理想安全距离，为了保险起见巡航车辆没有加速而是减速（1～3 s），但减速度并不大，巡航车辆车速还是大于前面行驶车辆车速，两车之间的实际间距在减小，当其间距在逐渐接近理想安全距离过程中，减速在保持但强度在逐渐减小（3～8 s），两车之间的间距与理想安全距离的差值越来越小，最后巡航车辆行驶车速接近于前面行驶车辆车速，同时两车之间的间距逐步缩小到系统设定的理想安全距离.由图5可见，当两车初始间距小于理想安全距离时，两车间的跟随行驶存在着安全隐患，此时系统会控制巡航车立即减速，迅速拉大两车间距以提高两车跟随行驶的安全性.当两车间距大到一定程度时，巡航车辆有一个短暂加速过程以缩短两车之间的间距并始终保持安全距离，经反复调整（4～10 s）使巡航车车速趋于前车车速.也就是说，当巡航车辆在行驶过程中存在安全隐患时，巡航系统则通过节气门与制动踏板联合动作，使巡航车辆避开可能出现的危险状况，实现巡航车安全跟随行驶的目的. 地面阻力矩附加 阻力矩 制动踏板行程 电控 发动机 液力 变矩器 机械自动 变速器 行驶 系统 制动 系统 泵T涡T传T发n涡n变n节θ车v制动T（b）前车与巡航车距离对比结果（c）踏板行程变化 （a）前车与巡航车速度对比结果（d）节气门开度变化 0102030 401416182022时间t/s Vh速度v/(km·h-1) Vp中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第35卷 辽宁工程技术大学（自然科学版)网址：http://202.199.224.158/ http://xuebao.lntu.edu.cn/ 420 010203040121314151617距离/m时间t/sSrSa 图6与图7分别为巡航车跟随前方切入车辆工况 (VhSa仿真结果 Fig.6 simulation result on the condition of VhSa （a）前车与巡航车速度对比结果 （b）前车与巡航车距离对比结果 （c）踏板行程变化 （d）节气门开度变化 （a）前车与巡航车速度对比结果（b）前车与巡航车距离对比结果（c）踏板行程变化 （d）节气门开度变化 （a）前车与巡航车速度对比结果 图5 跟随工况Vh>VP，SrVP and Sr

第4期 陈学文，等：汽车巡航智能跟随控制与仿真 辽宁工程技术大学（自然科学版)网址：http://202.199.224.158/ http://xuebao.lntu.edu.cn/ 421 01020304051015202530时间t/s 节气门开度变化×100% 图7 前车切入工况Vh