基于模糊控制的车辆自适应巡航研究及仿真

陈荣章,张靓超

（同济大学汽车学院,上海 201804）

基于模糊控制的车辆自适应巡航研究及仿真

陈荣章,张靓超

（同济大学汽车学院,上海 201804）

设计了一种基于模糊控制理论的车辆自适应巡航双输入单输出控制器，系统综合考虑了自车与前车之间的车距、车速、加速度等因素，并利用遗传算法优化模糊控制隶属度函数与控制规则。在此基础上，通过simulink进行仿真，仿真结果表明，本文设计的系统能有效进行速度与车距控制，且驾乘性能良好。

自适应巡航;模糊控制;遗传算法

0 引言

近年来，中国已成为全球最大的汽车产销国，而随着汽车保有量的增加，道路拥挤，交通事故频发等问题也日益突出，汽车的安全性正日益受到汽车厂商和消费者的关注。

自适应巡航控制（简称ACC）系统是在定速巡航控制（简称CC）系统的基础上研发的新一代汽车主动安全辅助驾驶系统[1]。ACC系统不仅继承了CC系统的功能，还能够根据车辆当前行驶状况与道路环境变化，实时控制自车与前车之间的相对车距和相对速度以匹配车流[2]，有效地减轻了驾驶员在驾驶过程中的操作负担，提高了道路的交通流量，改善了车辆行驶的舒适性和主动安全性。

ACC系统非常实用，且有着广阔的市场前景，但是目前市场上的ACC产品主要由国外厂商研制生产，国内对相关技术研发比较滞后，因此进行有关于ACC系统的研究是很有必要的。

1 基于模糊控制的ACC设计

本文设计的ACC系统采用分层控制，上层控制器采用模糊控制，将自车与前车的车速、车距等信息作为输入，由模糊控制器换算出期望加速度。下层控制器将该期望加速度作为输入，结合下层车辆动力学系统进行节气门开度和制动压力控制，使汽车的实际加速度达到期望加速度[3]。同时，系统主要适用于车辆在高速及一级公路行驶路况，速度限制60～120km/h，根据相关国家标准[4],将最大减速度设置为-3m/ s2，最大加速度设置为2m/s2。

根据文献[5]的研究，同一车道中前后两车行进时，若自车速度大于前车速度，则自车减速至与前车速度相等时，自车不会追尾前车。基于车辆制动过程模型，以两车行进中的临界安全车距作为理论安全车距：

其中： t1为驾驶员反映及制动协调时间，取t1=1.15s； t2为制动力增加时间，取t2=0.5s；L为两车安全停车距离，取L=5m

其中以ITAE（误差绝对值时间积分）指标的最小值作为目标函数。3）选择算子：采用文献[1]改进的选择算子，在第N代种群中，计算每个个体的适应度大小，并降序排序，前5%为A类，中间90%为B类，后5%为C类。将A类个体替代C类个体，则种群组成为2份A类+1份B类。该2份A类个体不通过交叉、变异操作直接复制到N+1代种群，B类个体进行交叉、变异操作后，遗传至N+1代种群。4）交叉算子：对于前9位隶属函数编码，采用“算数交叉法”，对于后49位模糊控制规则编码，采用“均匀两点交叉法”[2]。5）变异算子于前9位隶属函数编码，随机选取其中某个基因，允许其在原值0.8～1.2倍范围之内变异为新值。对于后49位是模糊控制规则编码，为避免发生不合理的大跳跃，允许某一基因在{-1,1}范围内变异。6）遗传算法参数设置：种群规模设为20，交叉概率设为0.9，变异概率设为0.2。

（3）运用模糊控制规则进行模糊推理得到模糊输出q，并通过对q反模糊化得到精确输出Q。至此，ACC系统的模糊控制器设计完成，下层连接Carsim软件B-Class车型完成整体设计并进行仿真。

2 仿真实验

工况：0秒时刻，自车从静止状态起步，设定CC速度为100km/h，50秒时，前方80米处，前车以80km/h切入自车车道，并 匀速行驶；100秒时，前车加速，经过5秒，前车加速至90km/h，并保持匀速行驶；130秒时，前车加速，经过5秒，前车加速至110km/h。仿真结果如下：

2.1 模糊控制器隶属度函数及控制规则结果参见图2

2.2 自适应巡航车距、速度效果参见图3

2.3 自适应巡航车辆节气门开度和制动压力控制效果参见图4

从仿真结果显示，当50秒前车以车速80km/h在自车前方80米处切入时，理论安全车距应该为90米，因此自车在50秒时立即从CC状态切换至ACC状态，并且立即施加了较大的减速度，从节气门控制切换为了制动控制；随后自车减速度逐渐减小，两车相对速度趋于0，自车保持跟车状态。

当100秒时起前车加速升至90km/h，自车通过增大节气门开度，开始加速，在短短几秒内，达到了跟车效果。

当130秒时，前车加速至110km/h，自车通过增大节气门，开始加速，当132.5秒后时，前车速度提升至100km/h以上，前车速度超过自车最初设定的CC车速，自车从ACC状态切换至CC状态，此后，两车距离越拉越大。

3 结束语

通过理论设计和系统仿真，验证了本文设计的ACC系统控制效果良好，模糊控制非常适用于ACC这类结构复杂的非线性控制系统，有一定的工程应用参考价值。因诸多外在条件因素受限，本文仍有许多尚待进一步研究的不足之处，仿真工况也不是很全面，仍有待进一步探索其他工况下的系统性能。由于受实验设备的限制，仅通过计算机仿真技术，对系统的有效性进行了论证，并未进行系统的硬件设计与实车试验，离实用化仍然有很大差距。希望在今后的工作中能进一步完善与深入研究。

[1]王景武，金立胜.车辆自适应巡航控制系统控制技术发展[J].汽车技术，2004(07).

[2]李朋.魏民祥,侯晓利.自适应巡航控制系统的建模与联合仿真[J].汽车工程,2012(07).

[3]赵秀春,徐国凯.基于模糊控制的车辆自适应巡航系统设计[J].大连民族学院学报,2013(05).

[4]中华人民共和国国家标准：智能运输系统.自适应巡航控制系统性能要求与检测方法(GB/T 20608-2006).

[5]钟勇,姚剑峰.行进中车辆临界安全车距的探讨[J].湖南大学学报,2001(12).

[6]董妍汝.基于选择算子的遗传算法改进[D].山西大学,2013.

[7]李书全，孙雪,孙德辉.遗传算法中的交叉算子的述评[J].计算机工程与应用,2012(48).

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.22.182

陈荣章（1965-），男，副教授，研究方向：汽车后市场营销。