一種具有多模式切換體系的汽車自適應(yīng)巡航系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及汽車駕駛員輔助系統(tǒng)，特別是一種具有十種控制模式，能夠適應(yīng)復(fù)雜 駕駛模式及典型駕駛員特性的汽車自適應(yīng)巡航系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為汽車駕駛員輔助系統(tǒng)中的典型代表，自適應(yīng)巡航系統(tǒng)（ACC)依靠車載信息傳 感器獲取前方道路交通信息，并基于道路目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)情況開(kāi)展相應(yīng)的車輛縱向自動(dòng)駕駛控 制，因此可以替代駕駛員的油門(mén)和剎車操作。迄今為止，ACC系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了三個(gè)發(fā)展階段：第 一階段，主要針對(duì)簡(jiǎn)單的高速公路環(huán)境，僅具備基本的維持安全車距與定速巡航功能。第二 階段，可將ACC的工作范圍擴(kuò)展到城市低速模式，具有自動(dòng)走停跟車的功能。第三階段，出 現(xiàn)了可同時(shí)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化的增強(qiáng)型ACC系統(tǒng)，性能上能兼顧安全性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性，并 開(kāi)始向電動(dòng)汽車上集成。
[0003] 但是，現(xiàn)有的ACC系統(tǒng)仍然局限于對(duì)汽車的縱向控制領(lǐng)域，當(dāng)汽車處于彎道模式、 換道輔助模式、并線模式時(shí)，ACC功能就會(huì)失效，這極大的影響了駕駛員對(duì)ACC技術(shù)的接受 度。因此，需要ACC系統(tǒng)不僅能適用于穩(wěn)態(tài)直線駕駛模式，對(duì)換道、彎道等瞬態(tài)模式也具有 一定的適應(yīng)性。
[0004] 為了提高ACC系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜行駛環(huán)境的魯棒性，不少學(xué)者嘗試用多模式切換的方法 來(lái)加以解決，取得了初步的效果。意大利Plito理工大學(xué)的CANALE等人根據(jù)前車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)， 將ACC定義為加速/勻速/減速三種模式，并在算法融入了駕駛員參考模型。美國(guó)密歇根 大學(xué)的Fancher應(yīng)用相對(duì)車距-相對(duì)車速關(guān)系將ACC模式劃分為三個(gè)區(qū)域，從而決定汽車 應(yīng)用哪種控制形式：速度控制/時(shí)距控制/避撞控制。清華大學(xué)的張德兆基于零期望加速 度曲線，將ACC分為定速巡航、車距保持、接近前車和超車等四種模式。瑞典沃爾沃公司定 義了 ACC的五種功能，分別是接近前車、追尾避撞、加速跟隨、減速跟隨和并線。韓國(guó)首爾國(guó) 立大學(xué)的K. Yi等人提出了一種具有換道支持功能的ACC系統(tǒng)，包含下列控制模式：穩(wěn)態(tài)跟 車、轉(zhuǎn)向避讓、轉(zhuǎn)向避讓+輕微制動(dòng)、緊急制動(dòng)。四種控制模式可以根據(jù)實(shí)際的車間運(yùn)動(dòng)關(guān) 系進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。
[0005] 延續(xù)這一思路，有必要基于多模式切換總體框架，對(duì)控制模式采取了進(jìn)一步細(xì)分， 提出了一種環(huán)境模式適應(yīng)性更好的ACC多模式控制方法，在有效減輕駕駛員工作強(qiáng)度的同 時(shí)，性能上同樣具有更全面、更智能、更協(xié)調(diào)、更實(shí)用的特點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種具有多模 式切換體系的汽車自適應(yīng)巡航系統(tǒng)，提高ACC系統(tǒng)在實(shí)際復(fù)雜形行駛件下的適應(yīng)性，特別 是朝汽車橫向運(yùn)動(dòng)與瞬態(tài)模式方面擴(kuò)展與突破。而如何在多模式分層框架下建立對(duì)應(yīng)的優(yōu) 化控制模式及其切換機(jī)制是解決ACC系統(tǒng)在復(fù)雜道路環(huán)境下適用性問(wèn)題的關(guān)鍵。
[0007] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：
[0008] -種具有多模式切換體系的汽車自適應(yīng)巡航系統(tǒng)，包括模式切換層、上層控制器、 下層控制器三層控制架構(gòu)，所述模式切換層用于綜合環(huán)境車輛、道路信息以及駕駛意圖，匹 配期望的控制模式，實(shí)現(xiàn)不同ACC控制模式之間的協(xié)調(diào)控制，所述上層控制器用于實(shí)現(xiàn)模 式切換層選擇的該種控制模式下的最優(yōu)控制策略，所述下層控制器用于通過(guò)控制汽車發(fā)動(dòng) 機(jī)節(jié)氣門(mén)和主動(dòng)制動(dòng)壓力來(lái)跟蹤上層控制器輸出的期望加速度。
[0009] 本發(fā)明還提供了一種上述汽車自適應(yīng)巡航系統(tǒng)的控制方法，包括如下步驟：
[0010] 1)首先，在模式切換層建立了車輛行駛模式劃分及模式切換機(jī)制，根據(jù)是否受到 駕駛員轉(zhuǎn)向操作的影響、是否受到道路形狀的影響、是否受到前車運(yùn)動(dòng)的影響以及受到的 是橫向/縱向運(yùn)動(dòng)的影響，對(duì)當(dāng)前汽車行駛模式進(jìn)行劃分，實(shí)現(xiàn)十種不同ACC控制模式的切 換，十種ACC控制模式分別為：定速巡航模式、穩(wěn)態(tài)跟車模式、接近前車模式、急加速模式、 強(qiáng)減速模式、彎道模式、換道輔助模式、避撞模式、并線模式、切出模式，其中，前兩種為穩(wěn)態(tài) 模式，后八種為瞬態(tài)模式；
[0011] 2)然后，在上層控制器中，實(shí)現(xiàn)模式切換層選擇的該種控制模式下的最優(yōu)控制策 略；
[0012] 3)最后，在下層控制器中，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)與主動(dòng)制動(dòng)壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)上層控 制器輸出的期望加速度大小。
[0013] 按上述方案，在兩種控制模式進(jìn)行切換的過(guò)程中，為了保證車輛加速度輸出的連 續(xù)性，在輸出期望加速度之前，對(duì)期望加速度采取加權(quán)平均進(jìn)行連續(xù)性處理，具體為：
[0014] aw-des= w 1 · aw-last+w2 · aw-next
[0015] 式中，aw last與aWMXt為現(xiàn)有控制模式和即將進(jìn)入的控制模式分別計(jì)算出的期望 加速度，aw des為上層控制器在兩種控制模式過(guò)渡區(qū)域內(nèi)的輸出量，w 1與W2為權(quán)重系數(shù)，且 Wl+W2= 1〇
[0016] 按上述方案，所述的定速巡航模式是基于車速的閉環(huán)控制，通過(guò)查詢加速節(jié)氣門(mén) 查詢表、勻速節(jié)氣門(mén)查詢表兩個(gè)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度表，輔以增量式PID控制校正，使得實(shí)際車速保 持在設(shè)定車速±lkm/h附近。
[0017] 按上述方案，所述的穩(wěn)態(tài)跟隨模式下的期望加速度的計(jì)算公式為：
[0018]
[0019] -0· 3 彡 ad(t)彡 0· 3m/s2
[0020] 式中，Rd⑴為期望車距，與駕駛員設(shè)定的期望時(shí)距大小有關(guān)；R(t)為相對(duì)車距； kf( ·)為加速度增益系數(shù)；Af為距離誤差與速度誤差的權(quán)重比；Vp為前車速度；V為自車車 速。
[0021] 按上述方案，所述的接近前車模式下的期望加速度的計(jì)算公式為：
[0022]
[0023] ad彡 _2m/s 2
[0024] 式中，ka為減速度增益系數(shù)；^為自車與前車的相對(duì)車速（其他參數(shù)意義同上）。
[0025] 按上述方案，所述的急加速模式下的期望加速度的計(jì)算公式為：
[0026] ad(t) = kg(v(t)) · (vp(t)-v(t))
[0027] ad(t)彡 I. 5m/s2
[0028] 式中，kg( ·)為該模式下的加速度增益系數(shù)；
[0029] 類似的，所述的強(qiáng)減速模式下的期望加速度的計(jì)算公式為：
[0030]
[0031] ad^_4m/s2
[0032] 式中，ks為減速度增益系數(shù)，反映了跟車危險(xiǎn)程度與減速?gòu)?qiáng)度之間的關(guān)系；R min為 避撞模式與強(qiáng)減速模式下的最小避撞距離，最小避撞距離的計(jì)算公式為：
[0033]
[0034] 式中，&為駕駛員避撞反應(yīng)時(shí)間；&_為當(dāng)前路面附著條件下能提供的最大制動(dòng)減 速度；
[0035] 所述的避撞模式下期望縱向加速度的計(jì)算公式為：
[0036] ad =amax
[0037] 一旦相對(duì)車距小于最小避撞距離，會(huì)立即進(jìn)入避撞模式，汽車以最大減速度amax進(jìn) 行緊急制動(dòng)直至剎停（同時(shí)ABS在必要條件下介入防止車輪抱死）。
[0038] 按上述方案，所述的彎道模式下期望縱向加速度的計(jì)算公式為：
[0039]
[0040] 式中，ad為汽車側(cè)向加速度，K xy、Txy分別為縱橫向耦合系數(shù)與延遲時(shí)間。
[0041] 按上述方案，所述的換道輔助模式下自車與目標(biāo)車道前后車輛在預(yù)測(cè)時(shí)間內(nèi)的位 置間距應(yīng)該滿足以下關(guān)系式：
[0042] (Xi (t) -x0 (t))2+ (Yi (t) -y〇 (t))2 R min
[0043] 式中，（?, %)與（Xi，yi)分別是自車與目標(biāo)車輛在大地坐標(biāo)系下預(yù)測(cè)時(shí)刻的絕對(duì) 坐標(biāo)位置。
[0044] 按上述方案，所述的并線模式是根據(jù)旁車道車輛相對(duì)