車輛網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用和車輛控制自由度的不斷提高，為車輛智能化技術(shù)應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。多種具備車載應(yīng)用條件的傳感器逐漸普及，為車輛智能化技術(shù)應(yīng)用提供了豐富的信息。在感知與執(zhí)行條件具備的前提下，開(kāi)展車輛決策與控制技術(shù)研究，使車輛智能化技術(shù)在車輛系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，突破傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和面臨的技術(shù)瓶頸，通過(guò)智能化技術(shù)提高車輛安全、節(jié)能、舒適等綜合性能，是目前汽車技術(shù)領(lǐng)域關(guān)鍵的研究和應(yīng)用方向。

自適應(yīng)巡航系統(tǒng)（Adaptive Cruise Control，ACC）在定速巡航系統(tǒng)（Cruise Control，CC）的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮安全性與舒適性，能夠緩解駕駛疲勞，具備廣闊的發(fā)展空間。如何合理決策安全跟車距離與安全跟車速度是 ACC 算法開(kāi)發(fā)的核心。

從實(shí)際駕駛特性出發(fā)，提出一種有效的計(jì)算安全跟車距離的算法，基于此開(kāi)發(fā)全速自適應(yīng)巡航系統(tǒng)，滿足跟起、跟停、跟車、巡航等各種自適應(yīng)巡航工況，滿足實(shí)際駕駛情況的穩(wěn)定性和舒適性。

1.ACC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理說(shuō)明

圖 1  ACC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

注： VCU 為 Vehicle Control Unit，整車控制器； ESC 為 Electronic Stability Controller ， 車 身 電 子 穩(wěn) 定 控 制 系 統(tǒng) ； BMS 為 Battery Management System，電池管理系統(tǒng)。

ACC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，是一種智能化自動(dòng)控制系統(tǒng)，是定速巡航控制系統(tǒng)的升級(jí)。其中，最大區(qū)別在于 ACC 以雷達(dá)、相機(jī)為傳感器，持續(xù)掃描車輛前方道路，探測(cè)前方障礙物的距離、速度，同時(shí)結(jié)合駕駛員意圖和自車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，決策安全跟車距離和安全跟車速度。當(dāng)與前車之間距離過(guò)小時(shí)，ACC 控制單元可以通過(guò)與制動(dòng)防抱死系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)動(dòng)作，使車輪適當(dāng)制動(dòng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率下降，使車輛與前方車輛始終保持安全距離。

2. 基于駕駛員跟車特性的自適應(yīng)巡航算法開(kāi)發(fā)

2.1 ACC 系統(tǒng)中安全跟車距離計(jì)算

圖 2  跟隨目標(biāo)信息檢測(cè)

ACC 系統(tǒng)通過(guò)獲得自車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（車速、加速度、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角）、駕駛員意圖（轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角、油門(mén)踏板開(kāi)度、制動(dòng)踏板開(kāi)度）等車輛內(nèi)部狀態(tài)信息，進(jìn)行車輛運(yùn)動(dòng)估計(jì)和駕駛員意圖估計(jì)，然后指導(dǎo)雷達(dá)、相機(jī)等傳感器進(jìn)行信號(hào)處理和信息融合，提高識(shí)別的準(zhǔn)確率和算法的運(yùn)算效率，確定有效的跟隨目標(biāo) 。確定有效目標(biāo)后，獲得跟隨目標(biāo)的距離、相對(duì)速度（相對(duì)自車）等信息，如圖 2 所示。

獲取目標(biāo)車相對(duì)自車的距離與相對(duì)速度后，實(shí)時(shí)判斷當(dāng)前的跟車距離是否安全，當(dāng)判定當(dāng)前的跟車距離小于安全跟車距離時(shí)，執(zhí)行減速控制；反之，當(dāng)判定當(dāng)前的跟車距離大于安全跟車距離并且當(dāng)前車速未達(dá)到設(shè)置的巡航車速時(shí)，執(zhí)行加速控制。可見(jiàn)，合理決策安全跟車距離在 ACC 系統(tǒng)算法中非常關(guān)鍵。

2.2 基于駕駛員實(shí)際跟車特性的安全跟車距離

目前，ACC 算法中多數(shù)是利用跟車時(shí)間間隙計(jì)算安全跟車距離，即：

式中，v 為自車的速度；T 為跟車時(shí)間間隙。

圖 3  駕駛員跟車數(shù)據(jù)

圖 3 為駕駛員跟車過(guò)程中記錄的一段數(shù)據(jù)，從圖中可以看出，在實(shí)際駕駛過(guò)程中，跟車距離不僅與自車車速相關(guān)，而且與目標(biāo)車輛的相對(duì)速度趨勢(shì)關(guān)系密切，所以，僅依據(jù)自車的速度決策跟車距離是不完善的，需要考慮駕駛員的跟車特性 [4]，提出一種新的充分考慮安全因素的決策安全跟車距離的算法。

根據(jù)加速度-位移公式：

可得，v_x 以減速度 a 從 v 減至 0，駛過(guò)的距離 s 與 v 滿足式（2）。

假設(shè)自車當(dāng)前的車速為 v_x，m/s，目標(biāo)車輛相對(duì)于自車的速度為 v_r，m/s，減速度常數(shù)為 a，m/s^2，自車從當(dāng)前位置以減速度 a 進(jìn)行制動(dòng)，所需要的制動(dòng)距離為：

式中，S_ego 為自車制動(dòng)距離，m。

目標(biāo)車輛從當(dāng)前位置以減速度 a 進(jìn)行制動(dòng)，所需要的制動(dòng)距離為：

式中，S_target 為目標(biāo)車輛的制動(dòng)距離，m。

如圖 4 所示，當(dāng)目標(biāo)車比自車慢，即 v_r < 0 時(shí)，若 2 車以同樣的減速度 a 同時(shí)開(kāi)始制動(dòng)，自車完全停止所需要的制動(dòng)距離比目標(biāo)車完全停止所需要的制動(dòng)距離長(zhǎng) S_Delta，即：

即當(dāng)目標(biāo)車輛開(kāi)始減速時(shí)，如果自車駕駛員能夠立即采取制動(dòng)措施，那么需要 2 車制動(dòng)前的距離不小于 S_Delta 才能保證 2 車剛好不相撞。在實(shí)際情況中，從前車開(kāi)始制動(dòng)到自車駕駛員開(kāi)始采取制動(dòng)措施之間，一定會(huì)存在一段時(shí)間間隔，定義這段時(shí)間為駕駛員的反應(yīng)時(shí)間 T_r [5]。同時(shí)，圖 4 中為一種剛好不碰撞的臨界狀態(tài)，為提高安全系數(shù)，應(yīng)該保證 2 車完全停止后，二者之間仍然存在一段距離，定義為停止距離 stopGap。

綜上，提出安全跟車距離公式為：

式（6）為考慮駕駛員特性的安全跟車距離與當(dāng)前自車車速、不同駕駛員反應(yīng)時(shí)間、自車與目標(biāo)車相對(duì)車速的關(guān)系。特定的駕駛員，其反應(yīng)時(shí)間可以作為其跟車特性指標(biāo)。根據(jù)式（6），特定駕駛員（T_r 為常數(shù)）所對(duì)應(yīng)的安全跟車距離如圖 5 所示。

圖 5  安全跟車距離與自車車速和相對(duì)車速的關(guān)系

由圖 5 看出，安全跟車距離與自車車速正相關(guān)，與相對(duì)車速負(fù)相關(guān)。

3. 基于駕駛特性的 ACC 系統(tǒng)仿真分析

圖 6  不同反應(yīng)時(shí)間下跟車距離與實(shí)際跟車距離對(duì)比

在實(shí)際駕駛過(guò)程中，將自車車速、目標(biāo)相對(duì)車速作為式（6）的輸入，設(shè)定不同駕駛特性，即可獲得安全跟車距離與駕駛員實(shí)際跟車距離之間的關(guān)系，如圖 6 所示，給出了駕駛員反應(yīng)時(shí)間為 0.7 s 和 1.2 s 時(shí)的曲線。從圖中可以看出，在接近前車、遠(yuǎn)離前車、隨前車啟動(dòng)和隨前車停止等工況下，式（6）的計(jì)算方法能夠比較好地與實(shí)際跟車距離貼合，并且通過(guò)駕駛特性參數(shù)的調(diào)整，能夠獲得不同特性的自適應(yīng)巡航特征。

圖 7  Simulink 環(huán)境下安全跟車距離模型

將安全跟車距離模型在 Simulink 環(huán)境下進(jìn)行搭建，并通過(guò)快速原型設(shè)備進(jìn)行實(shí)車測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)車輛的相對(duì)距離、相對(duì)速度以及自車的速度，根據(jù)式（6）實(shí)時(shí)計(jì)算安全跟車距離。Simulink 環(huán)境下的模型如圖 7 所示。

其中，停止距離 stopGap 為 7 m，駕駛員反應(yīng)時(shí)間 T_r 為 2 s，加速度常數(shù) a 為 1.5 m/s^2。

4. 基于駕駛特性的 ACC 系統(tǒng)實(shí)車測(cè)試

4.1 實(shí)車測(cè)試環(huán)境

圖 8  ACC 開(kāi)發(fā)平臺(tái)與測(cè)試場(chǎng)景

將安全距離計(jì)算方法集成到 ACC 模型中，并進(jìn)行實(shí)車測(cè)試，測(cè)試平臺(tái)和測(cè)試環(huán)境如圖 8 所示。通過(guò)快速原型方式將算法下載到 AutoBox 中，接入毫米波雷達(dá)獲取目標(biāo)距離、方位角、相對(duì)速度等障礙物信息，接入整車網(wǎng)絡(luò)獲取自車車速、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角等車輛狀態(tài)信息。通過(guò)制動(dòng)減速度、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩實(shí)現(xiàn)自車車速控制，從而保持安全距離。

4.2 實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)分析

圖 9  實(shí)車測(cè)試結(jié)果

圖 9 為基于圖 7 的安全跟車距離進(jìn)行自適應(yīng)巡航的實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，所提出的計(jì)算安全跟車距離的模型能夠?yàn)樽赃m應(yīng)巡航系統(tǒng)提供有效的控制目標(biāo)，并與車速控制系統(tǒng)形成合理的閉環(huán)，及時(shí)響應(yīng)速度與相對(duì)速度的變化，以此為依據(jù)進(jìn)行后續(xù)控制能夠?qū)⒆攒嚺c目標(biāo)車之間的距離保持在合理范圍內(nèi)。

5. 結(jié)論

分析跟車過(guò)程中的駕駛行為，結(jié)合前車運(yùn)動(dòng)、自車運(yùn)動(dòng)和駕駛員反應(yīng)時(shí)間計(jì)算實(shí)際跟車過(guò)程中的理論安全距離，通過(guò)與實(shí)際跟車測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)模型能夠較好地?cái)M合跟車過(guò)程，可用于自動(dòng)駕駛或者自適應(yīng)巡航系統(tǒng)的跟車距離決策，并且通過(guò)特征參數(shù)調(diào)整獲取不同駕駛/乘坐習(xí)慣，這使自適應(yīng)巡航系統(tǒng)更加符合駕駛員的跟車行為，帶來(lái)更好的舒適性。