基于Carsim的四驱电动汽车ACC控制算法仿真研究文献综述
2020-05-02 17:10:24
随着汽车产业的发展，人们对汽车产品的需求越来越高，对汽车的安全性和舒适性提出了更高的要求。汽车的安全性直接影响到交通道路的安全性，是设计汽车时不可忽略的一大性能，越来越能引起人们重视。根据公安部最新统计数据，截止2017年底，中国机动车保有量达到3.10亿辆，其中汽车2.17亿辆；机动车驾驶人达到3.85亿人，汽车驾驶人3.42亿人，我国依然是汽车保有量第一大国[1]。而根据国家安全监管局、交通运输部12月19日的最新研究报告显示，虽然近些年我国发生交通事故的次数在下降，但仍然造成了约6.3万人死亡，死亡人数位居世界第二位[2]。可见我国既是汽车保有量大国也是交通事故高发的国家，降低交通事故伤害仍然任重道远。
汽车保有量大直接带来的问题就是汽车排放引起的环境污染问题和能源危机。传统内燃机汽车的尾气中含有大量CO2、HC、NO、PM等有害气体[3]，是造成温室效应、雾霾的重要原因。2015年，习近平主席出席气候变化巴黎大会领导人活动开幕式并发表重要讲话，承诺在2030年减排65%，节能减排仍然是当前社会的迫切需要[4]。我国是汽车保有量大国，但不是汽车强国，必须积极推动新能源汽车发展，才能实现“弯道超车”，减少汽车行业对能源的消耗和环境的破坏。2018年“两会”期间，新能源车车辆购置税政策再延长三年，由此可见我国新能源汽车产业发展前景广阔，而纯电动汽车将凭借价格低、节能环保等优势从众多新能源车中脱颖而出，成为更多消费者的首选[5]。
因此，安全和环保应该作为我国汽车产业发展的两个趋势。伴随着互联网和大数据等技术概念的广泛应用，车载智能信息服务系统，智能辅助驾驶系统与自动驾驶系统将成为我国发展智能汽车的重要突破领域。
作为智能网联汽车初级阶段先进驾驶辅助技术的重要组成部分，自适应巡航控制系统（adaptive cruise control, ACC）是在传统定速巡航的基础上，增加了稳态跟车、紧急避撞、碰撞预警等功能的汽车主动安全技术，利用车载传感器探测车辆运行环境情况，结合驾驶员的驾驶特性，通过控制驱动系统和制动系统自动调整车速和车距，在提高驾驶员舒适性和安全性的同时，能够有效的提高道路运输能力[6]。因此研究针对四驱电动汽车的ACC控制策略及算法对于我国节能减排、缓解交通拥堵、降低交通事故发生率、提高驾驶员驾驶舒适度、推动新能源汽车的发展都具有重要的意义。
对于汽车ACC系统的研究，最早可以追溯至1960s由美国密歇根大学的专家提出，其目的是控制高速行驶车辆之间的车速和车距，并进行了一些理论研究，但由于传感器、控制器等限制并没有较大突破[7]。1980s之后，随着传感、控制、计算机技术的发展，包括美国、欧洲、日本在内的发达国家开始了对ACC的详细研究，1955年日本三菱公司推出了首款ACC系统，此后各汽车厂商纷纷效仿，相继推出自己的ACC系统[8]。进入21世纪，对于ACC系统的研发开始注重考虑燃油经济性、跟踪性能和驾驶员感受的多目标协调控制。此外ACC系统也在逐渐与其他控制系统进行整合，例如ACC与车道保持（Lane Keeping Assistance, LKA）相结合即可初步实现纵向与横向的特定工况下的自动驾驶。
目前对于ACC系统的研究主要集中在以下四个部分：环境感知、驾驶员行为特性、车辆动力学的建模、控制策略及算法，其中控制策略及算法是众多学者的研究重点[9]。清华大学的侯德藻设计了目标物信息提取、识别和跟踪算法[10]。采用四阶卡尔曼滤波理论处理雷达信号，并通过实车进行了验证，为ACC系统提供了更加可靠的目标信号。美国的V.Milancs等人提出了合作自适应巡航系统（CACC）[11]。通过添加车辆车载无线通信提供额外的信息以扩大范围传感器数据，获得更高的性能，不仅有助于减少交通事故，而且改善交通流量。浙江大学的罗莉华等人基于模型预测控制提出了一种能够模拟驾驶员行为的汽车双模式自适应巡航控制系统，利用模糊理论设计了两个模式的切换规则来模拟驾驶员的决策过程，通过仿真实验，证实了该双模式在保证安全性和舒适性的同时，有效反映了驾驶员的日常行驶习惯，有利于提高ACC系统的使用率[12]。意大利的M.Bichi等人，提出了随机模型预测控制（SMPC）。以串联式混合动力电动车辆为研究对象，建立确定性动态动力系统模型，将驾驶员行为作为影响车辆的动态随机系统，建立驾驶员行为模型用于预测领先的汽车动态和预测未来的功率请求，将SMPC应用于ACC，从而改善了动力系控制算法性能[13]。北京理工大学的裴晓飞等人提出一种新型双层控制器[14]，上层控制中采用一种基于驾驶员稳态跟车的线性跟车算法并结合可供选择的安全车距模型，下层则采用基于逆查询表的速度闭环控制策略，在此基础上增加模式切换层[15]，将车辆纵向运动状态划分为八种工况，使得系统根据实际工况条件选择最优的控制模式，获得了良好的控制效果。吴力军等人对传统的LQ算法进行了改进，建立了分别以车距控制和相对车速控制为目标的两种LQR模型，并根据两车的速度—位移关系的不同实现两种模型之间的切换，生成了更加符合驾驶员操作行为的ACC车辆控制目标[16]。
目前，ACC系统的不足主要有一下几点：功能单一，多为简单的定速巡航和车距保持，实际适用率较低；目前对于ACC系统控制策略和算法的研究多针对传统内燃机汽车；对道路条件要求较高，应对复杂路况的能力较差，适用的场景有限；控制系统的安全性、稳定性有待提高；对于外界的干扰，例如天气、信号灯等，抗干扰性差；只能在中高速工作，在城市路段适应性较差[17]。
针对我国社会节能减排的大背景和上述ACC系统存在的诸多问题，研究内容将围绕四驱电动汽车的ACC控制策略算法进行展开，基于Carsim软件对控制策略算法进行仿真验证，实现ACC系统在四驱电动汽车上的应用。
2. 研究的基本内容与方案
{title}2.1研究的基本内容与目标
基于四驱电动汽车，根据ACC的不同行驶工况，进行定速巡航、稳态跟车、紧急防撞等纵向动力学决策，在此基础上进行纵向动力学控制，包括转矩分配和转矩控制，提高车辆的跟车安全性和动力学稳定性。论文主要内容包括：
