一种具有多模式切换体系的汽车自适应巡航系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及汽车驾驶员辅助系统，特别是一种具有十种控制模式，能够适应复杂 驾驶模式及典型驾驶员特性的汽车自适应巡航系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 作为汽车驾驶员辅助系统中的典型代表，自适应巡航系统（ACC)依靠车载信息传 感器获取前方道路交通信息，并基于道路目标的运动情况开展相应的车辆纵向自动驾驶控 制，因此可以替代驾驶员的油门和刹车操作。迄今为止，ACC系统经过了三个发展阶段：第 一阶段，主要针对简单的高速公路环境，仅具备基本的维持安全车距与定速巡航功能。第二 阶段，可将ACC的工作范围扩展到城市低速模式，具有自动走停跟车的功能。第三阶段，出 现了可同时进行多目标优化的增强型ACC系统，性能上能兼顾安全性、经济性和舒适性，并 开始向电动汽车上集成。
[0003] 但是，现有的ACC系统仍然局限于对汽车的纵向控制领域，当汽车处于弯道模式、 换道辅助模式、并线模式时，ACC功能就会失效，这极大的影响了驾驶员对ACC技术的接受 度。因此，需要ACC系统不仅能适用于稳态直线驾驶模式，对换道、弯道等瞬态模式也具有 一定的适应性。
[0004] 为了提高ACC系统对复杂行驶环境的鲁棒性，不少学者尝试用多模式切换的方法 来加以解决，取得了初步的效果。意大利Plito理工大学的CANALE等人根据前车运动状态， 将ACC定义为加速/匀速/减速三种模式，并在算法融入了驾驶员参考模型。美国密歇根 大学的Fancher应用相对车距-相对车速关系将ACC模式划分为三个区域，从而决定汽车 应用哪种控制形式：速度控制/时距控制/避撞控制。清华大学的张德兆基于零期望加速 度曲线，将ACC分为定速巡航、车距保持、接近前车和超车等四种模式。瑞典沃尔沃公司定 义了 ACC的五种功能，分别是接近前车、追尾避撞、加速跟随、减速跟随和并线。韩国首尔国 立大学的K. Yi等人提出了一种具有换道支持功能的ACC系统，包含下列控制模式：稳态跟 车、转向避让、转向避让+轻微制动、紧急制动。四种控制模式可以根据实际的车间运动关 系进行相互转换。
[0005] 延续这一思路，有必要基于多模式切换总体框架，对控制模式采取了进一步细分， 提出了一种环境模式适应性更好的ACC多模式控制方法，在有效减轻驾驶员工作强度的同 时，性能上同样具有更全面、更智能、更协调、更实用的特点。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不足，提供一种具有多模 式切换体系的汽车自适应巡航系统，提高ACC系统在实际复杂形行驶件下的适应性，特别 是朝汽车横向运动与瞬态模式方面扩展与突破。而如何在多模式分层框架下建立对应的优 化控制模式及其切换机制是解决ACC系统在复杂道路环境下适用性问题的关键。
[0007] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
[0008] -种具有多模式切换体系的汽车自适应巡航系统，包括模式切换层、上层控制器、 下层控制器三层控制架构，所述模式切换层用于综合环境车辆、道路信息以及驾驶意图，匹 配期望的控制模式，实现不同ACC控制模式之间的协调控制，所述上层控制器用于实现模 式切换层选择的该种控制模式下的最优控制策略，所述下层控制器用于通过控制汽车发动 机节气门和主动制动压力来跟踪上层控制器输出的期望加速度。
[0009] 本发明还提供了一种上述汽车自适应巡航系统的控制方法，包括如下步骤：
[0010] 1)首先，在模式切换层建立了车辆行驶模式划分及模式切换机制，根据是否受到 驾驶员转向操作的影响、是否受到道路形状的影响、是否受到前车运动的影响以及受到的 是横向/纵向运动的影响，对当前汽车行驶模式进行划分，实现十种不同ACC控制模式的切 换，十种ACC控制模式分别为：定速巡航模式、稳态跟车模式、接近前车模式、急加速模式、 强减速模式、弯道模式、换道辅助模式、避撞模式、并线模式、切出模式，其中，前两种为稳态 模式，后八种为瞬态模式；
[0011] 2)然后，在上层控制器中，实现模式切换层选择的该种控制模式下的最优控制策 略；
[0012] 3)最后，在下层控制器中，通过调节发动机节气门与主动制动压力来实现上层控 制器输出的期望加速度大小。
[0013] 按上述方案，在两种控制模式进行切换的过程中，为了保证车辆加速度输出的连 续性，在输出期望加速度之前，对期望加速度采取加权平均进行连续性处理，具体为：
[0014] aw-des= w 1 · aw-last+w2 · aw-next
[0015] 式中，aw last与aWMXt为现有控制模式和即将进入的控制模式分别计算出的期望 加速度，aw des为上层控制器在两种控制模式过渡区域内的输出量，w 1与W2为权重系数，且 Wl+W2= 1〇
[0016] 按上述方案，所述的定速巡航模式是基于车速的闭环控制，通过查询加速节气门 查询表、匀速节气门查询表两个节气门开度表，辅以增量式PID控制校正，使得实际车速保 持在设定车速±lkm/h附近。
[0017] 按上述方案，所述的稳态跟随模式下的期望加速度的计算公式为：
[0018]
[0019] -0· 3 彡 ad(t)彡 0· 3m/s2
[0020] 式中，Rd⑴为期望车距，与驾驶员设定的期望时距大小有关；R(t)为相对车距； kf( ·)为加速度增益系数；Af为距离误差与速度误差的权重比；Vp为前车速度；V为自车车 速。
[0021] 按上述方案，所述的接近前车模式下的期望加速度的计算公式为：
[0022]
[0023] ad彡 _2m/s 2
[0024] 式中，ka为减速度增益系数；^为自车与前车的相对车速（其他参数意义同上）。
[0025] 按上述方案，所述的急加速模式下的期望加速度的计算公式为：
[0026] ad(t) = kg(v(t)) · (vp(t)-v(t))
[0027] ad(t)彡 I. 5m/s2
[0028] 式中，kg( ·)为该模式下的加速度增益系数；
[0029] 类似的，所述的强减速模式下的期望加速度的计算公式为：
[0030]
[0031] ad^_4m/s2
[0032] 式中，ks为减速度增益系数，反映了跟车危险程度与减速强度之间的关系；R min为 避撞模式与强减速模式下的最小避撞距离，最小避撞距离的计算公式为：
[0033]
[0034] 式中，&为驾驶员避撞反应时间；&_为当前路面附着条件下能提供的最大制动减 速度；
[0035] 所述的避撞模式下期望纵向加速度的计算公式为：
[0036] ad =amax
[0037] 一旦相对车距小于最小避撞距离，会立即进入避撞模式，汽车以最大减速度amax进 行紧急制动直至刹停（同时ABS在必要条件下介入防止车轮抱死）。
[0038] 按上述方案，所述的弯道模式下期望纵向加速度的计算公式为：
[0039]
[0040] 式中，ad为汽车侧向加速度，K xy、Txy分别为纵横向耦合系数与延迟时间。
[0041] 按上述方案，所述的换道辅助模式下自车与目标车道前后车辆在预测时间内的位 置间距应该满足以下关系式：
[0042] (Xi (t) -x0 (t))2+ (Yi (t) -y〇 (t))2 R min
[0043] 式中，（?, %)与（Xi，yi)分别是自车与目标车辆在大地坐标系下预测时刻的绝对 坐标位置。
[0044] 按上述方案，所述的并线模式是根据旁车道车辆相对