基于自适应巡航的车辆主动换道仿真

付 鹏

（襄阳汽车职业技术学院 直属工业学校，湖北 襄阳 441000）

自适应巡航（Adaptive Cruise Control, ACC）系统是一项舒适性的辅助驾驶功能，为驾驶者提供了一种更轻松的驾驶方式。其成熟的技术有助于在实际的长距离行驶中减少驾驶员操作步骤，辅助车辆行驶过程中更加安全，减少发生交通事故的机率。但是如果遇到前方车辆长时间缓慢行驶，ACC系统只能使得本车在特定车道跟随前车行驶，影响行车效率，特别是在车流量较严峻的道路上，易造成拥堵，能够进行自主换道的ACC系统将使得车辆向着智能化更进一步，缓解驾驶员工作。

1 自适应巡航控制系统

1.1 自适应巡航控制系统工作原理

ACC系统是一种在传统巡航控制系统功能的基础上，尽量少地增加软硬件设备而开发出更加自主化、智能化的驾驶辅助系统，比较传统的巡航控制系统工作原理和控制策略，传统方案是驾驶员设置理想的目标车速，车辆动力系统和制动系统做出响应，使得车辆按照设定车速行驶，而在前方出现障碍物或者与前车行驶距离较近时不能够主动做出操作，影响行车安全。ACC系统运用智能传感器技术实时采集前车及自车行驶情况，根据不同情况做出加速或者减速控制使得跟车距离在设定的范围，使得系统功能更加完善，从而辅助甚至接替驾驶员控制油门踏板和制动踏板，提升驾驶舒适感，通过电子设备的设定，使用该系统可以使车辆在设定的车速和设定的安全车距行驶，合理使用系统可以在安全车速下行驶，保障行车安全。

1.2 基于ACC的主动换道系统

国内外学者对基于主动换道的ACC系统进行了研究，如文献[1]就在自适应协调巡航控制系统条件下，采用滑膜控制的方法针对道路状况不明确的情况进行控制，换道过程中一定程度上考虑到行车的安全性和平滑性。文献[2]研究具有换道辅助功能的ACC多模式控制，在多模式自适应巡航接近前车的工况增设换道辅助策略，改进后的控制策略可以满足多种模式下自适应巡航控制策略，弱化对车辆换道操作的影响，灵活的控制策略使得车辆更加满足城市繁杂交通环境下安全舒适的行车。文献[3]研究基于车辆多种模式切换及主动完成换道的控制策略，达到识别驾驶员换道意图，为了完成车辆换道控制，首先设计了换道路径，根据理想换道路径得出期望的横摆角，设计滑模控制器跟踪期望的横摆角，得到理想的方向盘转角，实现车辆对换道路径的跟踪，从而实现车辆在换道过程中的ACC多模式切换控制。

在ACC系统基础上，通过从定速巡航控制器延伸到自适应巡航控制系统的方式，适当增强控制器软硬件，拓宽管理系统控制功能，自适应巡航控制系统无需添加更多的设备即可实现汽车的部分工况下自主行驶等多种延伸控制功能[4]。基于ACC的主动换道控制，通过增加控制器与收集的汽车方向盘旋转角度信息，及转向器运行单元信息之间的数据通信，当本车行进的机动车道内未监测到前车时，车辆按照设定的速度定速巡航，当感应器监测到前方有障碍物车辆，根据本车与前车的车距和速度关系判断下一步操作，若车距大于安全车距，车辆将在保障安全距离的情况下跟随前车行驶；如果车距小于安全车距，在保障换道目标车道安全的情况下，执行换道指令切换至目标车道，换道成功后分析目标车道环境情况，由前方是否有车，来判断车辆执行定速巡航或自动跟车巡航操作，其原理如图1所示。

图1 基于ACC的主动换道系统工作原理

2 安全距离分析

当ACC自车前方存在车辆时，需要计算出最小安全距离（理想安全距离），当车距小于这一距离时，车辆需要及时反馈信息给ACC控制单元，控制单元立即发出信号给到执行单元进行换道准备，当判断出可以换道时，进行换道，避免ACC制动距离不够发生追尾事故，影响行车安全[5]。同时在保障车辆安全性的基础上，考虑舒适性对车辆的影响，安全距离如式（1）所示，其相关参数如表1所示。

表1 相关参数

在实际应用中，车辆在减速过程中速度线性变化可以提高汽车的乘坐舒适性，为了增强系统的性能特性，故上式中βc为大量数据处理后得到常量，以确保汽车的乘坐舒适性。

3 仿真验证

3.1 基于CarSim的模型设置

为了保障仿真的真实性，本次选择国产某品牌两厢轿车进行仿真实验，驱动行驶为前轮驱动，发动机的功率为125 kW。

自车基本参数设置完成后，再设置前车模型，将前车设置为TOUR BUS模型，并在前车模型库里添加自车的动力学模型，同时在自车模型库里添加前车的模型。仿真路面设置为1 200 m平直道路，路面附着系数为 0.85，带有虚线中心线的行驶车道[6]。

3.2 仿真结果分析

进行仿真实验时，设置前车以30 km/h速度匀速行驶，本车与前车的距离为80 m，本车以80 km/h的巡航速度行驶，周围无其他环境干扰。从图 2得出雷达测量出自车与前车之间的距离随着时间变化关系，由于本车车速大于前车设定车速，两车之间的距离越来越近，当本车与前车小于安全距离阈值时，车辆执行换道指令。换道车道设定为无车辆，前方条件满足安全行驶条件，车辆继续以设定车速行驶，前车虽然此时不在本车道内，但是本车在换道过程中丢失目标，当在目标车道内正常行驶一段时间后，前车仍然在雷达的可探测范围内，图3中两车距离变近。

图2 本车与前车纵向距离

图3 雷达识别目标

图4为车辆换道轨迹图，分析图像发现车辆跟随行驶一段距离后开始进行换道，因为此时达到车辆最小安全距离阈值，系统发出指令使得车辆执行换道，整个过程能够及时顺利进行，保障了车辆安全行驶。

图4 仿真车辆换道轨迹

由图 5得到了车辆的横摆角度，其变化率较小，在换道过程中没有发生较大的横摆角度变化，横摆角度变化能够控制在合理范围内，由此可以得出基于ACC的车辆主动换道在考虑最小安全距离的前提下可以满足换道需要。

图5 车辆横摆角

4 结论

在ACC系统基础上，不过多地添加硬件设备，扩展系统主动换道的功能，使得自适应巡航系统功能更丰富、更智能。基于安全距离，分析主动换道在实际场景中的必要性，并建立最小安全车距模型，运用CarSim/Simulink对车距小于安全车距的场景进行仿真，结果表明，采用该模型可以完成主动换道，并保障换道过程的合理性，在一定程度上缓解了驾驶员驾驶强度，保障行车安全。