第４２卷第１１期机械工程学报
ｖ０１．４２Ｎｏ．１１２００６年１１月
ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦ
ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｎｏｖ．
２Ｏ０６
智能车辆的纵向运动控制木
李贻斌１，２
阮久宏３李彩虹１
付梦印４
（１．山东大学机器人研究中心济南２５００６１：
２．天津大学电气与自动化工程学院天津３０００７２；
３．山东交通学院科研处济南２５００２３；４．北京理工大学信息科学技术学院北京
１０００８１）
摘要：建立使用发动机中等复杂模型和非线性刹车模型的车辆纵向运动数学模型。使用基于模糊逻辑和遗传算法的复杂对象控制器自动设计方法设计刹车控制器，构造一种油门和刹车切换逻辑，再基于刹车控制器和切换逻辑使用自动设计方法设计油门控制器，共同构成纵向运动控制器（ＬＭｃ）。仿真检验ＬＭＣ在Ｉｖ巡航控制和自适应巡航控制中的有效性，结果表明所设计的ＬＭｃ完全可以满足Ｉｖ纵向运动高精度、强鲁棒性和平顺性的要求。关键词：智能车辆纵向控制油门控制刹车控制模糊逻辑遗传算法中图分类号：ＴＰ２４２．６２
型，刹车器模型是静态的，未考虑动态过程，也未
Ｏ前言
考虑发动机、刹车器和车辆参数时变特性。文献［４］采用与文献【３］相同的发动机模型，使用逆控制研究智能车辆（Ｉｍｅｌｌｉｇｅｎｔｖｅｈｉｃｌｅ，ＩＶ）可显著提高了ⅣＡＣＣ控制问题，但未使用刹车控制，减速度
交通流量、增强交通安全、改善乘坐舒适性，是智
控制范围很小，也未考虑发动机和车辆参数时变特
能交通系统（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ仃ａｎｓｐｏｒｔｓｙｓｔｅｍ，ＩＴＳ）的核心
性。文献【５］在静态模型的基础上将发动机和刹车器
和未来车辆的发展方向。车辆纵向控制是沿车辆纵动态过程近似等效为一个惯性环节，分别建立了发
轴方向施加的控制，包括位移（车辆一目标距离）、动机和刹车器动态模型，并使用一种混合策略研究
速度和加速度的控制。在仅使用传统燃料提供动力
了车辆驱动控制问题，没有考虑发动机与刹车器的的ＩＶ上，纵向控制主要通过发动机驱动力和刹车器
纯延迟和参数时变特性。文献【６］建立了一个中等复
刹车力的联合控制实现，而驱动力一般通过发动机杂程度的发动机模型，文献【７］采用中等复杂程度的油门控制实现。由于车辆纵向特性和横向特性之间
发动机模型和滑模控制研究了油门控制问题，但未存在强耦合作用…，对于运行在自主状态的ＩＶ来考虑发动机和车辆参数时变，也未使用刹车，减速
说，纵向速度的控制质量对车辆横向控制性能有很
度控制范围很小。
大影响；当Ⅳ运行在自适应巡航控制（Ａｄａｐｔｉｖｅ
事实上，包括上述文献在内的多数文献仅研究ｃｍｉｓｅｃｏｎ仃ｏｌ，ＡＣＣｌ和队列状态时，除车速之外，
了基于油门控制的纵向控制问题，控制器设计使用
对车距控制精度也有很高的要求。同时为满足乘坐的是简化的静态或动态模型，没有全面考虑发动机、舒适性要求，如何使冲击较小进而实现平滑控制也
刹车器和车辆的非线性、纯延迟和参数时变特性，是一个挑战。但发动机和刹车器具有很强的非线性、
没有充分研究鲁棒性，因此全状态下的控制效果很
纯延迟和不确定性特性，车辆本身也存在高度非线难反映出来。对此，这里使用油门和刹车联合控制
性和不确定性特性，这使得设计可满足快速、高精策略来研究ＩＶ的纵向控制问题，并采用中等复杂程度、强鲁棒性和平顺性要求的纵向控制器非常困难。度的发动机模型和非线性刹车器动态模型作为控制在以往的研究工作中，文献［２］讨论了发动机模器设计依据，全面考虑发动机、刹车器和车辆的非
型对发动机工作真实特性的反映能力、模拟精度和线性、纯延迟和参数时变特性，力求获得良好的车
计算量等方面的影响，建议使用中等复杂程度的发辆纵向运动控制鲁棒性。
动机模型设计控制器。文献［３］使用标准可加性模型ＳＡＭ研究了纵向模糊控制器的设计问题，所使用的１
车辆纵向运动数学模型
发动机模型是一个简化的带时间纯延迟的线性模
１．１发动机数学模型
＋国家８６３计划资助项目（２００３ＡＡｌ３３０４０）。２００６０１２５收到初稿２００６０６２２收到修改稿
研究使用的发动机模型来源于文献［６］、［７］，由
万
方数据
２００６年１１月李贻斌等：智能车辆的纵向运动控制
９５
式（１）～（９）描述
砌。＝ｃ，７ｖｍ。哦
（１）
正＝ｑ筹等％㈣ｕ吲卜蚶（２）
仉＝（口２嚷２＋口ｌ敛＋口ｏ）％２＋（６２铣２＋６１嚷＋６０）ｍ。＋
ｃ２哦２＋ｃ１魄＋ｃ０
（３）唬＝帆一，ｆｚ。
（４）
乙ａｉ砌ａｉ＝一ｍａｉ＋ｍａｉ
ｃ
（５），
帆。＝ｍ一忍％
（６）％＝Ｐ文％铲‰’瓣
（７）死西＝一口＋呸
（８）％＝１一ｅｘｐ（白％一％）
（９）
式中
ｍ出——进气质量（ｋ）所。——排气质量（ｋｇ）
％——缸内气体质量（ｋｇ）
ｍａｉ。——燃气喷射量命令（ｋｇ）织——发动机角速度（ｒａｄ／ｓ）口——油门开度角（ｏ）诉——油门开度命令（ｏ）乃——油门开度特性
加二—喝大影欷胡歌鳓，名义值为
０．３３３
５娜
最，——缸压系数
ｃ——发动机汽缸系数，名义值为０．１０１０
仉——气缸容积效率
乙。；——燃气喷射时间常数（ｓ），名义值
为０．０５
ｓ
死——油门执行机构时间常数（ｓ），名义
值为０．００ｌ
ｓ
％——最大油门开度（０），名义值为７９．４６０％。——油门开度系数，名义值为１．０６乞，——油门开度系数，名义值为１．１４４６
Ｚ——发动机输出转矩（Ｎ・ｍ）Ｇ——输出转矩系数（Ｎ・１１１／（ｋｇ・ｓ．１）），
名义值１．１７６ＭＮ・州（埏・ｓ叫）
Ｃ０。０一△气）——进气延迟系数，名义值为１．０Ｃｓ。Ｏ一△‘）——点火延迟系数，名义值为１．０
△“——进气延迟（ｓ），名义值为５．４８／纯△岛——点火延迟（ｓ），名义值为１．３／镇‰——系数，名义值为９．０毛——系数，名义值为２８０８．０％——系数，名义值为１３
１０３．０
万
方数据口１——系数，名义值为２１４．７口，——系数，名义值为０．０８３６ｎ——系数，名义值为６４．９９五——系数，名义值为Ｏ．６６６坟——系数，
名义值为４．０９２×１０＿５
％——系数，名义值为０．３７２
ｃ１——系数，名义值为３．８８９×１０－４ｃ，——系数，名义值为１．０３９×１０＿６
１．２刹车器模型
使用的非线性刹车器模型来源于文献［３］和［８】
的试验与分析结果。当凡（０≤民ｍ。时，刹车器特性
由式（１０）、（１１）描述
咒（‘）２丢万［一瓦（‘）＋Ｋ（瓦Ｍｏ—ｒ（‘））］
（１０）
Ｉ墨
ｏ≤瓦＜瓦１
弛，＝怪篆鬟三急
Ⅲ，
【Ｋ４咒３≤民＜咒４
式中
既（ｆ）——刹车力（ｋＮ）
吒一——最大刹车力，即限幅值（斟）
丁（ｆ）——刹车时间常数（ｓ），名义值为Ｏ．１５ｓＫ（瓦）——刹车增益系数（ｓ），是刹车力气（ｆ）
的函数
“（ｆ）——刹车控制输入，以数字量表示ｆ（ｆ）——刹车控制延迟（ｓ），名义值为Ｏ．０５
ｓ
图１显示了刹车器的静态特性【３】，其中
Ｒ１＝１．０２２
ｌ潮，凡＝５．７９９ｋＮ，Ｒ４＝９．７８０心叮，风４＝
１２．６６９ｋＮ，气一＝玩４。
１
互１＼
芒Ｒ＊孺
量纲一的刹车控制输入呱ｆ）图ｌ刹车器的静态特性曲线
１．３车辆纵向运动数学模型
假设车辆运行在横向水平的道路上，此时可不
考虑车辆横滚运动；进一步假设路面平整，如高速
公路，垂向运动可以忽略；如果再忽略横向运动的影响，并假设轮胎和地面之间不打滑，则根据车辆动力学分析…，可以建立如式（１２）～（１７）所示的车辆
纵向运动数学模型，其中五是旋转质量系数，包含
所有与旋转质量有关的影响因素，如轮胎、制动器、
机械工程学报第４２卷第１１期
传动轴、变速器、发动机飞轮和驱动部件等，并与传动比有关，此处假定传动比Ｒ。＝３．０６０９，选定允：１．０８［１】ｏ
ｄ（ｆ）＝吐Ｒ／ｒ
（１２）１，（ｆ）＝Ｋ＋Ｉ：口（ｆ）ｄｆ
（１３）ｘ（ｆ）２％＋Ｊ。１，（ｆ）ｍ
（１４）只＝Ｃａ彳ｐ［Ｖ（ｆ）＋ｖａ（ｆ）】２／２
（１５）ｆ＝Ｃｒ愕（１６）
，。啦＝互一Ｉ咒＋只＋只＋只＋
Ｉ
（
）
愕ｓｉ邶“小血毒ｊ专
（１７）
式中口（ｆ）——车辆的加速度（ＩＩｌ／ｓ２）
ｖ（ｆ）——车速（“ｓ）
％——初始车速（１１１／ｓ）ｖａ（ｆ）——风速（１１１／ｓ）
ｚ（Ｄ——车辆的位移（ｍ）‰——车辆的初始位移（ｍ）
凡——风阻力（Ｎ）
Ｒ——轮胎滚动阻力（Ｎ），名义值为Ｃｒ，曙凡——传动阻力（Ｎ），名义值为３５２
Ｎ
Ｇ——空气阻力系数，名义值为０．３
Ｃｒ——车轮滚动阻力系数，名义值为Ｏ．０１５
４——车辆迎风面积（ｍ２），名义值为１．２ｍ２ｐ——空气密度Ｏｑ暨／ｍ３），名义值为１．２５ｋｇ／ｍ３ｔ——发动机转动惯量（ｋｇ・ｍ２），名义值为０．１４５４
ｋｇ・ｍ２
∥——道路坡度（ｍｄ）
ｍ——车体质量（ｋｇ），名义值为ｌ４８０ｋｇ
ｇ——重力加速度（９．８ＩＩｌ／ｓ２）
，——轮胎旋转半径（ｍ），名义值为０．３
ｍ
２复杂对象控制器自动设计方法
复杂对象控制器自动设计方法是针对具有非线性、纯延迟、参数时变和非完整约束等复杂特性对象发展的一种控制器自动设计方法，也是“模式覆盖与模式嵌入”控制思想的具体应用【９】。方法使用模糊逻辑对逼近误差空间进行全局模糊划分，实现“覆盖”；设计多个局部模糊控制器（Ｆｕｚｚｙ１０９ｉｃｃｏｒｌｔｒｏｌｌｅｒ，ＦＬＣ）共同处理控制系统的局部和全局运动，完成对逼近误差的收敛控制，实现“嵌入”。具体实现方面，以模糊神经网络（Ｆｌｌｚｚｙ．ｎｅｕｒａｌ
ｎｅｔ—
万
方数据ｗｏｒｋ，ＦＮＮ）为ＦＬＣ结构，将模糊规则表达为卧ｍ及其参数的形式，利用遗传算法（Ｇｅｎｅｔｉｃ
ａｌｇｏ—
ｒｉｍｍ，ＧＡｌ在ＦＮＮ权重空间中自动搜索和选择ＦＬＣ
参数，自动完成控制规则（控制器）的设计和优化。
在此方法中，为保证逼近误差空间的完整性以
及控制器对参考系统多样性和系统不确定性的适应能力，发展了关键参数选择、噪声加入、随机初始状态设置和多参考轨迹设计等算法【９。１¨。
３控制器设计
文献［１２．１３］的研究表明，对车辆纵向和横向运
动进行独立控制可获得满意的效果，因此纵向运动
控制可不考虑横向运动的影响。此时，系统状态变量选择为位移ｘ、速度ｖ和加速度口，即车辆运动模式可由（ｚ，ｖ，口）描述。参考轨迹由参考模式（‘，ｕ，口，）描述，控制任务是通过对油门和刹车的联合作用使Ⅳ逼近参考轨迹（ｔ，ｖｒ，以，）运行。
图２为智能车辆纵向控制系统框图，显示了由切换逻辑、油门控制器、刹车控制器、发动机、刹车器和车体（包括传动系统）组成的控制系统的结构，其中Ｐ为轨迹跟踪误差，瓯和吼为控制量，即发动机油门开度和刹车命令。
图２智能车辆纵向控制系统框图
切换逻辑、油门和刹车控制器共同构成ＩＶ纵
向运动控制器（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｌｌａｌｍｏｔｉｏｎｃｏｎ仃０１１ｅｒ，ＬＭＣ）。为满足ＡＣＣ和巡航控制（Ｃｍｉｓｅｃｏｌｌ廿ｏｌ，ＣＣ）
不同的要求，油门控制器又有两种控制器与之对应，
分别称为位移控制器和速度控制器：刹车控制器则
仅使用一种控制器，即速度控制器，这是因为在ＡＣＣ中油门控制器能够很好地对刹车误差进行补偿，这样共需设计三个控制器。油门和刹车控制器设计方法基本相同。接下来将会描述它们的异同。
３．１模糊控制器结构设计
这里选择一阶Ｔ．Ｓ模糊神经网络［１４】作为Ⅳ换道控制器的结构。Ｔ．ｓＦＮＮ是一种基于Ｔ．Ｓ模型的常用模糊神经网络，其中Ｔ．Ｓ模糊模型由孙增昕等［１４】提出。Ｔ—Ｓ典型的模糊规则形式可表示为下式
如果五为彳，并且％为Ｂ，则
ｚ＝ｇ（五，ｚ２）
（１８）
２００６年１１月李贻斌等：智能车辆的纵向运动控制
式中
五，ｘ，——输入变量ｚ——输出变量
彳，Ｂ——前件中的模糊集合
ｚ——后件中的精确函数，通常是西，而的
多项式
ｚ＝ｇ（■，屯）
当ｇ（■，％）是一阶多项式，即取ｚ＝怕＋，１２１＋呐
时，Ｔ—ｓ模糊模型即为一阶Ｔ．ｓ模糊模型，其中％，巧，砭为待定参数。
对于油门控制器，若进行ＡＣＣ控制，则选择距
离误差缸和速度误差△ｖ为模糊输入变量；若仅进
行Ｃｃ控制，则选择△ｖ和加速度误差△口为模糊输
入变量。对于刹车控制器，无论是ＡＣＣ还是ＣＣ，
均选择△ｖ和△口为模糊输入变量。其中，
Ｚｋ＝ｘ—ｘｒ，
△ｖ＝Ｖ—Ｖｒ，△口＝口一口ｒ。
模糊变量缸、△ｖ、△口的区间分别取［－２，＋２］
ｍ、［－２，＋２］１１１／ｓ、［＿５，＋５】１１１／ｓ２，隶属度函数采用等腰三角函数。对油门和刹车控制器，当将两个模糊输入变量均划分成５个模糊子集时，共各有
５×５＝２５条模糊规则，这２５条规则组成各自的规则空间｛规则１，规则２，…，规则２５｝，其中每条
规则的形式如式（１８）所示。３．２模糊控制器参数设计
按照上述选定的控制器结构下的模糊输入变量
划分方式，一阶Ｔ—ＳＦＮＮ共有２０个前件参数，以
及７５个后件参数，总计９５个控制器参数【ｌ４１。这９５个参数组成一个参数矢量ｘ，其形式为
ｘ＝｛（口。。，咙。），，（口。：，九：）文％』，，ｉ，，％Ｊ）｝
（１９）
式中（４，，４：）表示（缸，△ｖ）或（△１，，△口），（％，，九，）和
（口４，，九，）分别表示对应输入变量的第ｆ个等腰三角形模糊隶属度函数的中心和宽度，ｆ－１，２，…，５；（％，，，ｉ，，吃，）表示第，个模糊规则精确输出函数的待定参数，７＿１，２，…，２５，精确函数形如
ｇ，（４ｌ，４２）＝％ｆ＋Ｉ，４ｌ＋呸，４２
（２０）
式中，
ｇ，（４，么２）表示模糊规则后件，表示油门开
度命令醌（力或刹车控制命令“。。
参数设计的任务就是确定一个优化的参数矢量ｘ＋，使得所设计的控制器能够完成模式覆盖与模式
嵌入任务。
这里使用ＧＡ对ｘ＋进行搜索和优化，优化目
标函数选为
矗（４，４２，ｓ，ｘ）＝日么？＋芝４７＋Ｂ皈（ｆ）２
（２１）
或
万
方数据兀（△ｖ，△口，ｓ，ｘ）；只△Ｖ２＋马△ａ２（２２）
式中
墨，忍，只，只，忍——权重系数
式（２１）为油门控制器参数设计目标函数，表示使用最小的油门控制量实现最小的跟踪误差。式（２２）
为刹车控制器参数设计目标函数，表示在控制量无
约束条件下实现最小的跟踪误差。
使用ＧＡ搜索和优化参数时一般以适值函数最大为优化目标，故将目标函数作如式（２３）或（２４）的
变换
Ｆ（ｓ，ｘ）：————亍』——一（２３）
ｄ．００１＋√石（４，４，ｓ，ｘ）
，（ｓ，ｘ）：————下：∑————一
。
（２４）
。
ｏ．００１＋√片（△ｖ，△口，ｓ，．Ｙ）
式中只墨均——适应度
式（２３）、（２４）的分母上加入一个小数０．００１是为避免被零除的错误。
经过进化，油门和刹车控制器的参数和模糊规则被不断地调整，控制性能不断提高。限于篇幅，使用ＧＡ设计模糊控制器的详细过程可见文献【１１］，这里不再赘述。３．３设计算法
为获得完整的模式空间，以及对参考轨迹多样
性和系统不确定性的鲁棒能力，模糊控制器设计使
用了关键参数选择、噪声加入、随机初始状态设置
和多参考轨迹设计等算法。
３．３．１油门控制器设计算法
发动机油门执行机构时间常数疋、燃油喷射时间常数乙撕和进气时间延迟△乇。对发动机性能具有重要影响，点火延时△乙也有重要影响，但由于可对点火时间进行正时校正，因此选择毛、乙ａｉ和△ｆｎ
作为设计用关键参数，设计取值分别为０．１ｓ（名义值为０．０５ｓ）、０．００２ｓ（名义值为０．００１ｓ）和８／皱（名义值
为５．４８／嚷）。此外，变速器传动比磁和车体质量ｍ对控制性能也有重要影响。仿真表明，使用高速段速度设计的控制器在低速段也有良好的控制性能，
因此选用３０￣３６Ｉｎ／ｓ的速度段为设计用车速，此时
对应的传动比Ｒ，３．０６０９；对于ｍ，选其名义值为
ｌ４８０ｋｇ。
噪声加入的作用是抑制量测噪声和干扰，随机初始状态的作用是使控制系统适应各种初始条件。下表给出了噪声加入和随机初始状态的设置，其中界干扰选为坡度为１０％的道路斜坡以及ｙａ（ｆ）＝１０ｃｏｓ（１５Ⅳ（０，１）一１８０）的随机风速。
Ⅳ（口１’口２）表示均值为口１、方差为口２的正态分布。外
９８
机械工程学报
第４２卷第１１期
表噪声加入和随机初始状态设置
车辆纵向控制性能与加速规律（参考轨迹）的关系密切。这里构造并推导了梯形和钟形加速规律及相应的速度和位移规划，以此作为设计用参考轨迹。与一般加速度规律相比，规划满足期望速度和期望位移的约束，其中钟形加速度还满足冲击连续性的要求，这可使车辆在运行时受到的冲击变得更小。
此外，受发动机功率限制，最大加速度有一个上限
值，因此采用如图３所示的规划作为设计用参考
轨迹。
稔坦
誓
０
５
ｌＯ
１５
２０
２５
３０
料运行时闻ｆ／ｓ
（ａ）
趟
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运行时间ｆ／ｓ
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方数据Ｐｋ．暑≤古
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运行时间ｆ／ｓ
（ａ）
『．目≤Ｊ趟艘补媳霉壤卅
４
ｍ
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。鼢
蝴嘞
。班
图４刹车控制器设计用减速规律
和对应的速度曲线
Ｘ＝（‘参考加速度等于０’并且‘油门完全关
闭’并且‘距离误差大于某一正值’并且‘速度误
差大于某一负值’）
蜀＝（‘参考加速度等于０’并且‘油门完全关闭’并且‘速度误差大于某一正值’并且‘距离误差大于某一负值’）
玛＝（‘油门完全关闭’并且‘速度误差大于某一负值’并且‘车辆运行状态位于定义的刹车区’）
知＝（‘距离误差大于某一正值’并且‘速度误
差大于某一负值’）
墨＝（‘加速度误差大于某一正值’并且‘速度误差大于某一负值’）
切换逻辑为：如果Ｘ，恐，玛，拖，墨任一成
立，则执行刹车动作，否则不执行刹车动作；若蜀或Ｋ满足，执行刹车的同时关闭油门。局中“定
义的刹车区”可见文献【３］。３．４．２用于ＣＣ的切换逻辑
用于ＣＣ的切换逻辑如下。令
ｙ１＝（‘油门完全关闭’并且‘速度误差大于某一正值’）
ｙ２＝（‘油门完全关闭’并且‘速度误差大于某一负值’并且‘加速度误差大于某一正值’）
ｂ＝（‘油门完全关闭’并且‘加速度误差大于某一负值’并且‘车辆运行状态位于定义的刹车区’）切换逻辑为：如果ｙ１，ｙ２，ｙ３任一成立，则执行刹车动作，否则不执行刹车动作。其中“定义的刹车区”的横坐标为速度误差，纵坐标为加速度误差，其形状与ＡｃＣ刹车区类似，可见文献［３】。
３．５纵向运动控制器（ＬＭＣ）设计
ＬＭＣ设计分两步进行，即先使用自动设计方法
设计刹车控制器，然后以刹车控制器和切换逻辑为基础，使用自动设计方法设计油门控制器，这样可使油门同刹车模糊控制器之间、两个模糊控制器同
２００６年１１月李贻斌等：智能车辆的纵向运动控制
刹车逻辑之间实现协调动作。４仿真研究
为检验所设计的ＩＶＬＭＣ在ＣＣ和ＡＣＣ中的控
制效果，这里进行了仿真研究。仿真使用的控制周
期为０．０５ｓ，外界干扰选择为图５所示的道路斜坡（５％坡度）特性曲线和Ｖａ（ｆ）＝１０ｃｏｓ（１５Ⅳ（０，１）一１８０）
的随机风速。限于篇幅，仅给出部分仿真结果（图
６～１３、。
蔼
之
ｑ趟鬟ｃ汝划
位移ｓ／ｍ
图５仿真使用的道路斜坡
图６显示了在随机初始状态和设定的外界干扰
下，当兄、乙ａｉ、△乇。、及０、ｆ（ｆ）、ｍ和ｖ变化时
的ＣＣ效果。
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运行时间ｆ／ｓ
运行时间ｆ／ｓ
图６各参数取名义值时的ＣＣ效果万
方数据图７显示了兀＝０．００２ｓ，乇ａｉ＝０．０８ｓ，△乇。＝６．５／吐，
ｍ＝１６８８
ｋ岛及Ｄ＝０．３
ｓ，ｒ＝０．１
ｓ，其余参数取名义
值时的ＣＣ效果，这种情况就相当于车内乘坐了４
名乘客。图８、９显示了在图６、７的条件下有量测噪声时的控制效果。量测噪声分别取血～Ⅳ（０，０．１），△ｖ一Ⅳ（０，０．０５），△口～Ⅳ（０，０．１），随机初始状态选
为‰＋Ⅳ（０，１）、％＋Ⅳ（０，１），其中翔＝０ｍ，Ｖ０＝２５
ｒ１１／ｓ。
图１０～１３则显示了ＡＣＣ的效果。除了加入位移（车距）控制外，其余各种条件均与图６～９所示的ＣＣ相同。
由图６～１３可以看出，在ＩＶ纵向运动控制器
ＬＭＣ控制下：①车辆纵向运动误差很小，完全可
以满足ＩＶｃｃ和ＡｃＣ的要求。②冲击最大值不超过４０１１１／ｓ３（允许冲击可达８∥ｓ），具有良好的平顺性。
⑧ＬＭＣ对发动机、刹车器和车辆参数变化，以及不同的车辆运行初始状态和一定幅度的量测噪声等具有良好的适应能力。④在油门和刹车切换逻辑
协调下，油门和刹车没有频繁切换现象和歧义动作。
⑤量测噪声对控制性能具有显著影响。为补偿量测噪声引起的控制精度的劣化，控制执行机构（尤其是油门执行器１需要频繁动作，从而显著增加了控制能
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图７丁＃０．００２ｓ，Ｚ．眦ｊ＝０．０８ｓ，△ｆｉ。＝６．５／吐，ｍ＝１６８８ｋｇ，
及ｆ）＝０．３
ｓ，ｆ＝Ｏ．１
ｓ，其余参数取名义值时的ＣＣ效果
１００
机械工程学报第４２卷第１１期
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图１１丁乒０．００２ｓ，Ｌ。ｉ＝０．０８ｓ，△‘ｔ＝６．５／嚷，ｍ＝１６８８ｋｇ，及ｆ）＝０．３ｓ，ｆ＝Ｏ．１ｓ，其余参数取名义值时的ＡＣＣ效果
２００６年１１月李贻斌等：智能车辆的纵向运动控制
１０１
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图１３有量测噪声而其余参数同图１１的ＡＣＣ效果
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方数据量，并对执行器带宽提出更高要求。这表明了采用高精度量测传感器的必要性。
⑥加速度和速度规
划在改善ＩＶ纵向控制精度、鲁棒性和平顺性方面作用明显。⑦与ＣＣ相比，用于ＡＣＣ的刹车控制更加平顺，这是ＡＣＣ中位移控制产生的平滑滤波作用
的结果。５
结论
结合加速度和速度规划，使用复杂对象控制器
自动设计方法设计的Ⅳ纵向运动控制器ＬＭＣ，对发动机、刹车器和ＩＶ非线性、纯延迟和不确定性等特性，以及不同的初始状态和一定幅度的量测噪声均具有良好的适应能力，完全可以满足Ⅳ纵向运动高精度、强鲁棒性和平顺性的要求。
与已有成果相比，该项研究在使用中等复杂程度的发动机动态模型和刹车器动态模型的同时，充分考虑了发动机、刹车器和车辆的非线性、纯延迟、
不确定性，以及外界环境和量测噪声的不确定性，这与实际系统的吻合度更高，所设计的Ⅳ纵向运动控制器因而具有更好的控制性能。
本文的研究表明ＡＣＣ在改善刹车控制平顺性方面具备很大的优势，采用高精度量测传感器和高带宽执行器是非常必要的，能为ＩＶ纵向运动控制系
统设计提供了指导。
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作者简介：李贻斌，１９６０年出生，男，教授，博士生导师。主要研究方
向为机器人技术、智能控制和智能信息处理。Ｅ＿ｍａｉｌ：１ｉｙｂ＠ｓｄｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
智能车辆的纵向运动控制
作者：作者单位：
李贻斌， 阮久宏， 李彩虹， 付梦印， LI Yibin， RUAN Jiuhong， LI Caihong， FU Mengyin
李贻斌,LI Yibin(山东大学机器人研究中心,济南,250061;天津大学电气与自动化工程学院,天津,300072)， 阮久宏,RUAN Jiuhong(山东交通学院科研处,济南,250023)， 李彩虹,LICaihong(山东大学机器人研究中心,济南,250061)， 付梦印,FU Mengyin(北京理工大学信息科学技术学院,北京,100081)
机械工程学报
CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING2006,42(11)1次
刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jxgcxb200611015.aspx
第４２卷第１１期机械工程学报
ｖ０１．４２Ｎｏ．１１２００６年１１月
ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦ
ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｎｏｖ．
２Ｏ０６
智能车辆的纵向运动控制木
李贻斌１，２
阮久宏３李彩虹１
付梦印４
（１．山东大学机器人研究中心济南２５００６１：
２．天津大学电气与自动化工程学院天津３０００７２；
３．山东交通学院科研处济南２５００２３；４．北京理工大学信息科学技术学院北京
１０００８１）
摘要：建立使用发动机中等复杂模型和非线性刹车模型的车辆纵向运动数学模型。使用基于模糊逻辑和遗传算法的复杂对象控制器自动设计方法设计刹车控制器，构造一种油门和刹车切换逻辑，再基于刹车控制器和切换逻辑使用自动设计方法设计油门控制器，共同构成纵向运动控制器（ＬＭｃ）。仿真检验ＬＭＣ在Ｉｖ巡航控制和自适应巡航控制中的有效性，结果表明所设计的ＬＭｃ完全可以满足Ｉｖ纵向运动高精度、强鲁棒性和平顺性的要求。关键词：智能车辆纵向控制油门控制刹车控制模糊逻辑遗传算法中图分类号：ＴＰ２４２．６２
型，刹车器模型是静态的，未考虑动态过程，也未
Ｏ前言
考虑发动机、刹车器和车辆参数时变特性。文献［４］采用与文献【３］相同的发动机模型，使用逆控制研究智能车辆（Ｉｍｅｌｌｉｇｅｎｔｖｅｈｉｃｌｅ，ＩＶ）可显著提高了ⅣＡＣＣ控制问题，但未使用刹车控制，减速度
交通流量、增强交通安全、改善乘坐舒适性，是智
控制范围很小，也未考虑发动机和车辆参数时变特
能交通系统（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ仃ａｎｓｐｏｒｔｓｙｓｔｅｍ，ＩＴＳ）的核心
性。文献【５］在静态模型的基础上将发动机和刹车器
和未来车辆的发展方向。车辆纵向控制是沿车辆纵动态过程近似等效为一个惯性环节，分别建立了发
轴方向施加的控制，包括位移（车辆一目标距离）、动机和刹车器动态模型，并使用一种混合策略研究
速度和加速度的控制。在仅使用传统燃料提供动力
了车辆驱动控制问题，没有考虑发动机与刹车器的的ＩＶ上，纵向控制主要通过发动机驱动力和刹车器
纯延迟和参数时变特性。文献【６］建立了一个中等复
刹车力的联合控制实现，而驱动力一般通过发动机杂程度的发动机模型，文献【７］采用中等复杂程度的油门控制实现。由于车辆纵向特性和横向特性之间
发动机模型和滑模控制研究了油门控制问题，但未存在强耦合作用…，对于运行在自主状态的ＩＶ来考虑发动机和车辆参数时变，也未使用刹车，减速
说，纵向速度的控制质量对车辆横向控制性能有很
度控制范围很小。
大影响；当Ⅳ运行在自适应巡航控制（Ａｄａｐｔｉｖｅ
事实上，包括上述文献在内的多数文献仅研究ｃｍｉｓｅｃｏｎ仃ｏｌ，ＡＣＣｌ和队列状态时，除车速之外，
了基于油门控制的纵向控制问题，控制器设计使用
对车距控制精度也有很高的要求。同时为满足乘坐的是简化的静态或动态模型，没有全面考虑发动机、舒适性要求，如何使冲击较小进而实现平滑控制也
刹车器和车辆的非线性、纯延迟和参数时变特性，是一个挑战。但发动机和刹车器具有很强的非线性、
没有充分研究鲁棒性，因此全状态下的控制效果很
纯延迟和不确定性特性，车辆本身也存在高度非线难反映出来。对此，这里使用油门和刹车联合控制
性和不确定性特性，这使得设计可满足快速、高精策略来研究ＩＶ的纵向控制问题，并采用中等复杂程度、强鲁棒性和平顺性要求的纵向控制器非常困难。度的发动机模型和非线性刹车器动态模型作为控制在以往的研究工作中，文献［２］讨论了发动机模器设计依据，全面考虑发动机、刹车器和车辆的非
型对发动机工作真实特性的反映能力、模拟精度和线性、纯延迟和参数时变特性，力求获得良好的车
计算量等方面的影响，建议使用中等复杂程度的发辆纵向运动控制鲁棒性。
动机模型设计控制器。文献［３］使用标准可加性模型ＳＡＭ研究了纵向模糊控制器的设计问题，所使用的１
车辆纵向运动数学模型
发动机模型是一个简化的带时间纯延迟的线性模
１．１发动机数学模型
＋国家８６３计划资助项目（２００３ＡＡｌ３３０４０）。２００６０１２５收到初稿２００６０６２２收到修改稿
研究使用的发动机模型来源于文献［６］、［７］，由
万
方数据
２００６年１１月李贻斌等：智能车辆的纵向运动控制
９５
式（１）～（９）描述
砌。＝ｃ，７ｖｍ。哦
（１）
正＝ｑ筹等％㈣ｕ吲卜蚶（２）
仉＝（口２嚷２＋口ｌ敛＋口ｏ）％２＋（６２铣２＋６１嚷＋６０）ｍ。＋
ｃ２哦２＋ｃ１魄＋ｃ０
（３）唬＝帆一，ｆｚ。
（４）
乙ａｉ砌ａｉ＝一ｍａｉ＋ｍａｉ
ｃ
（５），
帆。＝ｍ一忍％
（６）％＝Ｐ文％铲‰’瓣
（７）死西＝一口＋呸
（８）％＝１一ｅｘｐ（白％一％）
（９）
式中
ｍ出——进气质量（ｋ）所。——排气质量（ｋｇ）
％——缸内气体质量（ｋｇ）
ｍａｉ。——燃气喷射量命令（ｋｇ）织——发动机角速度（ｒａｄ／ｓ）口——油门开度角（ｏ）诉——油门开度命令（ｏ）乃——油门开度特性
加二—喝大影欷胡歌鳓，名义值为
０．３３３
５娜
最，——缸压系数
ｃ——发动机汽缸系数，名义值为０．１０１０
仉——气缸容积效率
乙。；——燃气喷射时间常数（ｓ），名义值
为０．０５
ｓ
死——油门执行机构时间常数（ｓ），名义
值为０．００ｌ
ｓ
％——最大油门开度（０），名义值为７９．４６０％。——油门开度系数，名义值为１．０６乞，——油门开度系数，名义值为１．１４４６
Ｚ——发动机输出转矩（Ｎ・ｍ）Ｇ——输出转矩系数（Ｎ・１１１／（ｋｇ・ｓ．１）），
名义值１．１７６ＭＮ・州（埏・ｓ叫）
Ｃ０。０一△气）——进气延迟系数，名义值为１．０Ｃｓ。Ｏ一△‘）——点火延迟系数，名义值为１．０
△“——进气延迟（ｓ），名义值为５．４８／纯△岛——点火延迟（ｓ），名义值为１．３／镇‰——系数，名义值为９．０毛——系数，名义值为２８０８．０％——系数，名义值为１３
１０３．０
万
方数据口１——系数，名义值为２１４．７口，——系数，名义值为０．０８３６ｎ——系数，名义值为６４．９９五——系数，名义值为Ｏ．６６６坟——系数，
名义值为４．０９２×１０＿５
％——系数，名义值为０．３７２
ｃ１——系数，名义值为３．８８９×１０－４ｃ，——系数，名义值为１．０３９×１０＿６
１．２刹车器模型
使用的非线性刹车器模型来源于文献［３］和［８】
的试验与分析结果。当凡（０≤民ｍ。时，刹车器特性
由式（１０）、（１１）描述
咒（‘）２丢万［一瓦（‘）＋Ｋ（瓦Ｍｏ—ｒ（‘））］
（１０）
Ｉ墨
ｏ≤瓦＜瓦１
弛，＝怪篆鬟三急
Ⅲ，
【Ｋ４咒３≤民＜咒４
式中
既（ｆ）——刹车力（ｋＮ）
吒一——最大刹车力，即限幅值（斟）
丁（ｆ）——刹车时间常数（ｓ），名义值为Ｏ．１５ｓＫ（瓦）——刹车增益系数（ｓ），是刹车力气（ｆ）
的函数
“（ｆ）——刹车控制输入，以数字量表示ｆ（ｆ）——刹车控制延迟（ｓ），名义值为Ｏ．０５
ｓ
图１显示了刹车器的静态特性【３】，其中
Ｒ１＝１．０２２
ｌ潮，凡＝５．７９９ｋＮ，Ｒ４＝９．７８０心叮，风４＝
１２．６６９ｋＮ，气一＝玩４。
１
互１＼
芒Ｒ＊孺
量纲一的刹车控制输入呱ｆ）图ｌ刹车器的静态特性曲线
１．３车辆纵向运动数学模型
假设车辆运行在横向水平的道路上，此时可不
考虑车辆横滚运动；进一步假设路面平整，如高速
公路，垂向运动可以忽略；如果再忽略横向运动的影响，并假设轮胎和地面之间不打滑，则根据车辆动力学分析…，可以建立如式（１２）～（１７）所示的车辆
纵向运动数学模型，其中五是旋转质量系数，包含
所有与旋转质量有关的影响因素，如轮胎、制动器、
机械工程学报第４２卷第１１期
传动轴、变速器、发动机飞轮和驱动部件等，并与传动比有关，此处假定传动比Ｒ。＝３．０６０９，选定允：１．０８［１】ｏ
ｄ（ｆ）＝吐Ｒ／ｒ
（１２）１，（ｆ）＝Ｋ＋Ｉ：口（ｆ）ｄｆ
（１３）ｘ（ｆ）２％＋Ｊ。１，（ｆ）ｍ
（１４）只＝Ｃａ彳ｐ［Ｖ（ｆ）＋ｖａ（ｆ）】２／２
（１５）ｆ＝Ｃｒ愕（１６）
，。啦＝互一Ｉ咒＋只＋只＋只＋
Ｉ
（
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愕ｓｉ邶“小血毒ｊ专
（１７）
式中口（ｆ）——车辆的加速度（ＩＩｌ／ｓ２）
ｖ（ｆ）——车速（“ｓ）
％——初始车速（１１１／ｓ）ｖａ（ｆ）——风速（１１１／ｓ）
ｚ（Ｄ——车辆的位移（ｍ）‰——车辆的初始位移（ｍ）
凡——风阻力（Ｎ）
Ｒ——轮胎滚动阻力（Ｎ），名义值为Ｃｒ，曙凡——传动阻力（Ｎ），名义值为３５２
Ｎ
Ｇ——空气阻力系数，名义值为０．３
Ｃｒ——车轮滚动阻力系数，名义值为Ｏ．０１５
４——车辆迎风面积（ｍ２），名义值为１．２ｍ２ｐ——空气密度Ｏｑ暨／ｍ３），名义值为１．２５ｋｇ／ｍ３ｔ——发动机转动惯量（ｋｇ・ｍ２），名义值为０．１４５４
ｋｇ・ｍ２
∥——道路坡度（ｍｄ）
ｍ——车体质量（ｋｇ），名义值为ｌ４８０ｋｇ
ｇ——重力加速度（９．８ＩＩｌ／ｓ２）
，——轮胎旋转半径（ｍ），名义值为０．３
ｍ
２复杂对象控制器自动设计方法
复杂对象控制器自动设计方法是针对具有非线性、纯延迟、参数时变和非完整约束等复杂特性对象发展的一种控制器自动设计方法，也是“模式覆盖与模式嵌入”控制思想的具体应用【９】。方法使用模糊逻辑对逼近误差空间进行全局模糊划分，实现“覆盖”；设计多个局部模糊控制器（Ｆｕｚｚｙ１０９ｉｃｃｏｒｌｔｒｏｌｌｅｒ，ＦＬＣ）共同处理控制系统的局部和全局运动，完成对逼近误差的收敛控制，实现“嵌入”。具体实现方面，以模糊神经网络（Ｆｌｌｚｚｙ．ｎｅｕｒａｌ
ｎｅｔ—
万
方数据ｗｏｒｋ，ＦＮＮ）为ＦＬＣ结构，将模糊规则表达为卧ｍ及其参数的形式，利用遗传算法（Ｇｅｎｅｔｉｃ
ａｌｇｏ—
ｒｉｍｍ，ＧＡｌ在ＦＮＮ权重空间中自动搜索和选择ＦＬＣ
参数，自动完成控制规则（控制器）的设计和优化。
在此方法中，为保证逼近误差空间的完整性以
及控制器对参考系统多样性和系统不确定性的适应能力，发展了关键参数选择、噪声加入、随机初始状态设置和多参考轨迹设计等算法【９。１¨。
３控制器设计
文献［１２．１３］的研究表明，对车辆纵向和横向运
动进行独立控制可获得满意的效果，因此纵向运动
控制可不考虑横向运动的影响。此时，系统状态变量选择为位移ｘ、速度ｖ和加速度口，即车辆运动模式可由（ｚ，ｖ，口）描述。参考轨迹由参考模式（‘，ｕ，口，）描述，控制任务是通过对油门和刹车的联合作用使Ⅳ逼近参考轨迹（ｔ，ｖｒ，以，）运行。
图２为智能车辆纵向控制系统框图，显示了由切换逻辑、油门控制器、刹车控制器、发动机、刹车器和车体（包括传动系统）组成的控制系统的结构，其中Ｐ为轨迹跟踪误差，瓯和吼为控制量，即发动机油门开度和刹车命令。
图２智能车辆纵向控制系统框图
切换逻辑、油门和刹车控制器共同构成ＩＶ纵
向运动控制器（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｌｌａｌｍｏｔｉｏｎｃｏｎ仃０１１ｅｒ，ＬＭＣ）。为满足ＡＣＣ和巡航控制（Ｃｍｉｓｅｃｏｌｌ廿ｏｌ，ＣＣ）
不同的要求，油门控制器又有两种控制器与之对应，
分别称为位移控制器和速度控制器：刹车控制器则
仅使用一种控制器，即速度控制器，这是因为在ＡＣＣ中油门控制器能够很好地对刹车误差进行补偿，这样共需设计三个控制器。油门和刹车控制器设计方法基本相同。接下来将会描述它们的异同。
３．１模糊控制器结构设计
这里选择一阶Ｔ．Ｓ模糊神经网络［１４】作为Ⅳ换道控制器的结构。Ｔ．ｓＦＮＮ是一种基于Ｔ．Ｓ模型的常用模糊神经网络，其中Ｔ．Ｓ模糊模型由孙增昕等［１４】提出。Ｔ—Ｓ典型的模糊规则形式可表示为下式
如果五为彳，并且％为Ｂ，则
ｚ＝ｇ（五，ｚ２）
（１８）
２００６年１１月李贻斌等：智能车辆的纵向运动控制
式中
五，ｘ，——输入变量ｚ——输出变量
彳，Ｂ——前件中的模糊集合
ｚ——后件中的精确函数，通常是西，而的
多项式
ｚ＝ｇ（■，屯）
当ｇ（■，％）是一阶多项式，即取ｚ＝怕＋，１２１＋呐
时，Ｔ—ｓ模糊模型即为一阶Ｔ．ｓ模糊模型，其中％，巧，砭为待定参数。
对于油门控制器，若进行ＡＣＣ控制，则选择距
离误差缸和速度误差△ｖ为模糊输入变量；若仅进
行Ｃｃ控制，则选择△ｖ和加速度误差△口为模糊输
入变量。对于刹车控制器，无论是ＡＣＣ还是ＣＣ，
均选择△ｖ和△口为模糊输入变量。其中，
Ｚｋ＝ｘ—ｘｒ，
△ｖ＝Ｖ—Ｖｒ，△口＝口一口ｒ。
模糊变量缸、△ｖ、△口的区间分别取［－２，＋２］
ｍ、［－２，＋２］１１１／ｓ、［＿５，＋５】１１１／ｓ２，隶属度函数采用等腰三角函数。对油门和刹车控制器，当将两个模糊输入变量均划分成５个模糊子集时，共各有
５×５＝２５条模糊规则，这２５条规则组成各自的规则空间｛规则１，规则２，…，规则２５｝，其中每条
规则的形式如式（１８）所示。３．２模糊控制器参数设计
按照上述选定的控制器结构下的模糊输入变量
划分方式，一阶Ｔ—ＳＦＮＮ共有２０个前件参数，以
及７５个后件参数，总计９５个控制器参数【ｌ４１。这９５个参数组成一个参数矢量ｘ，其形式为
ｘ＝｛（口。。，咙。），，（口。：，九：）文％』，，ｉ，，％Ｊ）｝
（１９）
式中（４，，４：）表示（缸，△ｖ）或（△１，，△口），（％，，九，）和
（口４，，九，）分别表示对应输入变量的第ｆ个等腰三角形模糊隶属度函数的中心和宽度，ｆ－１，２，…，５；（％，，，ｉ，，吃，）表示第，个模糊规则精确输出函数的待定参数，７＿１，２，…，２５，精确函数形如
ｇ，（４ｌ，４２）＝％ｆ＋Ｉ，４ｌ＋呸，４２
（２０）
式中，
ｇ，（４，么２）表示模糊规则后件，表示油门开
度命令醌（力或刹车控制命令“。。
参数设计的任务就是确定一个优化的参数矢量ｘ＋，使得所设计的控制器能够完成模式覆盖与模式
嵌入任务。
这里使用ＧＡ对ｘ＋进行搜索和优化，优化目
标函数选为
矗（４，４２，ｓ，ｘ）＝日么？＋芝４７＋Ｂ皈（ｆ）２
（２１）
或
万
方数据兀（△ｖ，△口，ｓ，ｘ）；只△Ｖ２＋马△ａ２（２２）
式中
墨，忍，只，只，忍——权重系数
式（２１）为油门控制器参数设计目标函数，表示使用最小的油门控制量实现最小的跟踪误差。式（２２）
为刹车控制器参数设计目标函数，表示在控制量无
约束条件下实现最小的跟踪误差。
使用ＧＡ搜索和优化参数时一般以适值函数最大为优化目标，故将目标函数作如式（２３）或（２４）的
变换
Ｆ（ｓ，ｘ）：————亍』——一（２３）
ｄ．００１＋√石（４，４，ｓ，ｘ）
，（ｓ，ｘ）：————下：∑————一
。
（２４）
。
ｏ．００１＋√片（△ｖ，△口，ｓ，．Ｙ）
式中只墨均——适应度
式（２３）、（２４）的分母上加入一个小数０．００１是为避免被零除的错误。
经过进化，油门和刹车控制器的参数和模糊规则被不断地调整，控制性能不断提高。限于篇幅，使用ＧＡ设计模糊控制器的详细过程可见文献【１１］，这里不再赘述。３．３设计算法
为获得完整的模式空间，以及对参考轨迹多样
性和系统不确定性的鲁棒能力，模糊控制器设计使
用了关键参数选择、噪声加入、随机初始状态设置
和多参考轨迹设计等算法。
３．３．１油门控制器设计算法
发动机油门执行机构时间常数疋、燃油喷射时间常数乙撕和进气时间延迟△乇。对发动机性能具有重要影响，点火延时△乙也有重要影响，但由于可对点火时间进行正时校正，因此选择毛、乙ａｉ和△ｆｎ
作为设计用关键参数，设计取值分别为０．１ｓ（名义值为０．０５ｓ）、０．００２ｓ（名义值为０．００１ｓ）和８／皱（名义值
为５．４８／嚷）。此外，变速器传动比磁和车体质量ｍ对控制性能也有重要影响。仿真表明，使用高速段速度设计的控制器在低速段也有良好的控制性能，
因此选用３０￣３６Ｉｎ／ｓ的速度段为设计用车速，此时
对应的传动比Ｒ，３．０６０９；对于ｍ，选其名义值为
ｌ４８０ｋｇ。
噪声加入的作用是抑制量测噪声和干扰，随机初始状态的作用是使控制系统适应各种初始条件。下表给出了噪声加入和随机初始状态的设置，其中界干扰选为坡度为１０％的道路斜坡以及ｙａ（ｆ）＝１０ｃｏｓ（１５Ⅳ（０，１）一１８０）的随机风速。
Ⅳ（口１’口２）表示均值为口１、方差为口２的正态分布。外
９８
机械工程学报
第４２卷第１１期
表噪声加入和随机初始状态设置
车辆纵向控制性能与加速规律（参考轨迹）的关系密切。这里构造并推导了梯形和钟形加速规律及相应的速度和位移规划，以此作为设计用参考轨迹。与一般加速度规律相比，规划满足期望速度和期望位移的约束，其中钟形加速度还满足冲击连续性的要求，这可使车辆在运行时受到的冲击变得更小。
此外，受发动机功率限制，最大加速度有一个上限
值，因此采用如图３所示的规划作为设计用参考
轨迹。
稔坦
誓
０
５
ｌＯ
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３０
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蝴嘞
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图４刹车控制器设计用减速规律
和对应的速度曲线
Ｘ＝（‘参考加速度等于０’并且‘油门完全关
闭’并且‘距离误差大于某一正值’并且‘速度误
差大于某一负值’）
蜀＝（‘参考加速度等于０’并且‘油门完全关闭’并且‘速度误差大于某一正值’并且‘距离误差大于某一负值’）
玛＝（‘油门完全关闭’并且‘速度误差大于某一负值’并且‘车辆运行状态位于定义的刹车区’）
知＝（‘距离误差大于某一正值’并且‘速度误
差大于某一负值’）
墨＝（‘加速度误差大于某一正值’并且‘速度误差大于某一负值’）
切换逻辑为：如果Ｘ，恐，玛，拖，墨任一成
立，则执行刹车动作，否则不执行刹车动作；若蜀或Ｋ满足，执行刹车的同时关闭油门。局中“定
义的刹车区”可见文献【３］。３．４．２用于ＣＣ的切换逻辑
用于ＣＣ的切换逻辑如下。令
ｙ１＝（‘油门完全关闭’并且‘速度误差大于某一正值’）
ｙ２＝（‘油门完全关闭’并且‘速度误差大于某一负值’并且‘加速度误差大于某一正值’）
ｂ＝（‘油门完全关闭’并且‘加速度误差大于某一负值’并且‘车辆运行状态位于定义的刹车区’）切换逻辑为：如果ｙ１，ｙ２，ｙ３任一成立，则执行刹车动作，否则不执行刹车动作。其中“定义的刹车区”的横坐标为速度误差，纵坐标为加速度误差，其形状与ＡｃＣ刹车区类似，可见文献［３】。
３．５纵向运动控制器（ＬＭＣ）设计
ＬＭＣ设计分两步进行，即先使用自动设计方法
设计刹车控制器，然后以刹车控制器和切换逻辑为基础，使用自动设计方法设计油门控制器，这样可使油门同刹车模糊控制器之间、两个模糊控制器同
２００６年１１月李贻斌等：智能车辆的纵向运动控制
刹车逻辑之间实现协调动作。４仿真研究
为检验所设计的ＩＶＬＭＣ在ＣＣ和ＡＣＣ中的控
制效果，这里进行了仿真研究。仿真使用的控制周
期为０．０５ｓ，外界干扰选择为图５所示的道路斜坡（５％坡度）特性曲线和Ｖａ（ｆ）＝１０ｃｏｓ（１５Ⅳ（０，１）一１８０）
的随机风速。限于篇幅，仅给出部分仿真结果（图
６～１３、。
蔼
之
ｑ趟鬟ｃ汝划
位移ｓ／ｍ
图５仿真使用的道路斜坡
图６显示了在随机初始状态和设定的外界干扰
下，当兄、乙ａｉ、△乇。、及０、ｆ（ｆ）、ｍ和ｖ变化时
的ＣＣ效果。
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运行时间ｆ／ｓ
图６各参数取名义值时的ＣＣ效果万
方数据图７显示了兀＝０．００２ｓ，乇ａｉ＝０．０８ｓ，△乇。＝６．５／吐，
ｍ＝１６８８
ｋ岛及Ｄ＝０．３
ｓ，ｒ＝０．１
ｓ，其余参数取名义
值时的ＣＣ效果，这种情况就相当于车内乘坐了４
名乘客。图８、９显示了在图６、７的条件下有量测噪声时的控制效果。量测噪声分别取血～Ⅳ（０，０．１），△ｖ一Ⅳ（０，０．０５），△口～Ⅳ（０，０．１），随机初始状态选
为‰＋Ⅳ（０，１）、％＋Ⅳ（０，１），其中翔＝０ｍ，Ｖ０＝２５
ｒ１１／ｓ。
图１０～１３则显示了ＡＣＣ的效果。除了加入位移（车距）控制外，其余各种条件均与图６～９所示的ＣＣ相同。
由图６～１３可以看出，在ＩＶ纵向运动控制器
ＬＭＣ控制下：①车辆纵向运动误差很小，完全可
以满足ＩＶｃｃ和ＡｃＣ的要求。②冲击最大值不超过４０１１１／ｓ３（允许冲击可达８∥ｓ），具有良好的平顺性。
⑧ＬＭＣ对发动机、刹车器和车辆参数变化，以及不同的车辆运行初始状态和一定幅度的量测噪声等具有良好的适应能力。④在油门和刹车切换逻辑
协调下，油门和刹车没有频繁切换现象和歧义动作。
⑤量测噪声对控制性能具有显著影响。为补偿量测噪声引起的控制精度的劣化，控制执行机构（尤其是油门执行器１需要频繁动作，从而显著增加了控制能
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图７丁＃０．００２ｓ，Ｚ．眦ｊ＝０．０８ｓ，△ｆｉ。＝６．５／吐，ｍ＝１６８８ｋｇ，
及ｆ）＝０．３
ｓ，ｆ＝Ｏ．１
ｓ，其余参数取名义值时的ＣＣ效果
１００
机械工程学报第４２卷第１１期
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参数同图６的ＣＣ效果
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２００６年１１月李贻斌等：智能车辆的纵向运动控制
１０１
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运行时间ｆ／ｓ
图１２有量测噪声而其余参数同图１０的ＡＣＣ效果
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运行时间ｆ／ｓ
运行时间ｆ／ｓ
图１３有量测噪声而其余参数同图１１的ＡＣＣ效果
万
方数据量，并对执行器带宽提出更高要求。这表明了采用高精度量测传感器的必要性。
⑥加速度和速度规
划在改善ＩＶ纵向控制精度、鲁棒性和平顺性方面作用明显。⑦与ＣＣ相比，用于ＡＣＣ的刹车控制更加平顺，这是ＡＣＣ中位移控制产生的平滑滤波作用
的结果。５
结论
结合加速度和速度规划，使用复杂对象控制器
自动设计方法设计的Ⅳ纵向运动控制器ＬＭＣ，对发动机、刹车器和ＩＶ非线性、纯延迟和不确定性等特性，以及不同的初始状态和一定幅度的量测噪声均具有良好的适应能力，完全可以满足Ⅳ纵向运动高精度、强鲁棒性和平顺性的要求。
与已有成果相比，该项研究在使用中等复杂程度的发动机动态模型和刹车器动态模型的同时，充分考虑了发动机、刹车器和车辆的非线性、纯延迟、
不确定性，以及外界环境和量测噪声的不确定性，这与实际系统的吻合度更高，所设计的Ⅳ纵向运动控制器因而具有更好的控制性能。
本文的研究表明ＡＣＣ在改善刹车控制平顺性方面具备很大的优势，采用高精度量测传感器和高带宽执行器是非常必要的，能为ＩＶ纵向运动控制系
统设计提供了指导。
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ｏｎ
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ｔｈｅ
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作者简介：李贻斌，１９６０年出生，男，教授，博士生导师。主要研究方
向为机器人技术、智能控制和智能信息处理。Ｅ＿ｍａｉｌ：１ｉｙｂ＠ｓｄｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
智能车辆的纵向运动控制
作者：作者单位：
李贻斌， 阮久宏， 李彩虹， 付梦印， LI Yibin， RUAN Jiuhong， LI Caihong， FU Mengyin
李贻斌,LI Yibin(山东大学机器人研究中心,济南,250061;天津大学电气与自动化工程学院,天津,300072)， 阮久宏,RUAN Jiuhong(山东交通学院科研处,济南,250023)， 李彩虹,LICaihong(山东大学机器人研究中心,济南,250061)， 付梦印,FU Mengyin(北京理工大学信息科学技术学院,北京,100081)
机械工程学报
CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING2006,42(11)1次
刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jxgcxb200611015.aspx