维普资讯 http://www.cqvip.com 第２４卷第３期 武汉理工大学学报・信息与管理工程版 Ｖｏ１．２４ Ｎｏ．３ 生鱼旦 ！ ！ ！ 丝 堡 ］Ｌｉｎｅ ２００２ 文章编号：１００７—１４４Ｘ１２００２）０３—０１４５—０４ 汽车间距速度跟踪控制的仿真设计 孙晓明 （武汉理工大学自动化学院，湖北武汉４３００７０） 摘要：高速公路上行驶车辆之间存在有如何保持车间距的问题，提出了用等速跟踪控制的设计方案。研究 结果表明，该方案可以选用九点控制器，以确保解决汽车在高速公路上行驶的等速跟踪控制问题。使用 ＭＡＴＬＡＢ软件进行了速度跟踪控制的系统仿真设计，其仿真运算的结果表明，该设计方案结构简单、经济实 用。 关键词：九点控制器；智能控制；泛布尔代数；自动驾驶 中图法分类号：Ｕ ４６３．２３４．７ 文献标识码：Ａ １问题的提出 目前在我国的高速公路上规定，一般行驶的 小车限速为１１０ ｋｍ／ｈ（３０．６ ｍ／ｓ），并规定车间距 保持为２００ｍ。这是从车况和驾驶员的精神状况 及驾驶经验考虑的，其主要理由如下：①为了防止 踪控制系统，控制本车与前面汽车速度相同，即可 保证两辆汽车行驶时车间距。用九点控制器设计 的速度跟踪控制系统如图１所示。在保持一定距 离的基础之上，用测速雷达实时获取前面一辆汽 车的速度，作为本车速度的给定量，将当前时刻本 车速度与前面一辆汽车速度的偏差作为九点控制 器调节的输入量，经九点控制器的控制决策后产 生调节输出，调节汽车油门从而控制本汽车的速 度，保持与前一车辆同速行驶。 汽车保养不好而造成事故隐患。②如果长时间车 间距太小，则汽车驾驶员容易产生视觉疲劳。③ 如果前面一辆汽车突然发生故障，则可给后面这 辆汽车的驾驶员６．５ｓ的处理时间。④防止一些 不可预见的因素而发生追尾事故。然而随着社会 的发展，汽车必将会越来越多地走进家庭，而高速 公路上车间距将会成为汽车流量的瓶颈。为了解 决高速公路的汽车流量而造成的堵塞，通过增加 汽车的自动化含量，可以提高汽车自动驾驶能力， 减少汽车间距并保持汽车间的同速行驶。因为汽 车在行驶过程中，两车之间的距离先反应在它们 的速度上，基次是它们之间的距离。因此解决汽 车间的同速行驶问题即可解决汽车流量的矛盾。 自动驾驶应选用速度跟踪控制方法，采用测速雷 图１智能汽车同速控制系统组成 ２．２九点控制器原理 首先对若干概念予以规定：设定值ｒ为由测 速雷达测出前面汽车的速度给定量；偏差 为设 达为给定单元，用笔者提出的九点控制器又称为 基本型控制器…的方法进行设计，并用ＭＡＴＬＡＢ ５．３软件进行仿真实验。仿真结果表明，此方法 定值一本车速度的测量值；偏差变化率ｅ为本次 偏差量一上次偏差量；平衡带０为偏差或偏差变 化率在所容许的范围内；输出量ｃ为汽车油门控 制；反馈系数Ｋ为车速转换系数。即车速偏差： ｅ ｒ—Ｋｃ 能够解决汽车在高速公路上行驶的速度跟踪控制 问题。 九点控制器不是模糊控制器，它是依据偏差 与偏差变化率之间的逻辑关系，所产生的控制策 ２控制原理 ２．１系统组成 略而形成的控制器。其逻辑符号Ｙｉ～ ７服从泛 布尔代数公理体系［引。其特点是模拟人类的思 维方式进行逻辑控制。在一般情况下不需要复杂 在高速公路上行驶时，汽车内需配备速度跟 收稿日期：２００１—１１—０９． 的数学运算，采用变增益控制即可。它根据当前 作者简介：孙晓明（１９５６一），男，山东龙口人，武汉理工大学自动化学院实验师 维普资讯 http://www.cqvip.com １４６ 武汉理工大学学报．信息与管理工程版 Ｊ￡ ｔ Ｊ王Ｊ一／ 千千３Ｋ’ｌ口 ｔ — 日Ｊ王Ｊ一仕， ｘ ２００２年６月 所测得偏差和偏差变化率来判断未来响应的变化 系统对匀速和变速响应两方面人手，观测并分析 趋势，分成９个不同工作状况点，分别采取控制策 九点控制器对系统不同类型信号输入的跟踪性 能。在线性控制理论里，对于一个工型系统而言， 输入单位斜坡响应［ ］时的稳态误差ｅ ，与系统 本身增益系数Ｋ 的倒数成正比关系，表示为： １ 略，迫使被控对象的输出快速向设定值靠拢。九 点控制器的调节输出量根据未来的变化趋势选用 不同的调节。 九点控制器逻辑控制规则见表１。 表１九点控制器控制规则表 九点控制器的控制系数可以设置成为不对称型和 对称型两种基本形式，如控制采用加速策略与减 速策略的控制作用系数，其绝对值相等而符号相 反。因此仅需设定单边控制作用系数即可，九点 控制器自带符号进行控制。模拟仿真系统的控制 作用系数，分别为８、３、１、０．５等，即表示为偏差在 不同变化趋势时有相应的控制策略。设定其他参 数时，是从误差的角度考虑，将偏差零区间带设定 为ｅ（０）＝±０．００１，前一车辆速度与本车速度误 差将在±０．００１区间内；从快速性的角度考虑，将 偏差变化率的０区间带设定为（０）＝±０．４。 为了使系统仿真易于实现，将汽车间速度信 号折算成电压信号。为了方便分析九点控制器对 系统的控制作用，同时将原形系统与有九点控制 ２．３仿真系统的构成 器的系统的２个系统融合在１个仿真界面内。其 系统仿真结构 Ｊ如图２所示。２个系统均与输入 信号进行比较，观测系统的各自响应曲线和跟踪 效果。 选用工型二阶典型系统为模拟仿真对象，从 图２系统仿真结构图 器后的系统响应曲线，其系统响应曲线与给定信 ３ ＭＡＴ 仿真系统的结果分析 号曲线在一定范围内基本重合。图４为图３（ｂ） 中对起始阶段响应曲线的局部放大图。图４显示 ３．１匀速跟踪误差分析 加入九点控制器后，改善了系统的动态指标，对输 用输入匀速（斜坡）信号，来观测系统跟踪控 制时的响应误差，所得结果如图３所示。图３（ａ） 为斜坡输入时原型系统响应曲线，正如线性控制 理论所分析的一样，原型系统对斜坡响应误差较 大，其误差为１个常数项。图３（ｂ）为加九点控制 入斜坡信号具有良好的快速跟踪能力。图５为图 ３（ｂ）中系统进入稳态后的局部放大区间，图５清 晰地反映出加入九点控制器后，系统的最大误差 仅为０．００１ｓ，此时既按照九点控制器设定的偏差 ０区间进行控制，控制精度在系统设定的要求范 维普资讯 http://www.cqvip.com １４７ 第２４卷第３ 孙晓明：汽车间匝速鏖 壁撞剑 基 围之内。 ｔ／ｓ ， （ｂ】 图３ 斜坡输入分别对原型、加九点控制器后系统响应 ｔ／ｓ 图４斜波输入对加九点控制器后起始区间响戍 ５斜波输入对加几点控制器届最大议差 ３．２变速跟踪性能分析 选用输入正弦波信号，观测九点控制器对系 统的跟踪适应能力，研究系统跟踪控制的反应能 力，以及此时系统的最大误差。假设正弦输人信 号幅值＞０时为增速、反之为减速。图６（ａ）为正 弦波输入时原型系统的响应曲线，表明原型系统 对变速响应无跟踪能力［引。图６（ｂ）为系统加入 九点控制器后的系统响应曲线，清晰地显示出，系 统响应曲线与正弦波输人信号在一定范围内重 合。图７为图６（ｂ）起始部分的局部放大区间，系 统在加入九点控制器后，对输入正弦波信号时起 始阶段的响应曲线，表明九点控制器变速信号具 有良好的快速跟踪能力。一般对正弦波输人信号 的跟踪控制系统，最大误差出现在信号的正、负顶 部位置。为分析此时系统的最大误差，将图６（ｂ） 的顶部进行局部放大形成图８。系统仿真结果再 次显示出，加入九点控制器后的系统，输入变速信 号的最大跟踪误差仅为０．００１，这也是按照九点 控制器偏差区间的设定，进行有效的控制。 １．５ ｌ ０．５ ０ Ｏ．５ 一ｌ １．５ ｔ／ｓ （ｂ） Ｎ６ ｌ下弦波输入分别对原型、加几点拧制器后系统响Ｊ、 ｔ｜Ｓ 幽７ 弦波输入对力ｌＩ几点控制器后起始区间响 从上述２个不同类型输入信号的实验仿真结 果，可以得到以下结论： ①对于变速、匀速不同输入信号，九点控制器 均能有效地跟踪控制。 ②同一对象、控制参数不变、不同类型输入 时，九点控制器的跟踪控制能够达到同样的控制 精度，显示出九点控制器具有很强的坚韧性。 ③九点控制器的控制精度可以直接根据参数 设定而获取需要，其控制精度的调整十分方便。 ④九点控制器方法简单，不需要复杂的数学 维普资讯 http://www.cqvip.com １４８ 武汉理工大学学报 位 皇箜理 猩 ２００２年６月 的土地让给汽车，而是应该合理地提高汽车的自 动化程度，尽可能地排除一些由驾驶员因疲劳和 驾驶经验而造成的一些人为因素，合理地减少汽 车间距、提高车流量，从而减少高速公路的压力， 为人类的生存空间，争得一片土地。 ２００１年在被称为世界三大车展之一的东京 车展上，其主体为“面向二十一世纪、开辟未来”。 为了发展更先进的“道路交通系统”，有关厂家已 ｔ／Ｓ 图８正弦波输入对加九点控制器后最大误差 开发出并使用了车载雷达系统，使汽车之间速度 跟踪控制系统实现更为方便。 参考文献： ［１］孙晓明，张南纶．基本型逻辑控制器［Ａ］．中国人工 智能学会第九届年会论文集［Ｃ］．北京：北京邮电大 学出版社，２００１．１８８—１８９． 运算，便于实施。 ⑤九点控制器可以适用于各种跟踪控制场 合。 ４结束语 从上述的２个仿真实例可以看出，九点控制 器具有良好的跟踪性能，并能够很好地解决在汽 车高速行驶时的速度跟踪控制问题。 随着加入ＷＴＯ，汽车逐步走向家庭是一个 ［２］张南纶，肖奚安，朱梧贾．泛布尔代数公理体系［Ｊ］． 空军气象学院学报，１９８５（１）：３３８—３５３． ［３］绪方胜彦．现代控制工程［Ｍ］．北京：科学出版社， １９７８． ［４］楼顺天，于卫．基于ＭＡＴＬＡＢ的系统分析与设计 ——非常现实的问题。但人类绝不应该将地球上仅有 控制系统［Ｍ］．西安：西安电子科技出版社。 】９９８． Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ Ｓｐｅｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｔｗｏ Ｍｏｂｉｌｅｓ ＳＵＮ Ｘｉａｏ——ｍｉｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅ ｅｘｉｓｔｓ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｈｏｗ ｔｏ ｋｅｅｐ ａｎ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｗｏ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓ ｏｎ ａ ｈｉｇｈｗａｙ．Ａ ｔｒａｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｔ ａｎ ｅｑｕａｌ ｓｐｅｅｄ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ．Ａ ｎｉｎｅ—ｐｏｉｎｔ∞ｎ— ｔｒｏｌｌｅｒ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ．ｔｒａｃｋ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｄ ａｔｅ ａｎ ｅｑｕａｌ ｓｐｅｅｄＡ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ．ｅｒｆｐｏｒｍｅｄ ｏｎ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＭＡＴＬＡＢ ｏｆｔｓｗａｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ ｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｏｆ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｖａｌｕｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｎｉｎｅ—ｐｏｉｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ：Ｐａｎ—Ｂｏｏｌｅａｎ ａｌｇｅｂｒａ；ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｄｒｉｖｉｎｇ ＳＵＮ Ｘｉａｏ—ｍｉｎｇ：Ｌａｂ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ；Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＷＩ『Ｔ，Ｗｕｈａｎ ４３００７０。Ｃｈｉｎａ． ［责任编辑：李道文］