專利名稱：車輛自適應巡航控制系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及車輛的巡航控制領域，特別涉及一種車輛自適應巡航控制系統(tǒng)及方法。
背景技術：
車輛的自適應巡航控制是一種先進的輔助駕駛系統(tǒng)。其從定速巡航控制發(fā)展而 來，通過實時測量本車與前車的距離和相對速度，計算出合適的油門或剎車制動的控制量， 通過自動調節(jié)實現(xiàn)車輛的車速控制或車距控制。自適應巡航控制有效地將駕駛員從繁重的 駕駛任務中解脫出來，又可以實現(xiàn)車輛的避碰控制，對于提高車輛駕駛的安全性、舒適性、 和節(jié)能性具有重要意義。安全性。據世界健康組織的統(tǒng)計結果(參見Broggi A. ,Zelinsky A. ,Parent Μ.， Thorpe C. Ε. Intelligent vehicles, In Spring Handbooks of Robotics, Siciliano B., Khatib 0. (Eds.), Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2008，pp. 1175-1198.)，全世界范 圍內每年約有120萬人死于交通事故，5000萬人受傷，其中90%是由于駕駛員的失誤造成， 包括疲勞駕駛、醉駕、超速等。正常駕駛員從發(fā)現(xiàn)情況到做出反應的平均時間為1秒，而車 輛的自適應巡航控制周期要短，因此能有效地避免絕大多數(shù)交通事故的發(fā)生。舒適性。市區(qū)交通擁擠，車輛駕駛經常起起停停，駕駛員需要完成大量的換檔和踩 離合器的工作(手動檔)，大約每分鐘完成20 30個手腳協(xié)調動作(甘志梅.基于激光雷 達的Mop&Go巡航控制技術研究.上海交通大學碩士學位論文，2009.)，是產生駕駛員疲勞 的主要原因，而自適應巡航控制則能將駕駛員從這種繁重勞動中完全解脫出來，使車輛駕 駛真正成為一種享受和樂趣。節(jié)能性。近來我們倡導節(jié)能、低碳，而低速行車時產生最多的尾氣排放，自適應巡 航控制則提供了一種優(yōu)化節(jié)能的控制技術。另一方面，裝備了自適應巡航控制的車輛之間 保持著合適的間距，有效地提高了道路的通行能力、緩解了交通擁擠，具有很好的經濟性。 最近研究表明，高速公路上裝有自適應巡航控制系統(tǒng)的車輛比例若達到25 %，能完全消除 高速公路的擁堵現(xiàn)象，在文章 Kesting A.，Treiber M.，Schonhof M.，Helbing D. Adaptive cruise control design for active congestion avoidance. TransportationResearch Part C，2008，16 :668-683.中有具體描述。然而，自適應巡航控制作為一種輔助駕駛系統(tǒng)，其應用普及的關鍵在于其控制 效果需要符合駕駛員的特性，否則就背離了輔助駕駛的初衷而容易被駕駛員否定，這就 對開發(fā)自適應巡航控制提出了更高的要求。一些專家質疑自適應巡航控制的作用，認為 其將成為人們摒棄的一項技術，其主要原因就在于此，例如在文章Rajaonah B.，Anceaux F. , Vienne F. Trust andthe use of adaptive cruise control :a study of a cut-in situation. CognitiveTechnology Work, 2006,8 :146-155.中對這種情況就有闡述。。綜上，現(xiàn)有技術中的車輛自適應巡航系統(tǒng)存在諸多優(yōu)點，但在控制車輛速度和車 距時，卻不能針對不同環(huán)境和不同駕駛習慣來進行自適應調節(jié)以改善用戶體驗。
因此，現(xiàn)有的車輛自適應巡航系統(tǒng)的功能亟待改善，以使其更好地發(fā)揮輔助駕駛 的作用。

發(fā)明內容
為了解決現(xiàn)有技術存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種自適應巡航控制系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的自適應巡航控制系統(tǒng)包括自適應巡航模式選擇單元，用于選擇不同的 自適應巡航模式 ，在不同的模式下對車輛的速度與車距進行不同的控制；數(shù)據采集單元，用 于采集車輛的狀態(tài)變量X(t)；控制單元，用于根據所述狀態(tài)變量x(t)生成車輛控制變量 u(t)；評價單元，用于根據所述狀態(tài)變量x(t)和控制變量u (t)對控制效果進行評價，如果 評價結果為控制效果不符合要求，則使評價單元和控制單元進行在線學習；油門控制單元 和制動控制單元，根據控制單元輸出的控制變量u (t)，利用車輛動力學逆模型提供單元的 數(shù)據，對油門和制動進行控制。本發(fā)明的車輛自適應巡航控制方法包括步驟選擇自適應巡航模式，在不同的模 式下對車輛的速度與車距進行不同的控制；采集車輛的狀態(tài)變量x(t)，該變量作為控制單 元的輸入；根據采集的狀態(tài)變量x(t)，由控制單元生成車輛控制變量U (t)；根據采集的車 輛狀態(tài)變量X (t)和生成的控制變量U (t)，由評價單元對控制效果進行評價，如果評價結果 為控制效果不符合要求，則進行評價單元和控制單元在線學習；如果評價結果為控制效果 符合要求，則根據控制變量U (t)，利用車輛動力學逆模型提供單元，對油門單元和制動單元 進行控制。本發(fā)明的自適應巡航控制系統(tǒng)和方法，通過離線仿真和實車實驗，提供了一種有 效的仿人特性的構造過程。所提出的自適應巡航控制系統(tǒng)和方法具有學習性和優(yōu)化性通 過對駕駛員特性的離線和在線學習，使其能模仿駕駛員的特性，而且通過構造評價單元指 導控制單元的學習，使控制特性能跟蹤駕駛員特性的變化。


圖1是本發(fā)明的車輛自適應巡航控制系統(tǒng)的結構框圖；圖2是本發(fā)明車輛的三維仿真駕駛平臺示意圖；圖3是本發(fā)明車輛的仿人式自適應巡航控制過程示意圖；圖4是本發(fā)明的車輛自適應巡航控制方法的流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本發(fā)明技術方案中所涉及的各個細節(jié)問題。應指出的是， 所描述的實施例僅旨在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。機動車的自適應巡航控制原理是通過距離傳感器(通常為毫米波雷達或激光雷 達)實時測量本車與前車的相對距離、相對速度，然后結合本車速度解算出實現(xiàn)車速或安 全車距保持所需要的油門和剎車制動的控制量，通過自動調節(jié)實現(xiàn)車輛的車速控制或車距 控制。目前所提出的自適應巡航控制的結構大致分為直接式和分層式兩種直接式采用集中控制器，直接通過對油門和剎車制動的調節(jié)實現(xiàn)車速控制或車距控制；分層式則將控 制任務分兩層實現(xiàn)，上層控制器根據本車周圍的環(huán)境信息計算期望的加速度、實現(xiàn)車速控 制或車距控制，而下層控制器則考慮車輛的動力學特性、通過對油門和剎車制動的調節(jié)實 現(xiàn)對期望加速度的控制。上層控制器著重于描述在不同駕駛場景下的駕駛員特性，而下層 控制器通常通過建立車輛縱向動力學的逆模型來實現(xiàn)。本發(fā)明的自適應巡航控制系統(tǒng)屬于上述的分層式，具體結構如圖1所示，該系統(tǒng) 包括自適應巡航模式選擇單元101、自適應巡航控制單元102、數(shù)據采集單元103、動力學 逆模型提供單元104、制動控制單元105以及油門控制單元106。自適應巡航模式選擇單元101用于供駕駛員選擇不同模式的自適應巡航模式。駕駛員的駕駛習慣有很大差別，與職業(yè)、性格、性別、年齡等有關，如出租車司機和 新手，年輕人和老年人的駕駛習慣區(qū)別很大。因此，需要設計符合各種駕駛習慣的自適應巡 航控制方法，該輔助駕駛系統(tǒng)才能廣為接受。本發(fā)明的自適應巡航模式可以包括安全式、快速式和舒適式，并為每種方式設計 不同的性能指標函數(shù)。安全式一般是指行駛速度比較低，在駕駛過程中會與前車保持大的車距，跟車停 止時與跟車起動時都會保持大的車距，如果有其它車輛插入的時候，都會選擇避讓等等，這 種方式適合駕駛習慣比較保守的駕駛員，選擇這種方式可最大程度的保證安全性。快速式一般是指在駕駛過程中在允許的情況下車速較快，通常與前車的車距很 小，在跟車停止或跟車啟動時保持很短的車距，在前方有車插入的時候通常不會選擇避讓， 這種方式適合于例如出租車司機或年輕人等有熟練駕駛經驗的群體，或者在有緊急事情的 情況下選擇這種方式。舒適式設置在安全式與快速式之間，可根據駕駛員的駕駛習慣來進行選擇。在這 種方式下，保持的車距是中等車距，在有其它車輛插入時會根據情況來判斷是允許插入還 是通過加速不允許插入。自適應巡航模式選擇單元可通過按鈕、菜單、操作桿、觸摸屏或遙控器等來實現(xiàn)。在現(xiàn)有技術中，對駕駛習慣的研究分析已有很多工作，如通過對駕駛數(shù)據的采集， 可以簡化地將駕駛習慣表示為下式dd(t) = d0+ τ vT(t)式中，Cltl為停車時本車和前車間的距離，dd(t)為行車時t時刻本車和前車的理想 間距，VT (t)為前車速度，τ定義為一個與駕駛員特性相關的線性系數(shù)。Cltl和τ若比較大，則對應比較保守的駕駛員，在本發(fā)明中，這樣的駕駛員可以選擇 安全式。Cltl和τ若中，則對應普通駕駛員，可以選擇本發(fā)明的舒適式。Cltl和τ若小，則對 應比較性急的駕駛員，可以選擇本發(fā)明的快速式。在本發(fā)明，優(yōu)選地將τ的變化范圍分為 三個區(qū)域，分別對應不同特性的駕駛員，供駕駛員在開車前進行選擇。例如，τ小于1對應 快速式，τ在1與4之間對應舒適式，τ大于4對應安全式?？筛鶕嶋H需要調整τ的三 個區(qū)域，分別對應不同特性的駕駛員，供駕駛員在開車前進行選擇。自動巡航控制單元102用于根據自適應巡航模式選擇單元101選擇的自適應巡航 模式以及數(shù)據采集單元103采集的數(shù)據，經過處理產生理想的加速度，然后將該加速度由 動力學逆模型提供單元104進行制動和油門控制量的解算，傳送到制動控制單元105和油門控制單元106。自動巡航控制單元102具體地包括評價單元1021和控制單元1022。評價單元1021用于準確估計出控制單元1022的性能指標函數(shù)R(t)，用來定量指 導控制單元1022的優(yōu)化。定義性能指標函數(shù)R(t)為每個時刻回報r (t)的累加和，以指導控制單元的優(yōu)化 過程，
權利要求
1.一種車輛的自適應巡航控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括自適應巡航模式選擇單元，用于選擇不同的自適應巡航模式，在不同的模式下對車輛 的速度與車距進行不同的控制；數(shù)據采集單元，用于采集車輛的狀態(tài)變量X(t)；控制單元，用于根據所述狀態(tài)變量x(t)生成車輛控制變量U(t)；評價單元，用于根據所述狀態(tài)變量X(t)和控制變量u(t)對控制效果進行評價，如果評 價結果為控制效果不符合要求，則使評價單元和控制單元進行在線學習；油門控制單元和制動控制單元，根據控制單元輸出的控制變量u (t)，利用車輛動力學 逆模型對油門和制動進行控制。
2.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述自適應巡航模式包括安全式、快速式 和舒適式。
3.根據權利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述自適應巡航模式的選擇方式包括按 鈕、菜單、操作桿、觸摸屏或遙控器。
4.根據權利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據采集單元為距離傳感器或速度 傳感器，所述狀態(tài)變量x(t)包括相對距離和相對速度(Ada)，△ ν (t))，所述控制單元生 成的控制變量u (t)為車輛的加速度。
5.根據權利要求1-4任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，評價單元的輸出為性能指標函 數(shù)的近似值，根據性能指標函數(shù)的近似值來判斷控制單元的控制效果是否符合要求，如果 符合要求，則控制單元繼續(xù)進行控制，否則評價單元和控制單元開始在線學習；或者當車輛 的油門或者剎車被踩下時，車輛被切換為駕駛員操作方式，評價單元和控制單元開始在線 學習。
6.根據權利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述評價單元的在線學習是采用標準三 層前向人工神經網絡模型，利用評價單元的學習誤差對評價單元進行學習，使評價單元的 學習誤差減小到預定值或者使學習次數(shù)達到預定值。
7.根據權利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制單元的在線學習是在評價單元 的在線學習收斂之后進行，采用標準三層前向人工神經網絡模型，利用控制單元的學習誤 差對控制單元進行學習，使控制單元的學習誤差減小到預定值或者使學習次數(shù)達到預定 值。
8.根據權利要求6或7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述性能函數(shù)指標的近似值表示為OOJ{t)= Σ，其中，γ 為折扣因子，ο < y ^ ι,k=t+lr(t)為 t 時亥Ij 的回報，表示為r(t) = -(X(t)TQX(t)+u(t)TRU(t)) = -(PdAd(t)2+PvAv(t)2+Paa(t)2)，其中Pd，Pv和Pa分別為相對距離、相對速度和加 速度的調節(jié)權重，Q和R為調節(jié)參數(shù)，T表示轉置矩陣，相對距離Ad(t)為實際距離與理想 距離的差，相對速度Av(t)為前車速度和本車速度差，a(t)為本車的加速度。
9.根據權利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，評價單元的學習誤差表示為瓦(0 = ^<⑴，其中，ec(t) = yJ(t)-J(t-l)+r(t),控制單元的學習誤差表示為
10.根據權利要求6或7所述的系統(tǒng)，其特征在于，在車輛被實際駕駛之前，評價單元和 控制單元在三維仿真駕駛平臺上進行與在線學習方式相同的離線學習，三維仿真駕駛平臺 能夠實現(xiàn)駕駛員和帶有自適應巡航控制系統(tǒng)車輛的聯(lián)合仿真，該平臺的硬件包括方向盤， 油門，剎車，數(shù)據采集器，顯示器和仿真計算機，軟件包括車輛的三維仿真模型，帶有車道的 仿真場景，嵌入車輛的縱向動力學模型和自適應巡航控制方法。
11.一種車輛的自適應巡航控制方法，該方法包括步驟選擇自適應巡航模式，在不同的模式下對車輛的速度與車距進行不同的控制；采集車輛的狀態(tài)變量X(t)，該變量被用于控制車輛的速度和車距；根據采集的狀態(tài)變量x(t)生成車輛控制變量u (t)；根據采集的車輛狀態(tài)變量x(t)和生成的控制變量u(t)對控制效果進行評價，如果評 價結果為控制效果不符合要求，則進行評價單元和控制單元在線學習；如果評價結果為控制效果符合要求，則根據控制變量u (t)，利用車輛動力學逆模型對 油門單元和制動單元進行控制。
12.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，所述自適應巡航模式包括安全式、快速 式和舒適式。
13.根據權利要求12所述的方法，其特征在于，所述自適應巡航模式的選擇方式包括 按鈕、菜單、操作桿、觸摸屏或遙控器。
14.根據權利要求13所述的方法，其特征在于，利用距離傳感器進行數(shù)據采集，所述狀 態(tài)變量X(t)包括距離和速度誤差(Ada)，Δνα))，所述控制單元生成的控制變量u(t)為 車輛的加速度。
15.根據權利要求11-14任一項所述的方法，其特征在于，評價輸出為性能指標函數(shù)的 近似值，根據性能指標函數(shù)的近似值值來判斷控制效果是否符合要求，如果符合要求，則繼 續(xù)進行控制，否則進行評價單元和控制單元的在線學習；或者當車輛的油門或者剎車被踩 下時，開始評價單元和控制單元的在線學習。
16.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述評價單元的在線學習是采用標準 三層前向人工神經網絡模型，利用評價單元的學習誤差對評價單元進行學習，使評價單元 的學習誤差減小到預定值或者使學習次數(shù)達到預定值。
17.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述控制單元的在線學習是在評價單 元的在線學習收斂之后進行，采用標準三層前向人工神經網絡模型，利用控制單元的學習 誤差對控制進行學習，使控制單元的學習誤差減小到預定值或者使學習次數(shù)達到預定值。
18.根據權利要求16或17所述的方法，其特征在于，所述性能函數(shù)指標的近似值表示為
19.根據權利要求18所述的方法，其特征在于，評價單元的學習誤差表示為
20.根據權利要求16或17所述的方法，其特征在于，在車輛被實際駕駛之前，評價單元 和控制單元在三維仿真駕駛平臺上進行與在線學習方式相同的離線學習，三維仿真駕駛平 臺能夠實現(xiàn)駕駛員和帶有自適應巡航控制系統(tǒng)車輛的聯(lián)合仿真，硬件包括方向盤，油門，剎 車，數(shù)據采集器，顯示器和仿真計算機，軟件包括車輛的三維仿真模型，帶有車道的仿真場 景，嵌入車輛的縱向動力學模型和自適應巡航控制方法。全文摘要
一種車輛的自適應巡航控制系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)包括自適應巡航模式選擇單元，用于選擇不同的自適應巡航模式；數(shù)據采集單元，用于采集車輛的狀態(tài)變量x(t)，該狀態(tài)變量x(t)被用于控制車輛的速度和車距；控制單元，用于根據采集的車輛狀態(tài)變量x(t)生成車輛控制變量u(t)；評價單元，用于根據數(shù)據采集單元采集的車輛狀態(tài)變量x(t)和控制單元生成的控制變量u(t)對控制效果進行評價，如果評價結果為控制效果不符合要求，則使評價單元和控制單元進行在線學習；油門控制單元和制動控制單元，根據控制單元輸出的控制變量u(t)，利用車輛動力學逆模型對油門和制動進行控制。利用本發(fā)明的系統(tǒng)和方法，使得車輛自適應巡航系統(tǒng)更加安全和人性化。
文檔編號G05B13/04GK102109821SQ20101061591
公開日2011年6月29日 申請日期2010年12月30日 優(yōu)先權日2010年12月30日
發(fā)明者趙冬斌 申請人:中國科學院自動化研究所