Audi A8主動(dòng)巡航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能及發(fā)展

宋學(xué)忠

（煙臺(tái)南山學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 265713）

1 主動(dòng)巡航系統(tǒng)

主動(dòng)巡航 （Adaptive Cruise Control，ACC）系統(tǒng)也叫做自適應(yīng)巡航系統(tǒng)，是在定速巡航系統(tǒng) （Cruise Control System，CCS）的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的全新巡航系統(tǒng)。它是將汽車定速巡航系統(tǒng)和車間安全距離保持系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，既能夠自動(dòng)保持車輛的巡航速度，又能夠保持本車與前方車輛設(shè)定的安全距離，防止與前方車輛發(fā)生碰撞。

2 主動(dòng)巡航系統(tǒng)功能

主動(dòng)巡航系統(tǒng)是一種智能化的自動(dòng)控制系統(tǒng)，在車輛的行駛過(guò)程中，安裝在車輛前部的車距傳感器 （雷達(dá)，圖1）持續(xù)掃描車輛前方的道路 （圖2），同時(shí)輪速傳感器采集車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)。當(dāng)與前車之間的距離過(guò)小時(shí)，ACC控制單元可以通過(guò)與制動(dòng)防抱死系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)動(dòng)作，使車輪適當(dāng)制動(dòng)，并使發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率下降，以使車輛與前方車輛始終保持設(shè)定的安全距離。主動(dòng)巡航系統(tǒng)在控制車輛制動(dòng)時(shí)，通常會(huì)將制動(dòng)減速度限制在不影響舒適的程度，當(dāng)需要更大的減速度時(shí)，ACC控制單元會(huì)發(fā)出聲光信號(hào)通知駕駛者主動(dòng)采取制動(dòng)操作。當(dāng)與前車之間的距離增加到安全距離時(shí)，ACC控制單元控制車輛按照設(shè)定的速度行駛。當(dāng)與前車的車距大于駕駛員設(shè)定的值，那么車就會(huì)加速，直至車速達(dá)到駕駛員設(shè)定的車速值。

主動(dòng)巡航系統(tǒng)的主要功能如圖3所示。

1）當(dāng)前方?jīng)]有車輛時(shí)，如圖3a所示，ACC車輛將處于普通的定速巡航狀態(tài)，按照駕駛員設(shè)定的車速行駛，駕駛員只需要進(jìn)行方向的控制即可，減輕了駕駛員駕駛車輛的工作強(qiáng)度。這里還包括一個(gè)工況，就是當(dāng)駕駛員要在設(shè)定的速度基礎(chǔ)上加速時(shí)，ACC車輛將按駕駛員意圖加速行駛。當(dāng)駕駛員不再加速以后，如果沒(méi)有新的速度設(shè)定，ACC車輛將繼續(xù)按照原先設(shè)定的車速行駛 （勻速控制）。

2）當(dāng)ACC車輛前方出現(xiàn)目標(biāo)車輛時(shí)，如圖3b所示，如果目標(biāo)車輛的速度低于ACC車輛的速度，ACC車輛將自動(dòng)開(kāi)始進(jìn)行平滑的減速控制，進(jìn)行減速行駛 （減速控制）。

3）當(dāng)ACC車輛與目標(biāo)車輛之間的距離等于ACC車輛設(shè)定的安全車距時(shí)，如圖3c所示，ACC車輛采取跟隨控制，即與目標(biāo)車輛以相同的車速行駛 （跟隨控制）。

4）當(dāng)目標(biāo)車輛換道或者ACC車輛換道后，前方又沒(méi)有其他的目標(biāo)車輛，如圖3d所示，這時(shí)ACC車輛恢復(fù)到初期設(shè)定的車速行駛 （加速控制）。

綜上所述，主動(dòng)巡航系統(tǒng)不僅具有定速巡航系統(tǒng)所具備的定速功能，即將車輛自動(dòng)控制在駕駛員設(shè)定的速度下，還能根據(jù)與前方車輛的距離，決定本車是保持原車速還是減速還是加速行駛。主動(dòng)巡航系統(tǒng)由于減少了對(duì)加速踏板和制動(dòng)踏板的操作，可以明顯減輕駕駛員的勞累程度，提高駕駛舒適性，同時(shí)使駕駛員嚴(yán)格遵守車速限制以及控制車距，可以保證汽車的行駛安全和交通的暢通。

因此，Audi A8主動(dòng)巡航系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)上述功能必須具備下述能力。

2.1 車距測(cè)量

1）車距測(cè)量示意如圖4所示。從汽車?yán)走_(dá)發(fā)射電磁波信號(hào)到接收反射回來(lái)的電磁波信號(hào)所需要的時(shí)間取決于汽車之間的距離。如圖5所示，B中的距離是A中的2倍，那么B中反射信號(hào)到達(dá)接收器所需時(shí)間就是A中的2倍。

2）直接測(cè)量這個(gè)時(shí)間很復(fù)雜，因此實(shí)際采用間接測(cè)量法:將連續(xù)發(fā)射的超高頻振蕩波作為發(fā)射信號(hào)，只需簡(jiǎn)單地比較一下發(fā)射信號(hào)和接收 （反射）信號(hào)的頻率差就可以了。因?yàn)榘l(fā)射信號(hào)和接收（反射）信號(hào)的頻率差直接取決于物體之間的距離，物體之間的距離越大，反射信號(hào)被接收前所運(yùn)行的時(shí)間越長(zhǎng)，于是發(fā)射頻率和接收頻率之間的差就越大，如圖6所示。

2.2 前車車速測(cè)量

1）多普勒效應(yīng):對(duì)于反射發(fā)射出來(lái)的波的物體來(lái)講，它相對(duì)于發(fā)射出波的物體是處于靜止?fàn)顟B(tài)還是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，是有本質(zhì)區(qū)別的。如果發(fā)射出波的物體與反射波的物體之間的距離減少了，那么反射波的頻率就提高了，反之若距離增大，那么頻率就降低。多普勒效應(yīng)在日常生活中的應(yīng)用如圖7所示，當(dāng)消防車或救護(hù)車駛近時(shí)，其報(bào)警聲聽(tīng)起來(lái)是一種持續(xù)的高音調(diào) （高頻），當(dāng)消防車或救護(hù)車越走越遠(yuǎn)時(shí)，我們聽(tīng)到的音調(diào)就降低了 （低頻）。

2）圖8為前車車速測(cè)量示意圖。運(yùn)用多普勒效應(yīng)，前車速度提高，與后車的距離增大，接收 （反射）的信號(hào)的頻率就降低了，反之，前車速度降低，與后車的距離減少，接收 （反射）的信號(hào)的頻率就增加了。多普勒效應(yīng)測(cè)速原理如圖9所示，由于會(huì)導(dǎo)致在信號(hào)的上升沿和下降沿之間產(chǎn)生一個(gè)不同的差值，車距調(diào)節(jié)控制單元會(huì)分析這個(gè)差值，從而判斷前車的速度變化。

2.3 前車位置測(cè)量

1）前車位置測(cè)量示意如圖10所示。雷達(dá)探測(cè)信號(hào)以葉片狀向外發(fā)射，信號(hào)的強(qiáng)度隨著與車上發(fā)射器距離的增大而在縱向和橫向上降低，如圖11所示。

2）雷達(dá)采用3束雷達(dá)波形式發(fā)射電磁波，通過(guò)檢測(cè)各個(gè)雷達(dá)束接收 （反射）信號(hào)的振幅比 （信號(hào)強(qiáng)度）可以確定本車與前車相對(duì)運(yùn)動(dòng)的角度，如圖12所示。

2.4 跟蹤車輛的選擇

在實(shí)際行車中，車距調(diào)節(jié)控制單元對(duì)檢測(cè)到的車輛側(cè)傾、車輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角等信號(hào)進(jìn)行分析，把雷達(dá)檢測(cè)到的距離本車最近的物體作為車距調(diào)節(jié)的參照物，根據(jù)汽車的轉(zhuǎn)彎半徑和特定的車道平均寬度來(lái)確定一條假想的車道，如圖13所示。

3 Audi A8主動(dòng)巡航系統(tǒng)構(gòu)成

Audi A8主動(dòng)巡航系統(tǒng)構(gòu)成如圖14所示。車距傳感器和車距調(diào)節(jié)控制單元安裝在同一殼體內(nèi) （圖15），通過(guò)支架上的調(diào)節(jié)螺栓可以調(diào)節(jié)車距傳感器的安裝位置。

Audi A8采用調(diào)頻連續(xù)波 （FMCW）毫米波雷達(dá)進(jìn)行測(cè)距，該種雷達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其基本工作原理是:毫米波雷達(dá) （車距傳感器）天線發(fā)射連續(xù)的調(diào)頻信號(hào) （一般為連續(xù)三角形波），當(dāng)遇到前方障礙物時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與發(fā)射信號(hào)有一定延時(shí)的回波；通過(guò)雷達(dá)天線接收回波信號(hào)，車距調(diào)節(jié)控制單元處理這些雷達(dá)信號(hào)以及其他輸入信號(hào)；通過(guò)處理這些信號(hào)就可以確定雷達(dá)視野中出現(xiàn)的物體哪一個(gè)是相關(guān)的前車，即本車按其調(diào)節(jié)車距的那臺(tái)車，于是前車的位置、車速及當(dāng)前的車距就可以確定，確定的數(shù)據(jù)被發(fā)送到多點(diǎn)噴射控制單元、自動(dòng)變速器控制單元以及ESP控制單元。同時(shí)，通過(guò)車距調(diào)節(jié)CAN總線和數(shù)據(jù)總線診斷接口 （網(wǎng)關(guān)）傳送到驅(qū)動(dòng)CAN總線上。毫米波雷達(dá)具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、運(yùn)行可靠、測(cè)量性能受天氣等外界因素的影響少等特點(diǎn)，可以獲得主車與目標(biāo)車輛間距離、相對(duì)速度、相對(duì)位置等信息。

4 主動(dòng)巡航系統(tǒng)工作原理概述

下面就以Audi A8主動(dòng)巡航系統(tǒng)一個(gè)典型的調(diào)節(jié)例子來(lái)概述其工作原理。

1）如圖16所示，A車駕駛員已經(jīng)激活主動(dòng)巡航系統(tǒng)，并選定了巡航車速v和巡航車距d，A車已經(jīng)加速到了選定的巡航車速。

2）如圖17所示，這時(shí)如果有另一輛車 （摩托車）闖入A、B兩車之間，那么主動(dòng)巡航系統(tǒng)施加的制動(dòng)就不足以使藍(lán)車和摩托車之間的距離達(dá)到設(shè)定的巡航車距 （主動(dòng)巡航系統(tǒng)出于舒適性的考慮，制動(dòng)力只能達(dá)到制動(dòng)系統(tǒng)最大制動(dòng)減速能力的25%），于是就有聲、光報(bào)警信號(hào)來(lái)提醒駕駛員，應(yīng)踏下制動(dòng)踏板實(shí)施制動(dòng)。

3）如圖18所示，如果前車駛離車道，那么雷達(dá)就會(huì)檢測(cè)到這一情況，于是A車又開(kāi)始加速，直到達(dá)到設(shè)定的巡航車速。

主動(dòng)巡航系統(tǒng)控制功能圖如圖19所示。

5 主動(dòng)巡航系統(tǒng)的局限性

1）主動(dòng)巡航系統(tǒng)是駕駛輔助系統(tǒng)，而不是全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，因此駕駛員要注意路面情況，必要時(shí)還要施加制動(dòng)。

2）主動(dòng)巡航系統(tǒng)在車速為30～200 km／h時(shí)才工作。

3）在駛?cè)霃澋阑蝰傠x彎道時(shí)，本車可能短時(shí)失去了前車目標(biāo)，或者將相鄰車道上的某車當(dāng)成了目標(biāo)，車輛會(huì)出現(xiàn)短時(shí)的加速或減速，如圖20、圖21所示。

4）雨水和污物會(huì)影響雷達(dá)的工作效果。

6 主動(dòng)巡航系統(tǒng)的發(fā)展

1）通過(guò)駕駛員輔助系統(tǒng)支持主動(dòng)巡航系統(tǒng)。新一代Audi A8的主動(dòng)巡航系統(tǒng)帶有Stop﹠Go（停停走走）功能，其主要特點(diǎn)是將主動(dòng)巡航系統(tǒng)工作的車速范圍改為0～200km／h，以應(yīng)對(duì)在城市中行駛時(shí)頻繁的停車和起步情況。自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的這種擴(kuò)展功能，可以使汽車在非常低的車速時(shí)也能與前車保持設(shè)定的距離。當(dāng)前方車輛起步后，自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)會(huì)提醒駕駛者，駕駛者通過(guò)踩加速踏板或按下按鈕發(fā)出信號(hào)，車輛就可以起步行駛。

2）自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)使車輛的編隊(duì)行駛更加輕松。ACC控制單元可以設(shè)定自動(dòng)跟蹤的車輛，當(dāng)本車跟隨前車行駛時(shí)，ACC控制單元可以將車速調(diào)整為與前車相同，同時(shí)保持穩(wěn)定的車距，而且這個(gè)距離可以通過(guò)轉(zhuǎn)向盤(pán)附近的控制桿上的設(shè)置按鈕進(jìn)行選擇。

3）新一代主動(dòng)巡航系統(tǒng)控制單元還從其他駕駛員輔助系統(tǒng)控制單元接收下列信息:①前行車輛（包括本車車道和相鄰車道上的車）的位置，如圖22所示；②前行車輛將要變道的信息；③車前周圍區(qū)域識(shí)別出的物體，如圖23所示。

［1］張軍.汽車舒適與安全系統(tǒng)檢修［M］.北京:人民郵電出版社，2009:158-162.

［2］邢忠義.汽車汽車新結(jié)構(gòu)與新技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008:123-124.