汽車(chē)自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

沈陽(yáng)理工大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 潘勇宏 王佳宇

1 引言

隨著人們對(duì)汽車(chē)的舒適性、安全性和易操作性的要求的提高，各國(guó)逐漸深入研究各種駕駛模式和駕駛輔助系統(tǒng)的智能車(chē)輛。自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（ACC）作為現(xiàn)代先進(jìn)的汽車(chē)安全控制系統(tǒng)（AVCSS）是一個(gè)重要的發(fā)展方向，它是在開(kāi)發(fā)傳統(tǒng)巡航控制技術(shù)中，基于定速巡航控制系統(tǒng)的功能，而且也具有應(yīng)用汽車(chē)車(chē)輪速度傳感器的車(chē)速反饋信息自動(dòng)調(diào)整車(chē)速保持本ACC系統(tǒng)車(chē)輛與前方車(chē)輛的安全車(chē)距的功能，可以有效地降低駕駛員的駕駛強(qiáng)度，提高司機(jī)的駕駛環(huán)境，減少交通事故，因此越來(lái)越多的人的關(guān)注。

2 ACC系統(tǒng)模型的選擇和建立

ACC系統(tǒng)作為汽車(chē)輔助駕駛系統(tǒng)的一個(gè)重要研究方向，研究的主要目的是代替駕駛員在適當(dāng)?shù)慕煌l件下合理控制車(chē)輛安全行駛。以及如何使用信息傳感器單元輸入決定適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)輸出和車(chē)輛的合理控制，汽車(chē)ACC系統(tǒng)的研究和應(yīng)用的核心是為實(shí)現(xiàn)ACC系統(tǒng)的控制。車(chē)輛安全距離的確定和系統(tǒng)控制理論和方法的選擇是ACC系統(tǒng)控制技術(shù)的主要內(nèi)容。

安全距離是指在車(chē)輛減速能力，速度和道路附著條件一定的情況下車(chē)輛并沒(méi)有碰撞到前方車(chē)輛或障礙物所需要保持的最小安全距離。能夠準(zhǔn)確、快速地確定理想安全距離是確保自適應(yīng)巡航系統(tǒng)控制功能的前提和基礎(chǔ)。

國(guó)內(nèi)外研究的汽車(chē)ACC系統(tǒng)對(duì)理想的安全距離模型有不同的形式。但從系統(tǒng)整體來(lái)看安全距離通式為：車(chē)輛間隔時(shí)間為T(mén)h，可以是一個(gè)常數(shù)，可以同時(shí)被人為設(shè)置；V為車(chē)輛速度或車(chē)輛速度的函數(shù)。

圖1 安全距離示意圖

圖1中，為理想安全間距為ds，ACC系統(tǒng)車(chē)輛的瞬時(shí)速度和加速度分別為VC和aC，前行車(chē)輛的瞬時(shí)速度為Vt。

當(dāng)選取理想安全距離模型時(shí)，不同的汽車(chē)應(yīng)用商會(huì)根據(jù)自身的追求依據(jù)不同因素的考慮對(duì)上述安全距離計(jì)算公式采取不同的算法形式，并且要與所開(kāi)發(fā)的ACC系統(tǒng)所注重的品質(zhì)和側(cè)重的性能指標(biāo)密切相關(guān)。本設(shè)計(jì)所采用的理想安全距離模型則是在考慮極端情況下前后兩車(chē)也不發(fā)生碰撞事故的基礎(chǔ)上推導(dǎo)得出的：

式中，當(dāng)前車(chē)輛理想安全距離為ds；駕駛員反應(yīng)時(shí)間與系統(tǒng)延遲時(shí)間之和為T(mén)R；ACC系統(tǒng)車(chē)輛及前行車(chē)輛的瞬時(shí)速度分別為VC和Vt；ACC系統(tǒng)車(chē)輛和前行車(chē)輛的最大制動(dòng)減速度分別為bc和bt。由于前車(chē)的最大制動(dòng)減速度在通常情況下無(wú)法直接獲得，故上述理想安全距離公式在具體應(yīng)用時(shí)采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定前車(chē)的最大制動(dòng)減速度范圍。

圖2中，兩車(chē)實(shí)際距離和兩車(chē)?yán)硐刖嚯x分別為d和ds；車(chē)輛距離偏移量為do；決策出的理想加速度為ades；K、k1、k2為比例增益；由駕駛員預(yù)設(shè)的巡航速度為Vset；ACC系統(tǒng)車(chē)輛瞬時(shí)速度為Vc； ACC車(chē)輛的理想速度為Vdes，其值為前車(chē)速度與偏移速度之和；前行車(chē)輛瞬時(shí)速度為V。

圖2 ACC系統(tǒng)算法流程圖

ACC系統(tǒng)工作原理：車(chē)輛打開(kāi)自適應(yīng)巡航控制設(shè)置按鈕后，安裝在前面的車(chē)輛雷達(dá)將連續(xù)掃描前方路況，測(cè)量本車(chē)距離前面車(chē)輛或障礙物的距離。如果沒(méi)有前面的車(chē)輛或障礙物，車(chē)輛是在一個(gè)設(shè)定好的速度下巡航控制。當(dāng)本車(chē)前方出現(xiàn)行駛車(chē)輛或障礙物時(shí)，被車(chē)輛前方的雷達(dá)掃描到，ACC系統(tǒng)控制器則會(huì)計(jì)算出本車(chē)的瞬時(shí)速度和加速度等車(chē)輛數(shù)據(jù)，然后發(fā)出適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)或制動(dòng)力矩控制命令：當(dāng)本車(chē)輛距離前面的車(chē)輛太小，或當(dāng)前面突然插入另一輛車(chē)，并且前面的車(chē)輛速度小于本車(chē)輛速度時(shí)，ACC系統(tǒng)則發(fā)出制動(dòng)信號(hào)，降低車(chē)輛速度以確保兩車(chē)之間的距離為一個(gè)安全距離，減速至期望值后使用跟蹤控制；當(dāng)檢測(cè)到前方的行駛車(chē)輛為加速行駛時(shí)，ACC系統(tǒng)發(fā)送的加速度信號(hào)，車(chē)輛加速至期望值后使用跟蹤控制；當(dāng)本車(chē)或前方行駛車(chē)輛駛出原車(chē)道而使得前方無(wú)行駛車(chē)輛時(shí)，ACC系統(tǒng)會(huì)對(duì)車(chē)輛發(fā)出加速控制信號(hào)，使汽車(chē)保持在一個(gè)設(shè)定的速度下勻速巡航。ACC系統(tǒng)模式的退出方法分為兩種情況：第一種為被動(dòng)退出，即駕駛員按下自適應(yīng)巡航系統(tǒng)的退出按鈕時(shí)，系統(tǒng)退出ACC控制；第二種為主動(dòng)智能退出，即駕駛員對(duì)車(chē)輛進(jìn)行加速或制動(dòng)等操作時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)退出ACC控制。

3 結(jié)論

目前，國(guó)外已經(jīng)做了很多有關(guān)于A(yíng)CC系統(tǒng)的控制理論和方法研究的工作，并已經(jīng)在一些高端汽車(chē)上安裝使用了自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)。而國(guó)內(nèi)的研究與發(fā)達(dá)國(guó)家在這一領(lǐng)域有很大的差距，因此更加深入Dev研究ACC系統(tǒng)的控制理論和方法，車(chē)輛ACC系統(tǒng)產(chǎn)品的高效性和實(shí)用性的開(kāi)發(fā)，將是在這一領(lǐng)域未來(lái)的研究方向。目前從國(guó)內(nèi)外ACC系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀角度來(lái)看，應(yīng)該關(guān)注以下技術(shù)：

（1）通信技術(shù)，包括在車(chē)輛間的通信，車(chē)輛之間與車(chē)輛控制中心的通信等；

（2）多傳感器信息融合技術(shù)，包括車(chē)載雷達(dá)傳感器測(cè)距技術(shù)及計(jì)算機(jī)視覺(jué)等信息的融合技術(shù)等；

（3）ACC系統(tǒng)和其它車(chē)輛智能控制系統(tǒng)的集成技術(shù)，如ACC系統(tǒng)與車(chē)輛自動(dòng)啟動(dòng)/停止系統(tǒng)，與前后方車(chē)輛防碰撞預(yù)警系統(tǒng)，突發(fā)事件下的ABS系統(tǒng)的集成等。

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