前向避撞預(yù)警系統(tǒng)的研究

(遼寧工業(yè)大學(xué) 遼寧 錦州 121001)

前向避撞預(yù)警系統(tǒng)的研究

孟鑫李興峰

(遼寧工業(yè)大學(xué)遼寧錦州121001)

交通事故引發(fā)的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失使得道路交通安全問(wèn)題成為一個(gè)日益嚴(yán)峻的社會(huì)課題，基于毫米波雷達(dá)的主動(dòng)安全技術(shù)能夠避免交通事故的發(fā)生，其中汽車前向避撞預(yù)警系統(tǒng)正成為國(guó)內(nèi)外主動(dòng)安全研究的熱點(diǎn)，深入展開(kāi)汽車避撞預(yù)警系統(tǒng)的研究對(duì)于降低事故發(fā)生率，減少人員財(cái)產(chǎn)損失，促進(jìn)智能交通的發(fā)展具有重要意義。

毫米波雷達(dá)；主動(dòng)安全；避撞預(yù)警；智能交通

一、引言

車輛主動(dòng)安全技術(shù)就是在交通事故發(fā)生之前，通過(guò)相關(guān)主動(dòng)安全設(shè)備對(duì)駕駛員進(jìn)行警示，實(shí)時(shí)提醒駕駛員車輛所處的交通環(huán)境和潛在危險(xiǎn)，當(dāng)事故將要發(fā)生時(shí)，控制系統(tǒng)臨時(shí)操縱制動(dòng)系或轉(zhuǎn)向系，防止事故的發(fā)生。近年來(lái)隨著電子、通信及信息技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，主動(dòng)安全技術(shù)已取得飛速進(jìn)步，常見(jiàn)的主動(dòng)安全設(shè)備有ABS、EBD、ESP、避撞預(yù)警系統(tǒng)(CWS)、TCS、自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)(ACC)、車道偏離預(yù)警系統(tǒng)(LDWS)、自動(dòng)泊車系統(tǒng)等。但想要從根本上降低道路交通事故發(fā)生率，防撞預(yù)警系統(tǒng)的研究就顯得尤為重要。

二、汽車避撞系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)資料顯示，有70%～90%的交通事故是由于駕駛員操作失誤所致。如果能夠在事故發(fā)生前提醒駕駛員注意并在緊急狀況下幫助駕駛員采取安全措施，對(duì)減少交通事故的發(fā)生無(wú)疑是非常有用的，汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)正是實(shí)現(xiàn)這一功能的技術(shù)手段。汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)利用現(xiàn)代信息技術(shù)、傳感技術(shù)來(lái)擴(kuò)展駕駛?cè)藛T的感知能力，將外界信息(如車速、其它障礙物距離)傳遞給駕駛?cè)藛T的同時(shí)綜合利用路況與車況信息，判斷車輛當(dāng)前運(yùn)行狀況的安全程度，在緊急情況下能自動(dòng)采取措施控制汽車，使汽車主動(dòng)避開(kāi)危險(xiǎn)，保證車輛安全行駛或最大可能的減小事故的傷害程度。汽車具備了這樣的主動(dòng)安全性，才可能從根本上減少交通事故，提高交通安全。

汽車縱向主動(dòng)避撞系統(tǒng)作為一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)與普通的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，由傳感器、控制器和執(zhí)行器三部分組成。傳感器的功能是準(zhǔn)確、快速的測(cè)量車輛運(yùn)行狀況及交通環(huán)境信息。控制器依據(jù)傳感器提供的信息和預(yù)先設(shè)定的參數(shù)、算法，進(jìn)行車輛當(dāng)前安全狀態(tài)的判斷，并依據(jù)控制算法計(jì)算結(jié)果向執(zhí)行器發(fā)出控制命令。執(zhí)行器接收控制器的控制指令，按照期望的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的控制操作。為實(shí)現(xiàn)主動(dòng)避撞的功能，汽車縱向主動(dòng)避撞系統(tǒng)包括以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：信息感知，安全狀態(tài)判斷，控制執(zhí)行技術(shù)。

(一)信息感知

車輛行車信息感知及處理就是利用安裝于汽車上的各種傳感器，實(shí)時(shí)的對(duì)車輛運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)必要的信號(hào)處理獲得準(zhǔn)確、可靠的行車信息。汽車縱向主動(dòng)避撞系統(tǒng)用到的傳感器主要包括：車間距離測(cè)量傳感器、車速傳感器、節(jié)氣門(mén)位置傳感器、制動(dòng)踏板、加速踏板及離合器動(dòng)作傳感器(自動(dòng)變速器車輛無(wú)需離合器動(dòng)作傳感器)、車輛加速度傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器以及制動(dòng)油壓傳感器等。在這些傳感器中，車間距離測(cè)量傳感器是主動(dòng)避撞系統(tǒng)特有的，國(guó)內(nèi)外對(duì)前向避撞系統(tǒng)行車信息感知及處理的研究集中于車間距離測(cè)量傳感器的研制及測(cè)量信號(hào)的處理方面。

(二)安全狀態(tài)判斷

車輛行車信息采集系統(tǒng)將獲得的車輛狀態(tài)及行車環(huán)境信息傳遞給汽車前向避撞系統(tǒng)中央控制器，中央控制器綜合利用多傳感器信息，依據(jù)安全狀態(tài)判斷邏輯進(jìn)行車輛行車安全狀態(tài)的判斷，并依據(jù)判斷結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的控制操作。車輛行車安全狀態(tài)判斷邏輯對(duì)汽車前向避撞系統(tǒng)性能有重要影響。

總結(jié)現(xiàn)有的安全距離模型，具有代表性的有以下三種：

(1)基于制動(dòng)過(guò)程運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的安全距離模型。典型的車輛制動(dòng)過(guò)程描述為：駕駛員識(shí)別前方交通情況，意識(shí)到應(yīng)進(jìn)行緊急制動(dòng)，將右腳移動(dòng)到制動(dòng)踏板并緊急制動(dòng)，直到車輛停止。

(2)基于車間時(shí)距的安全距離模型。車間時(shí)距是交通工程中的一個(gè)概念，表示車間距離與車輛速度的比值。實(shí)際交通條件下，在車輛以較小的相對(duì)速度跟隨行駛時(shí)，駕駛員保持的與前方目標(biāo)車輛間的距離與自車速度有一定的線性關(guān)系，基于車間時(shí)距的安全距離模型就是建立在這種現(xiàn)象基礎(chǔ)上，其安全距離計(jì)算公式為：

D=vc*t+d

其中，vc為自車速度，t表示駕駛員車間時(shí)距，一般取值為1.2～2.0s;d為一常數(shù)，一般取值1～5m。

(3)駕駛員預(yù)瞄安全距離模型。實(shí)際行車時(shí)，駕駛員總是要對(duì)車輛的運(yùn)行進(jìn)行一下預(yù)測(cè)，以決定當(dāng)前的操作，日本的研究人員以這種行為為基礎(chǔ)建立了駕駛員預(yù)瞄安全距離模型。

駕駛員預(yù)測(cè)ts后車間距離，將此車間距離與駕駛員認(rèn)為的界限車間距離d0進(jìn)行比較，如認(rèn)為ts后車間距離將小于d0，則在現(xiàn)在時(shí)刻即制動(dòng)，此時(shí)的車間距離值就是駕駛員期望保持的最小車間距離，定義為以駕駛員主觀感覺(jué)為依據(jù)確定的安全距離，表示如下：

D=-t*vrel-(af*t^2/2)+d0

其中，vrel表示相對(duì)速度，af為前車加速度，d0表示駕駛員期望保持的最小車距。

(三)控制執(zhí)行技術(shù)

汽車輛動(dòng)力學(xué)控制是實(shí)現(xiàn)汽車前向避撞系統(tǒng)功能的直接手段，控制的作用是調(diào)節(jié)車輛的縱向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)前向避撞系統(tǒng)所定義的功能。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于車輛縱向動(dòng)力學(xué)控制方面的研究開(kāi)始的較早，到現(xiàn)在已經(jīng)獲得了許多實(shí)用化的研究成果。按照控制功能實(shí)現(xiàn)方法的不同，可以將與汽車前向避撞相關(guān)的車輛縱向動(dòng)力學(xué)控制分為兩類：直接式控制和分層式控制。

直接式控制結(jié)構(gòu)用一個(gè)控制器實(shí)現(xiàn)車輛縱向動(dòng)力學(xué)控制的目的，控制器的輸入量是期望的車間距離或車輛速度，輸出量是期望的制動(dòng)壓力和節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，輸出量直接傳遞給車輛的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制車輛的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)期望的控制結(jié)果。分層式控制結(jié)構(gòu)將車輛縱向動(dòng)力學(xué)控制的目的分為兩層實(shí)現(xiàn)，上位控制器輸入量是期望的車間距離或車輛速度，輸出量是期望的車輛加速度或車輛速度，上位控制器的輸出量作為下位控制器的輸入量，下位控制器的輸出量是期望的制動(dòng)壓力和節(jié)氣門(mén)開(kāi)度。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)前向避撞預(yù)警系統(tǒng)的主要過(guò)程進(jìn)行了大致介紹，前向避撞預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用將推動(dòng)汽車的智能化、信息化也對(duì)無(wú)人駕駛技術(shù)起到促進(jìn)作用,從而讓我們的行車生活處于安全、舒適、快捷之中。

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孟鑫(1993-)，男，漢族，遼寧鐵嶺人，學(xué)生，專業(yè)碩士，遼寧工業(yè)大學(xué)，研究方向汽車智能輔助駕駛；李興峰(1990-)，男，漢族，遼寧朝陽(yáng)人，學(xué)生，碩士，遼寧工業(yè)大學(xué)，研究方向汽車智能輔助駕駛。