汽車自適應(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)的智能車輛。自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（ACC）作為現(xiàn)代先進(jìn)的汽車安全控制系統(tǒng)（AVCSS）是一個(gè)重要的發(fā)展方向，它是在開發(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)用汽車車輪速度傳感器的車速反饋信息自動(dòng)調(diào)整車速保持本ACC系統(tǒng)車輛與前方車輛的安全車距的功能，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)輸出和車輛的合理控制，汽車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。

安全距離是指在車輛減速能力，速度和道路附著條件一定的情況下車輛并沒有碰撞到前方車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：車輛間隔時(shí)間為Th，可以是一個(gè)常數(shù)，可以同時(shí)被人為設(shè)置；V為車輛速度或車輛速度的函數(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)車輛的瞬時(shí)速度和加速度分別為VC和aC，前行車輛的瞬時(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TR；ACC系統(tǒng)車輛及前行車輛的瞬時(shí)速度分別為VC和Vt；ACC系統(tǒng)車輛和前行車輛的最大制動(dòng)減速度分別為bc和bt。由于前車的最大制動(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)確定前車的最大制動(dòng)減速度范圍。

圖2中，兩車實(shí)際距離和兩車?yán)硐刖嚯x分別為d和ds；車輛距離偏移量為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)車輛瞬時(shí)速度為Vc； ACC車輛的理想速度為Vdes，其值為前車速度與偏移速度之和；前行車輛瞬時(shí)速度為V。

圖2 ACC系統(tǒng)算法流程圖

ACC系統(tǒng)工作原理：車輛打開自適應(yīng)巡航控制設(shè)置按鈕后，安裝在前面的車輛雷達(dá)將連續(xù)掃描前方路況，測(cè)量本車距離前面車輛或障礙物的距離。如果沒有前面的車輛或障礙物，車輛是在一個(gè)設(shè)定好的速度下巡航控制。當(dāng)本車前方出現(xiàn)行駛車輛或障礙物時(shí)，被車輛前方的雷達(dá)掃描到，ACC系統(tǒng)控制器則會(huì)計(jì)算出本車的瞬時(shí)速度和加速度等車輛數(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)本車輛距離前面的車輛太小，或當(dāng)前面突然插入另一輛車，并且前面的車輛速度小于本車輛速度時(shí)，ACC系統(tǒng)則發(fā)出制動(dòng)信號(hào)，降低車輛速度以確保兩車之間的距離為一個(gè)安全距離，減速至期望值后使用跟蹤控制；當(dāng)檢測(cè)到前方的行駛車輛為加速行駛時(shí)，ACC系統(tǒng)發(fā)送的加速度信號(hào)，車輛加速至期望值后使用跟蹤控制；當(dāng)本車或前方行駛車輛駛出原車道而使得前方無(wú)行駛車輛時(shí)，ACC系統(tǒng)會(huì)對(duì)車輛發(fā)出加速控制信號(hào)，使汽車保持在一個(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ACC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，車輛ACC系統(tǒng)產(chǎn)品的高效性和實(shí)用性的開發(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)，包括在車輛間的通信，車輛之間與車輛控制中心的通信等；

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

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

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