汽車防碰撞控制系統設計與實現

陶新武

摘要：科學技術的飛速提升，為新時期汽車工業的發展提供了充足的動力。目前汽車已經成為人們日常生活中最常見的交通工具，如何保障汽車行駛安全一直以來都是人們關注的熱點問題。對汽車防碰撞控制系統進行研究可以大幅度的降低交通事故發生的風險，避免生命財產損失。本文將就汽車防碰撞控制系統的設計和實現進行深入的探討。

關鍵詞：汽車防碰撞;系統設計;縱向;轉向

近些年來，隨著我國汽車數量的增加，交通事故數量也呈現出增長的趨勢，據統計分析，絕大部分交通碰撞事故都是因駕駛人員反應不及時造成的，很多情況下，當駕駛員發現前方存在障礙物時已經無法做到有效規避^[1]。基于此，有必要依托先進的科學技術，研發汽車主動避讓系統，防止交通碰撞事故的發生，從而有效的保障人們的生命財產安全。

1汽車防碰撞控制系統設計方案

1.1明確設計目標

在進行汽車防碰撞控制系統設計的過程中，首先要做的就是對設計目標進行明確，這樣才能有計劃、有針對性的開展設計工作。結合汽車防碰撞系統的功能，其設計目標應該分為兩個方面，首先在汽車安全行駛的情況下，通過控制車輛駛進的方式為駕駛員提供輔助，從而實現對駕駛員疲勞程度的有效調節^[2]。其次在汽車危險行駛的情況下，自動控制車輛進行安全避讓，提高行車安全性。

1.2規劃設計思路

在汽車防碰撞控制系統設計目標明確后，要在此基礎上對設計思路進行科學合理的規劃，本文主要研究的是汽車防碰撞控制系統的縱向制動以及轉換車道兩種方式，因此需要基于這兩種方式制定相應的決策機制，通過決策指標體系的建立為行車過程中合理避撞方式的選擇提供依據。在駕駛員無法針對交通安全隱患做出及時有效的反應時，汽車的縱向制動避撞系統可以通過自動控制盡可能的避免碰撞，或是最大程度的減輕碰撞。在無法做到有效躲避障礙物的情況下，則選擇換道的方式躲避障礙物。

1.3汽車防碰撞控制系統的整體結構設計

本文所研究設計的汽車防碰撞控制系統主要包括傳感器、控制器以及執行器三個部分。其中傳感器的功能是對汽車自身及外部信息進行獲取，具體包括汽車行駛速度、車輛位置、前方障礙物距離等。控制器的功能是根據傳感器獲取到的相關信息，經過一定的處理分析后選擇最合理的行駛路徑。執行器的功能是執行相應的操作，同時將外部交通環境的變化情況反饋到傳感器中^[3]。

結合上述內容，汽車防碰撞控制系統所涉及到的技術環節主要有四個：其一，信息感知環節，即通過傳感器對車輛自身及其周邊的交通信息進行獲取，對其所處的交通環境進行實時掌握。其二，信息判斷環節，即傳感器將獲取到的交通信息傳遞到中央控制系統，通過車載計算機進行處理分析。其三，車輛建模環節，即綜合車輛和障礙物相關信息參數，構建汽車動力學模型，為系統控制功能的實現提供依據。其四，控制系統設計環節，在汽車動力學模型的基礎上，采用一定的控制算法對汽車轉向和加速度進行控制。需注意的是，在本環節所選的控制算法應該盡可能的做到簡單易行。

2汽車縱向避撞控制系統設計分析

2.1總體設計方案

在汽車縱向避撞控制系統設計過程中，首先要對系統功能進行明確。汽車防碰撞控制系統設計的總體目標是通過車輛運行的自動控制，實現駕駛員疲勞程度的有效調節，輔助駕駛員安全行駛，避免交通碰撞事故的發生，基于此，縱向避撞系統的功能即是通過控制汽車縱向的運動狀態，使其和其他車輛之間始終保持安全距離，以此避免碰撞事故。汽車縱向避撞系統設計方案主要由傳感器、中央控制器依據執行器三部分構成。傳感器用于對車輛自身及前車行車信息進行的獲取，現如今比較常見的傳感器為車載雷達。該系統對汽車縱向運動狀態的控制主要涉及到加速、減速以及勻速三個方面，具體是通過對車輛發動機節氣門開度以及控制系統壓力兩個方面的控制來實現的。

2.2具體設計步驟

首先，構建精準的車輛動力模型。本文采用虛擬動力學仿真軟件完成車輛動力學系統模型的構建，經檢驗其該模型具有較好的完整性和精確性，可以對非線性的車輛動力學系統進行良好的描述，通過對車輛發動機特性參數的分析以及制動力和制動輪缸壓力之間的關系建立車輛逆動力學模型。

其次，構建車輛安全距離模型。綜合考慮車頭距離、舒適性、路面附著系數以及駕駛員特性等多項因素，建立安全距離模型。

再次，設計控制器。在進行控制器設計的過程中，本文采用分層方法，將其控制器分為上下兩個層次，上層主要是結合汽車行駛情況對期望加速度進行計算。下層則是對車輛動力學系統進行控制，實現減速、減速、勻速等功能。

如下圖所示，為汽車縱向避撞系統具體結構，它由多個子模塊構成，通過多項功能的協調配合達到防碰撞的目的。其中S和Y分別代表著期望安全距離以及車輛和前車之間的實際距離，V和V2為車輛期望速度和實際行駛速度，A和A2分別為車輛期望加速度和實際加速度、B為下層控制器控制量、K1和K2分別代表著車輛的期望節氣門開度和實際開度，P和P2分別代表著車輛期望制動壓力和實際制動壓力，W為車輛發動機加轉速^[5]。

在該系統下車輛行駛的過程中，系統會根據其前車的行駛狀態，對自車安全狀況做出分析判斷，實時計算出期望安全距離，將其與實際距離進行對比，一旦后者低于前者，分層控制器就會作用于車輛動力學系統，通過節氣門開度和制動壓力的調節降低車輛行駛速度。

3轉向防避撞控制系統設計

汽車轉向防碰撞控制系統的功能是輔助駕駛員通過側向運動進行換道，并保障這一過程中車輛行駛的穩定性，最終達到防碰撞的目標。該系統的設計步驟大體上和縱向防碰撞控制系統相同，具體包括以下內容：首先，構建轉向換道動力學模型，具體是結合魔術輪胎動力學模型獲得非線性車輛換到模型，在此基礎上將動力學模型引入到控制器中。其次，構建換道最小安全距離模型。系統在控制車輛進行換道時，為了保障其安全性，必須保持在最小安全距離以上。本文參考縱向避撞系統最小安全距離，對多種道路條件下的最小安全距離模型進行了構建。最后，模型預測控制轉向控制器。汽車轉向避撞控制系統系統中采用模型預測控制轉向控制器，基于控制器的計算結果制定轉向控制器，保障車輛能夠在保持穩定舒適的前提下通過轉換車道達到防碰撞的目的。

在車輛行駛速度較高的情況下，一旦其前車出現緊急制動或是前方出現靜止障礙物的情況，就需要采用換道的方式實現避撞。在系統判斷需要進行換道避撞時，首先是通過安全距離模型進行計算和判斷，在此基礎上確定最佳的換道路徑，之后通過換道控制器控制汽車實現換道。

結語：

綜上所述，通過汽車防碰撞控制系統的設計和應用可以有效的降低交通碰撞事故發生的概率。本文基于設計目標和思路，從縱向避撞和換道避撞兩個方面入手對系統設計進行了深入研究闡述，希望可以為實際設計工作提供一定的參考。

參考文獻

[1]郭東暉.汽車行駛中防碰撞智能控制系統設計[D].蘭州交通大學，2018.

[2]胡瑜.汽車防碰撞系統的應用與研究[J].機械工程與自動化，2010（04）：214-216.

（作者單位：杭州鑼卜科技有限公司）