車輛跟馳系統的分析

李子龍

摘 要：車輛跟馳行為指的是車輛在行駛時無法超車，后車跟隨著前車行駛的駕駛行為。智能車輛跟馳系統，作為智能車輛控制系統中的一個關鍵子系統，能夠模擬人的駕駛行為使前后車之間保持安全距離，既不發生碰撞也不拉大距離，在現實應用中可以保障行車安全又合理地利用了道路資源，具有較高的研究價值和應用前景。為此，本文針對智能車輛跟馳系統展開研究，并在車輛運動控制系統基礎上設計實現智能車輛跟馳行駛。本文從分析車輛跟馳系統結構入手，對車輛跟馳行為狀態和車距檢測方法對比與選擇進行分析。

關鍵詞：跟馳系統;跟馳行駛;超車

1 車輛跟馳系統方案設計

本文研究的是車輛在單一車道，且無法超車的情況下，能與前車保持安全距離并自動行駛的自動控制系統。該系統是以單片機為主控模塊，以智能車輛運動控制系統為執行機構，以車距檢測模塊為反饋裝置，實現車輛跟馳行駛。車輛跟馳系統結構圖如圖1所示。

在本文設計的智能車輛跟馳系統中，智能車運動控制系統作為跟馳系統的執行機構，用來控制車輛沿單一車道行駛，同時精確的控制車速的大小，實現車輛的跟馳行駛。

由于在設計車輛運動控制系統時已經在主控模塊的硬件和軟件上預留出豐富的資源供系統進行功能擴展。因此，智能車控制系統的主控模塊與智能車運動控制系統主控模塊相同，共同采用STC12LE5412AD單片機為主控芯片的控制電路板。

智能車輛跟馳系統的設計與實現的主要內容在于車距檢測模塊的研制以及跟馳算法的研究。

2 車輛跟馳行為狀態分析

車輛的跟馳駕駛是當車輛在無法超車的條件下，后車跟隨前車的行駛狀態。在跟馳駕駛時，后車不考慮相鄰車道的車輛信息，只考慮與前車的相互作用。此時，為了不發生碰撞，后車力求保持一定的安全距離。因此，后車只能根據前車的駕駛狀態，采取相應的運行方案。在車流中，后車并不能對前車產生同樣的影響。

真實車輛行駛實際上只受駕駛員本人駕駛行為的控制，在單一車道上，后車駕駛員在進行跟馳駕駛時，參考的依據僅僅來源于肉眼觀察的本車與前車之間車距以及車距的變化量。后車駕駛員根據肉眼觀察的情況依據個人主觀的駕駛經驗進行加速和減速的操作，達到實現跟馳行駛的目的。但是這些駕駛經驗是日常積累的，無法用語言來表達，而傳統的數學方法也沒有辦法來表示。這時，模糊推理理論成為可以幫助通過數學方法解決這個問題的一個途徑。建立在模糊推理之上的跟馳系統算法，主要是通過推測司機將來的邏輯階段，達到能模擬司機的駕駛行為，具有一定的科學性和現實意義，對于本文研究的智能車跟馳系統而言車車距檢測模塊相當于駕駛員的眼睛，檢測電路輸出的車距信息以及車距信息的微分量便是跟馳系統的兩個輸入量。

3 車距檢測方法對比與選擇

目前在移動機器人避障測距中應用較廣的傳感器有超聲波傳感器、激光傳感器、光電式傳感器等。

其中超聲波傳感器主要應用于低速、近距離的倒車系統，激光傳感器主要是靠激光束照射在前車的反射鏡后反射回來的激光束探測兩車距離來避障。

障礙探測電路比較成熟的有汽車倒車測距電路、激光脈沖時差測距電路、激光相位測距電路、攝像頭圖像分析測距等。

汽車倒車測距電路使用的是超聲波回波測距，發射超聲波脈沖，根據接受回波的時間來測量車后障礙與探測器的距離，使用一發多收的方式探測較大范圍，方向角約45-90度，有效距離約為0.7-5m。

激光脈沖時差測距電路，原理基本與汽車倒車測距電路相同，使用的是半導體激光發射器，采用望遠鏡光敏檢測結構，測量距離大約在10km，誤差大約10m，主要用于武器火控測距。

激光相位測距電路采用達到ns數量級的高速光電檢測器、高速處理器，對發射光進行調制，然后根據反射光與發射光的相位干涉關系測量距離，可以達到100m的探測距離，誤差也可以控制在mm數量級，主要用于精密野外測繪。

攝像頭圖像分析測距采用CCD面陣感光，通過驅動馬達調整鏡頭焦距讓待測目標成像清晰，根據焦距和像鏡距離可以計算出物鏡距離。主要用于數碼相機自動調焦。

以上各種測距方式都是從各自實際應用場合出發，針對性強。對于本文所研究的小車避障系統而言，智能車車長為10cm，因此檢測距離在0～10cm范圍，而超聲波測距不僅電路復雜且用通常的測量方法檢測距離范圍在20～300cm，在較近距離上有盲區。激光時差測距電路探測距離太遠、誤差大、笨重而顯得不實際。激光相位測距電路精度高速度快，但是體積和功耗以及價格都不合適。攝像頭圖像分析測距則需要機械驅動，且需要配合高速計算芯片如DSP，在本系統中使用導致其檢測速度必然緩慢，因此不適用于本文研制的智能車跟馳控制系統。

考慮到紅外反射式光電傳感器反應速度快，能實現非接觸測量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半導體光敏器件具有體積小、重量輕、功耗低、便于集成，價格低廉等優點，所以本文認為使用紅外反射式光電傳感器來檢測車距比較合理。

4 總結

車輛的跟馳系統是智能車輛控制系統的關鍵部分。本章針對智能車輛跟馳系統展開研究，分析車輛跟馳行為狀態，再對車距檢測方法進行對比。希望本文的研究能給車輛跟馳系統的后續研發提供一些幫助。

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