汽车巡航控制系统的应用及发展趋势

汽车巡航控制系统的应用及发展趋势摘要：汽车巡航控制系统(CruiseControlSystem或CCS，又称车辆速度控制系统，是指在一定的车速范围内，驾驶员不用操控油门而能使汽车保持设定的速度行驶的控制装置。采用了巡航控制系统的汽车，驾驶员不用控制加速踏板，降低了驾驶疲劳，提高了行驶安全性和燃油经济性。本文介绍了汽车巡航控制系统的原理、功能及应用情况，对比了国内外汽车巡航控制系统的发展水平。同时对该系统的发展趋势做出了预测。关键词：汽车；巡航控制系统；应用；发展趋势0引言近年来，随着现代汽车控制技术和高速公路的飞速发展，在世界各国特别是发达国家，无论是运输业还是个人，汽车都已成为长距离运输的主要交通工具。在大陆型的国家，驾驶汽车长途行驶的机会较多，在高速公路上长时间行驶时，驾驶员长时间操纵加速踏板而得不到活动，容易造成腿部肌肉疲劳强度加大，甚至腿部会抽筋，失去制动能。汽车巡航控制系统(CCS)就是为解决此问题而诞生的。1汽车巡航控制系统简介1.1定义汽车巡航控制系统，简称CCS，根据其特点一般又称为“巡航行驶装置”、“速度控制系统”、“自动驾驶系统”等。汽车巡航控制系统(CCS)就是可使汽车工作在发动机有利转速范围内，减轻驾驶员的驾驶操纵劳动强度，提高行驶舒适性的汽车自动行驶装置[1]。汽车在行驶中通过操纵调整开关，驾驶员不必踩踏油门调整车速，汽车也能以设定的车速进行定速行驶。采用了汽车巡航控制系统（CCS）的车辆在行驶中，由于驾驶员无需踩踏加速踏板，尤其是装有自动变速器的汽车，因不需使用离合器，只需手握方向盘就可轻松驾驶，将驾驶员的右脚解放出来了，大大减轻了驾驶员的疲劳强度，使整个驾驶过程变得简便、轻松和舒适，降低了交通事故发生的几率、提高了行车的安全性。此外，使用汽车巡航控制系统（CCS）后，在同样的行驶条件下，对一个有经验的驾驶员来说，可节约燃油15％[2]。这是因为CCS系统中使用速度稳定装置后，可使汽车燃油的供给与发动机功率间的配合处于最佳状态，有效降低燃油消耗，减少有害气体排放，提高汽车的经济性和环保性。1.2功能1.2.1车速设定功能。当在高速公路上长时间稳定行驶时，在路况良好、分到行车、无人流的情况下，可按下“设定”开关，设定一个稳定行驶的车速，驾驶员无须操控油门和换挡，汽车一直以这一车速稳定运行。1.2.2消除功能。当驾驶员踩下制动踏板时，车速设定功能立即消失，驾驶员要用常规方法操作驾驶，直到再按另外的功能开关为止。1.2.3恢复功能。当路面车流情况又可稳定运行时，可按“恢复”功能开关，这样汽车又自动按上述设定的车速稳定均匀运行。若不按“恢复”功能开关，也可在驾驶员认为最有利车速时按“设定”开关，汽车就又自动按新选择的设定车速稳定运行。1.2.4减速功能，也称为滑行功能。当按下“滑行”开关时，则汽车在原设定车速基础上减速行驶，开关一直按下不放，则车速一直在减低。当你一放松“滑行”开关，则汽车就自动以你放松“滑行”开关瞬间的车速稳定行驶。1.2.5加速功能。当按下“加速”开关时，则汽车在原设定的车速基础上加速行驶，开关一直按下不放，则车速一直在增加。当你一放松“加速”开关时，则汽车就自动以你放松“加速”开关瞬间的车速稳定行驶[3]。2原理与构成2.1原理汽车巡航控制系统（CCS）原理如图1所示。它包括控制器、节气门执行器、传感器和操纵开关等部分。控制器有两个输入信号，一个是驾驶员按要求设定的车速，直接由驾驶员设定，另一个是实际车速的反馈信号，由车速传感器检测后反馈给控制器，控制器检测这两个输入信号之间的偏差后，经过一定的控制计算，产生一个送至节气门执行器的控制信号，节气门执行器根据所接收到的节气门控制信号调节发动机节气门开度，从而使车速保持稳定[4]。作为巡航控制系统的核心部件一控制器，其所采用的控制技术对控制结果的好坏是至关重要的。随着现代控制理论的发展，汽车巡航控制技术也在不断发展，如何采用合理的控制技术，是汽车工作者需要研究和解决的问题。图1汽车巡航控制系统原理图2.2构成汽车巡航控制系统主要由控制开关、传感器、执行器和控制器4部分组成。2.2.1巡航控制开关图2为大众宝来汽车的巡航控制开关，它有“SET”、“ON”、“OFF”、“CANCEL”、“RESUME”、“+/-SPEED”按钮。巡航的基本功能：启动巡航、设定车速、降低巡航车速、提高巡航车速、关闭巡航、重启巡航[5]。图2大众宝来汽车的巡航控制开关2.2.2位置传感器节气门位置传感器(TPS)是把节气门的位置或开度转换成电压信号，传输给电控单元，作为电控单元判定发动机运行工况的依据，实现不同节气门开度下的喷油量控制[6]。节气门位置传感器有两种类型：一种是模拟节气门位置传感器，另一种是开关式节气门位置传感器。节气门位置传感器装在节气门体上，与节气门联动，工作原理如图3所示。图3开关输出型位置传感器原理图2.2.3执行器执行器接收ECU的控制指令信号，电动或气动方式操纵节气门，改变节气门开度，使车辆作加速、减速及定速行驶。执行器通常为电动式和气动式两种。图4法国Bernard伯纳德电动式执行器以电动式执行器为例，由电机、安全电磁离合器和位置传感器组成。电机通过改变内部电流方向来改变节气门转动方向，转动时可带动执行元件控制臂转动，控制臂通过拉索改变节气门开度。电动机电路装有限位开关来限定控制臂转动角度。电动机与控制臂间有安全电磁离合器。当进行巡航控制时安全电磁离合器结合，电动机旋转可使节气门开度改变；若在巡航控制行驶阶段执行器或车速传感器发生故障，安全电磁离合器立即分离。电动式执行器中装有位置传感器，用于检测执行器控制臂的转动位置，并将信号输入巡航控制ECU中。2.2.4控制器(ECU)电子控制器是巡航控制系统的中枢，其作用是接受车速传感器、巡航控制开关、制动灯开关等信号，经计算、记忆、放大及信号转换等处理后，输出控制信号，驱动执行器动作。基于飞思卡尔芯片的控制器性价比很高，具有价格低、技术成熟、运行稳定等许多优点，因而得到了广泛的应用。3应用以日本丰田皇冠3．0型轿车为例，图5为丰田皇冠汽车CCS系统的电路原理图。图5丰田皇冠汽车CCS系统的电路原理图[7]丰田皇冠3．0型轿车电动式CCS系统的控制部件主要有传感器(节气门位置传感器、车速传感器)、控制开关(巡航开关、驻车制动开关、双闸制动灯开关、自动变速系统的空挡启动开关或手动变速器的离合器开关等)、巡航电控单元(CCSECU)和执行机构(电磁离合器、驱动电动机与电位计等)。CCS系统工作时，汽车速度由车速传感器以脉冲形式检出，通过D／A转换成与车速成正比的直流电压。驾驶员一旦按下设置开关，ECU就能存储此时的行驶速度(电压)，自我维持电路便进入工作状态，存储电路设定与该瞬时车速相对应的节气门开度电压。ECU把这个节气门开度的基准电压与执行机构内反馈的节气门开度电压及车速电压进行比较，决定节气门开度最佳值，并使增速或减速控制电路工作，由ECU发出指令驱动执行装置，调节节气门开度。4国内外汽车巡航控制系统发展现状巡航控制系统（CCS）在汽车上的应用，显示出了它的无可比拟的优点。自1959年开始在克莱斯勒汽车上引用后很快就受到青睐，目前在美、日、德、法、意等汽车工业发达国家发展、普及很快。4.1国外发展情况国外汽车巡航控制系统研究起步较早，对CCS系统控制理论与方法的研究已经作了许多工作，研究成果也得到了广泛的运用。CCS系统经历了机械控制系统、晶体管系统、模拟集成电路控制系统和微机控制系统等几个过程。微机控制的汽车巡航控制系统自从1981年开始应用于汽车后，发展迅速。国外新型汽车基本上都采用了微机控制的汽车巡航控制系统。随着交通流量的不断增加，前车的行驶情况对后车产生较大影响，传统的巡航控制系统需要频繁的设定和取消操作，逐渐失去了作用[8]。新型智能的巡航控制系统应运而生，这就是能够连续调整车速以保持与前车的安全距离的主动巡航控制系统ACC(AdaptiveCruiseControl）[9]。以丰田REIZ锐志为例，锐志REIZ采用自适应雷达巡航控制系统(ACC)，系统不仅可以保持在固定的速度行驶，还带有车距控制功能，能根据前车速度保持适当的距离。当检测到前车车速低于本车车速时，系统将自动施加制动降低本车车速，如无法提供足够的减速度，则会用警告音与警告灯来提醒驾驶者；当前方车辆变换车道或加速时，系统将自动的缓慢加速，直至达到驾驶者设定的车速，并保持定速行驶[10-11]。ACC系统有4种典型的操作，如图6所示。图6ACC系统4种典型的操作4.2国内发展情况国内汽车巡航控制系统研究起步较晚，在ACC系统控制理论、方法及应用方面与国外均存在着较大的差距。不过随着中国汽车工业的发展，巡航控制系统（CCS）尤其是主动巡航控制系统（ACC），成为近年来车产安全系统研发的重点。同时国内以清华大学、北京理工大学等为主的高校和研究机构也从事CCS技术或相关技术的研制开发工作，并取得了阶段性的进展。北京理工大学针对当前ACC系统多是基于CCS系统开发，对车辆速度的调节主要是通过控镧节气门开度和自动换档来实现，提出了将ACC系统与车辆制动和防滑控铡系统ABS／ASR相集成构成ABS／ASR／ACC系统的设计方案。清华大学所做的汽车主动安全性的研究，将ACC技术融合其中，不但可以实现自动调整与目标车辆间的距离，而且还可以实现障碍主动避让，从而进一步提高车辆行驶的安全性能[12]。2000年，红旗世纪星轿车开始采用巡航控制系统，拉开了国产轿车配置CCS系统的序幕。目前市场上，长城哈弗部分车型、上海汽车荣威750等国产轿车也纷纷使用了汽车巡航控制系统。深入研究CCS系统的控制理论与方法，开发高效、实用的车辆CCS产品，将是今后我国在该领域的研究方向[13]。5现存问题与发展趋势5.1现存问题国内外汽车巡航控制系统（CCS）的研究目前还存在一些技术问题需要完善，当前需要解决的主要问题是提高CCS系统环境适应性以及要依靠车辆的制动系统实现车辆的主动控制。CCS控制器软件算法对环境的适应性较差，往往是针对几种典型的行驶工况，而在复杂多变的行车环境中，算法的有效性大大降低，形成较多的误报。CCS系统对车辆速度的调节主要是通过控制发动机节气门开度和自动降低档位来实现的，但是节气门开度和档位调节都在时间上有所滞后，当紧急情况发生时，这样的速度调节无法给驾驶员预留足够的反应时间。因而CCS系统的速度调节要依靠车辆的制动系统来实现[14-17]。5.2发展趋势5.2.1小型化、智能化计算机、执行元件更趋小型智能型发展。体积更小，便于安装拆卸，智能化程度更高，操作更加简便，可以实现多媒体相结合的集成系统[18]。5.2.2新控制理论的应用：车辆的行驶状况受到乘员、发动机输出的变化等影响。驾驶者需要更平顺的驾驶感觉和更自然的速度控制，以传统的控制理论为基础，又引入了新的控制理论。目前，模糊控制等新理论已不断得到应用[19]。5.2.3联动、复合控制：目前的巡航控制装置多是独立的，如果要在控制中提高感觉敏感度、响应性和精度，需要发动机控制用计算机、变速控制用计算机进行联动控制，使这些计算机形成一体化的复合控制。6小结汽车巡航控制系统自20世纪6O年代在美国应用以来已广泛使用在汽车上。随着大规模集成电路及微机控制技术的发展，巡航控制系统的计算机、执行元件更趋小型化，向智能型、复合控制发展，新的控制理论也将得到应用。我国汽车巡航控制系统研究起步较晚，与国外汽车工业发达国家存在较大的差距，但当前我们企业工业发展迅速，技术研发能力也得到提升，因而在追求汽车安全、节能、舒适的潮流中，汽车巡航控制系统在我国有着广泛的研究和应用前景。参考文献：[1]、朱则刚.现代汽车电子巡航控制.城市公共交通，2007.5[2]、刘光明，李晓.汽车速度自动控制技术及其应用.公路与汽运，2007.6[3]、王连军.汽车巡航控制系统的使用与发展.中国高新技术企业,2009.10[4]、崔胜民，薛瑞臻.汽车巡航控嗣技术的研究.科技与经济，2002.4[5]、朱琦