汽车自适应巡航控制

汽车自适应巡航控制系统吉林大学汽车工程学院11级1.摘要本报告介绍了自适应巡航的控制方法。首先先对自适应巡航系统进行了简单介绍。然后通过先研究定速巡航的原理，再引出自适应巡航控制系统的原理。原理分为总体原理、自动制动的液压原理和雷达原理三部分。最后介绍了ACC系统的控制算法和汽车动力学模型。模型列举了制动过程分析模型、车间时距模型、驾驶员预瞄模型三种。Thisreportintroducestheadaptivecruisecontrolmethod.Firstofall,adaptivecruisesystemissimplyintroduced.ThenIfirststudytheprincipleofcruisecontrolandthendesigntheprincipleofadaptivecruisecontrolsystem.Theprincipleisdividedintothreeparts:generalprinciple,automaticbrakinghydraulicprincipleandradarprinciple.Atlast,thereportintroducestheACCsystemcontrolalgorithmandautomobiledynamicsmodel.Iliststhebrakingprocessanalysismodel,workshopintervalmodel,thedriverpreliminaryaimmodel.2.前言交通安全直接关系到生命财产安全，是交通领域需要迫切结局的重要问题。我国统计数据表明，2003-2007年每年交通事故死亡人数都超过了10万人。据报道，在全国公路交通事故的总数中，追尾碰撞事故约占18%；而在全国高速公路交通事故的总数中，追尾碰撞事故比例却高达36%以上，位居全国高速公路事故之首。因此采取一些必要的辅助驾驶员和防撞系统在事故发生前就发现危险的存在，进行报警，使驾驶员有充分的反应时间，可以在一定程度上避免事故的发生。由控制系统代替驾驶员动作可以减少反应时间带来的延迟，而且进一步可以实现车辆间距的自动控制调整，是减少交通事故、提高行车安全、减轻驾驶员负担的最有效方式。主动避撞系统就是在这种严重的交通安全形势下诞生的，目前在很多车辆上已经开始使用的自适应巡航控制系统（adaptivecruisecontrol,ACC）就是这方面的代表。3.正文3.1.简介自适应巡航控制系统是一种智能化的自动控制系统，它是在早已存在的巡航控制技术的基础上发展而来的。在车辆行驶过程中，安装在车辆前部的车距传感器（雷达）持续扫描车辆前方道路,同时轮速传感器采集车速信号。当与前车之间的距离过小时，ACC控制单元可以通过与制动防抱死系统、发动机控制系统协调动作，使车轮适当制动，并使发动机的输出功率下降，以使车辆与前方车辆始终保持安全距离。自适应巡航控制系统在控制车辆制动时，通常会将制动减速度限制在不影响舒适的程度，当需要更大的减速度时，ACC控制单元会发出声光信号通知驾驶者主动采取制动操作。当与前车之间的距离增加到安全距离时，ACC控制单元控制车辆按照设定的车速行驶。3.2.原理ACC自适应巡航控制系统是在定速巡航的基础上发展而来的,我们要想了解ACC的原理,我们首先要了解一下定速巡航的原理。3.2.1.巡航控制系统的基本控制原理在巡航控制系统中，电子控制装置可以根据行驶阻力的变化自动调节发动机节气门的开度，使行驶车速保持恒定，电子巡航控制系统的基本控制原理方框图所示。电子巡航控制系统基本原理框图控制器有两个输入信号，一个是按驾驶员要求选定的设定车速信号，另一个是汽车的实际车速的反馈信号。电子控制器检测这两个输入信号之间的误差后，产生一个送至节气门执行器的节气门控制信号。节气门执行器根据接收的控制信号调节发动机节气门开度以修正电子控制器所检测到的误差，从而使车速保持恒定。实际车速由车速传感器测得并转换成与车速成正比的电信号反馈至电子控制器。在实际控制时，车速误差不能真正降低到零，而是保持在一定的误差范围内，因为当车速误差为零时，行驶阻力的微小变化都将引起节气门开度的变化，容易产生游车。通常，将一般情况下车辆在平坦路面上行驶时车速与节气门开度的关系存储在巡航控制系统的电控单元中，以供巡航系统调用。3.2.2.ACC自适应巡航控制原理自适应巡航系统（ACC）是在传统的巡航系统上增加了前视探测器（雷达），来检测本车和前面目标车辆之间的距离、相对速度和加速度，不需要驾驶员的干预就可以根据驾驶员的驾驶模式进行合适的匹配，设定合适的速度和距离，保证车辆不发生碰撞而安全行驶。上图为ACC系统的构成图，其组成包括感知行车信息的传感器（前视探测器），建立安全距离速度模型，以及按照控制模型实施控制命令的执行器如发动机管理系统/节气门控制系统和主动制动系统等。目前成功商品化的前视探测器是毫米波雷达和激光雷达，而主动制动系统就是车辆稳定性控制系统（ESC）的制动系统。从图上可以看到，操作上巡航控制开关和传统的巡航控制没有什么不同，所不同的是增加了与前车的距离调整开关。ACC模块为了保持车辆间的距离和速度，根据收到的雷达信息通过CAN总线向电子液压控制单元和发动机管理系统发出加速和减速的请求，当发动机管理系统不能够完成减速任务时，就由电子液压制动系统的自动制动功能来完成，并不需要驾驶员踩制动踏板。在ACC的自动制动模式中，驾驶员如果踩下制动踏板，ACC模块就会根据制动踏板的位置信息和主缸压力信息退出正在进行的自动制动模式。发动机管理系统如果传递出驾驶员踩下加速踏板的信息，ACC模块也会退出自动制动模式。如果发动机管理系统发布的是驾驶员没有踩加速踏板，而ACC系统继续要求减速，系统就会再次进行自动制动。自动制动的目的是平稳地跟随目标车辆，并且在需要时能安全平稳地停止下来。所以制动的平稳性是系统必须考虑的。3.2.3.自动制动系统的液压原理上图5.3.8是自动制动系统的液压原理图，它和ESP的液压调节单元是一样的。但是这里要强调的是，ESP是在紧急工况下进行制动的；而ACC制动是舒适的制动，系统非常强调平稳性，所以系统采用的是由脉宽调制驱动的可变隔离阀（variableisolationvalve,VIV），从而使液压流动非常平稳，压力脉冲很小，车辆制动的减速度非常平滑。可变隔离阀的控制可以使压力和控制电流成正比，而泵电机的脉宽调制电路设计减少了噪声的影响，从而降低了柱塞泵活塞的撞击。3.2.4.雷达的基本构成原理和构成从上面介绍的ACC的组成可以看出，ACC系统的关键部件是前视探测器，就是雷达。目前国际上使用在汽车ACC系统上的毫米波雷达的参数可以见下表。性能参数德国BOSCH(LRR3)发射频率/GHz77方式FMCW作用距离/m0.5~250距离精度/m1相对速度范围-50~+50m/s速度精度/(m/s)1方位角/(°)30识别目标最大数32尺寸大小/mm毫米波雷达虽然也研究过不同频率的产品，但是现在主要是76~77GHz。1997年，欧洲通信标准机构（EuropeanTelecommunicationsStandardsInstitute,ETSI）将汽车雷达的工作频率区间规定为76~77GHz。除了毫米波雷达外，还有激光雷达，如日本DENSO生产的雷达，距离可达100m。激光雷达的优点是比较便宜，但是抗不良天气的干扰能力比较差。今后发展的趋势还是毫米波雷达。雷达测量的结构原理如图5.3.9所示。两车相随时，如果能够测量出毫米波从本车发射到目标车返回的时间，就可以计算出两车相隔的距离和相对速度。现在一般的方法不是去直接测量之后滞后时间，而是采用频率测量的方法。直接测量往返时间十分复杂。因此，我们运用FMCW（调频持续波）测量方法对往返时间进行测量，将其作为持续发射并即时变频的高频振荡电波来使用。变频（调制）为200兆赫/毫秒。以一个76.5Giga赫兹的输送信号作为“输送载体”。通过这种方法我们可绕过复杂且浪费的往返时间直接测量，取而代之以通过处理简单易得的发射和接收（反射）信号间的差值来获得我们所需要的信息。发射信号与接收（反射）信号间的频率差值直接取决于和目标之间的距离。距离越大，则发射信号接收的往返时间越长，并且发射频率与接收频率间的差值越大。为获取前方车辆的车速我们运用的是一个物理作用，就是所说的“多普勒效应”。当发射器与被探测目标的距离缩短时，发射电波的频率升高，相反情况时则频率下降。反射波与发射波的形状相同，只是在时间上有一个延迟∆t，∆t与目标距离R的关系可以表示为∆t=2𝑅𝑐式中，R为本车至目标车的距离；c为光速，c=300000km/s。T为频率的周期，∆F是调频的带宽，发射信号与反射信号的频率差为IF。从图中可以看出如下关系：∆𝑡𝐼𝐹=𝑇2⁄∆𝐹再将∆t带入式中可以得到R=𝑐∗𝐼𝐹∗𝑇4∆𝐹当目标车以相对速度V运动时，由于多普勒频移的原理，雷达接收的反射波会产生频移𝑓𝑑=2𝑓0𝑉𝑐，𝑓0为发射波的中心频率。三角波的上升沿河下降沿都会移动𝑓𝑑。用公式表示如下：𝑓𝑏+=IF−𝑓𝑑，𝑓𝑏−=IF+𝑓𝑑，𝑓𝑑=(𝑓𝑏−−𝑓𝑏+)2⁄如果考虑到车速大大低于光速，因此目标车移动的相对速度为V=𝑐(𝑓𝑏−−𝑓𝑏+)4𝑓03.3.ACC系统的控制算法和汽车动力学模型用雷达检测达到车辆的速度和两车距离以后,系统依据安全状态判断逻辑进行车辆行车安全的判断,再对控制系统发出适当的操作指令。因此，车辆行驶安全状态判断逻辑对系统性能非常重要。安全状态判断方法主要可分为两类。一类是通过计算两车间的碰撞时间与安全时间门槛值进行比较，确定安全状态，称为安全时间逻辑算法。由于不同驾驶员的驾驶行为特征不尽相同，对安全时间门槛值的要求也不一致，很难使系统符合驾驶员的驾驶习惯，因此，真正以安全时间逻辑算法进行安全性判断的系统很少。另一类是安全距离逻辑算法，即利用安全距离的实时计算结果与实际车距之间的关系进行行车安全状态的判断。安全距离是指在汽车行驶的当前条件下，车辆避开与障碍物的碰撞需要保持的车辆到障碍物的最小距离。当实际距离大于安全距离实时计算结果时，判断为车辆处于安全行驶状态；反之，则判断为车辆处于危险行驶状态。总结现有的安全距离模型，具有代表性的有以下三种。（1）基于制动过程运动学分析的安全距离模型𝐷𝑠=𝑣𝑐𝑡𝑑+𝑣𝑐22𝑎𝑑𝑚𝑎𝑥+𝑑𝑠𝑡𝑜𝑝式中，𝐷𝑠表示安全距离；𝑣𝑐表示本车速度；𝑡𝑑一般取值为1.2~2.0s；𝑎𝑑𝑚𝑎𝑥为本车最大制动减速度，良好路面情况下取值为6~8𝑚𝑠2⁄；𝑑𝑠𝑡𝑜𝑝为停车后的车间距，一般取值为2~5m。（2）基于车间时距的安全距离模型车间时距是交通工程中的一个概念，表示车间距离与车辆速度的比值。𝐷𝑠=𝑣𝑐𝑡ℎ+𝑑0式中，𝑡ℎ表示驾驶员车间时距，一般取值为1.2~2.0s；𝑑0为一常数，一般取值为2~5m。（3）驾驶员预瞄安全距离模型这里指的就是驾驶员期望保持的最小车间距离，定义为以驾驶员主观感觉为依据确定的安全距离，表示如下：𝐷𝑠=−𝑣𝑟𝑒𝑙𝑡𝑔−𝑎𝑓𝑡𝑔22+𝑥𝑙𝑖𝑚式中，𝐷𝑠表示安全距离；𝑣𝑟𝑒𝑙表示相对速度（目标车速度减本车速度）；𝑡𝑔是驾驶员的预估时间，在预估时间内本车是匀速行驶；𝑎𝑓表示前方目标车的加速度（𝑎𝑓大于零表示目标车加速，小于零表示目标车减速）；𝑥𝑙𝑖𝑚表示驾驶员主观感觉的界限车间距离。由于任何情况下驾驶员都享有对车辆控制的优先权，一般来说驾驶员对自己判断的相信程度大于对其他安全辅助装置及系统的相信程度，因此主动避撞系统控制下车辆的动作情况必须尽量接近实际驾驶员的操作特征，系统才能被驾驶员接受。另外，绝大多数情况下驾驶员按照其驾驶感觉操纵车辆，能够保证车辆的安全。可以认为𝑥𝑙𝑖𝑚由两部分组成：一部