汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的調(diào)研

1、汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的調(diào)研電子信息與機(jī)電工程學(xué)院摘要汽車工業(yè)的高速發(fā)展給人類的生活帶來(lái)了巨大的方便,同時(shí)也給人類帶來(lái)了嚴(yán)峻的交通安全問題。隨著社會(huì)的進(jìn)步,各國(guó)對(duì)交通安全問題越來(lái)越重視,以避免事故發(fā)生為目的的主動(dòng)安全技術(shù)也成為了各國(guó)的研究重點(diǎn)。其中汽車避撞控制系統(tǒng)的研究正成為國(guó)內(nèi)外汽車主動(dòng)安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。深入展開汽車避撞控制系統(tǒng)的研究對(duì)于降低事故發(fā)生率、提高交通安全性、減少人員財(cái)產(chǎn)損失、促進(jìn)智能交通的發(fā)展方面具有重要意義，同時(shí)汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)敢是車輛實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文對(duì)汽車主動(dòng)避撞的技術(shù)思路、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。關(guān)鍵詞 汽車避撞系統(tǒng)；交通安全；智能交通系統(tǒng)；關(guān)鍵

2、技術(shù) 前言隨著汽車保有量的快速增長(zhǎng)，道路交通安全問題已經(jīng)成為各國(guó)政府和社會(huì)關(guān)注的重要問題，也是智能交通系統(tǒng)(ITS)需要解決的重大問題。對(duì)汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)的研究是智能交通系統(tǒng)研究的一個(gè)方面，汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)通過對(duì)車輛的減速度進(jìn)行精確控制，以減少車輛在緊急情況下發(fā)生碰撞的可能或減輕車輛碰撞的嚴(yán)重程度，對(duì)減少交通事故的發(fā)生以及降低事故破壞程度都有十分明顯的效果。美國(guó)國(guó)家高速公路安全委員會(huì)(NHTSA)的調(diào)研表明，在道路交通致死事故中，因駕駛員過失造成的約占90，而因車輛故障造成的僅占約31。研究表明，借助于主動(dòng)避撞系統(tǒng)，追尾碰撞降低率可達(dá)622。歐洲的一項(xiàng)研究表明，駕駛員只要在有碰撞危險(xiǎn)O5秒前得

3、到預(yù)警，能避免50的碰撞事故。若在1秒鐘前得到預(yù)警，則可避免90事故發(fā)生3。由此可見汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)的廣闊市場(chǎng)及現(xiàn)實(shí)重大意義。l 汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)的概念汽車主動(dòng)避撞技術(shù)是指：利用現(xiàn)代信息技術(shù)、傳感技術(shù)等手段，擴(kuò)展駕駛員的感知能力，將感知技術(shù)獲取的外界信息(如車速、其它障礙物距離等)傳遞給駕駛員，同時(shí)在路況與車況的綜合信息中辨識(shí)是否構(gòu)成安全隱患，并在緊急情況下自動(dòng)采取措施控制汽車，使汽車能主動(dòng)避開危險(xiǎn)，保證車輛安全行駛，從而減少交通事故，提高交通安全性4。2 汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)的功能避撞系統(tǒng)的工作過程可分為3部分：(1)當(dāng)車輛正常行駛時(shí)，汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)不停地對(duì)車輛行駛的安全程度進(jìn)行計(jì)算，如判斷為

4、安全狀態(tài)，避撞系統(tǒng)無(wú)任何動(dòng)作，不干擾正常駕駛，同時(shí)駕駛員可以隨時(shí)選取適合當(dāng)前環(huán)境的模式進(jìn)行車輛的自動(dòng)控制；(2)當(dāng)系統(tǒng)判斷為危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)避撞系統(tǒng)會(huì)首先自動(dòng)關(guān)閉油門，此時(shí)若駕駛員尚未采取相應(yīng)的動(dòng)作，則系統(tǒng)將自動(dòng)控制車輛制動(dòng)和轉(zhuǎn)向，并調(diào)用其他相關(guān)控制系統(tǒng)(如ABS、車身穩(wěn)定性控制程序ESP等)，使車輛遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的同時(shí)保證自車的安全，一旦車輛回到安全的行駛狀態(tài)或駕駛員采取了控制動(dòng)作，系統(tǒng)對(duì)車輛的控制將自動(dòng)解除，回到正常行駛狀態(tài)；(3)當(dāng)系統(tǒng)判斷為危險(xiǎn)無(wú)法避讓時(shí)，除采取遠(yuǎn)離和減少危險(xiǎn)的控制外，還將根據(jù)危險(xiǎn)程度的大小和障礙物的類型(車輛、行人或者其他障礙物)，選擇合適的被動(dòng)安全(如乘客保護(hù)甚至行人保護(hù)措施)

5、控制策略5。典型的汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)工作過程如圖1所示6。汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)具備環(huán)境探測(cè)與辨識(shí)功能、事故預(yù)測(cè)及險(xiǎn)情判定功能、自動(dòng)控制與執(zhí)行能力，通過障礙物距離檢測(cè)、控制策略選擇、汽車油門、剎車和轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)等，完成上述的預(yù)警及控制功能。要實(shí)現(xiàn)上述功能，系統(tǒng)至少應(yīng)包含以下幾個(gè)功能模塊7;(1)行駛信息感知模塊，主要由各種傳感器構(gòu)成，不斷獲得車輛行駛的信息(如到前方障礙物的距離及相對(duì)速度信息、自車速度及加速度信息等)，并將這些信息提供給處理裝置進(jìn)行處理；(2)中央處理器，將采集的各種行車信息進(jìn)行處理，依據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序及算法進(jìn)行計(jì)算，估計(jì)是否存在危險(xiǎn)，并在危險(xiǎn)的情況下向執(zhí)行器發(fā)出指令；(3)控制執(zhí)行器

6、模塊，接受來(lái)自控制器的命令，執(zhí)行相應(yīng)操作，實(shí)現(xiàn)車輛的減速及制動(dòng)。汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)大體有三種類型，第一種是針對(duì)減輕車輛碰撞危害的車輛主動(dòng)避撞報(bào)警系統(tǒng)，此系統(tǒng)對(duì)探測(cè)到的危險(xiǎn)情況給出警報(bào)；第二種是針對(duì)主動(dòng)避撞的車輛自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)車輛可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單交通情況下的主動(dòng)避撞及巡航控制；第三種是針對(duì)復(fù)雜交通情況，特別是市區(qū)交通環(huán)境的車輛智能控制系統(tǒng)。就是將第二種系統(tǒng)輔以車輛停走系統(tǒng)，提高車輛智能控制的實(shí)用性8。目前研究開發(fā)的汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)有以下3種類型：(1)車輛主動(dòng)避撞報(bào)CWS(collision warning)系統(tǒng)，它是針對(duì)減輕車輛碰撞危害研發(fā)的，此系統(tǒng)對(duì)探測(cè)到的危害情況給出警報(bào)，美國(guó)已經(jīng)在

7、一些重型載貨車和公交車輛上實(shí)現(xiàn)商用9-10；(2)車輛自適應(yīng)巡航控制ACC(adaptive cruise contr01)系統(tǒng)，其主要目的是主動(dòng)避撞，安裝此系統(tǒng)的車輛可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單交通情況下的主動(dòng)避撞及巡航控制，一些汽車公司在高檔車型上已經(jīng)開始采用ACC技術(shù)11； (3)復(fù)合型車輛智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)針對(duì)復(fù)雜交通情況，特別是市區(qū)交通環(huán)境，采用ACC系統(tǒng)輔以車輛停走(stop&go)系統(tǒng)12，提高車輛智能控制的實(shí)用性。相對(duì)于ACC系統(tǒng)，停走系統(tǒng)由于交通環(huán)境的復(fù)雜和系統(tǒng)對(duì)硬件的要求苛刻，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難度更大。3 汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)31 信號(hào)采集與處理系統(tǒng)汽車行駛中的信號(hào)采集與處理采用的

8、是車輛行駛信息感知和融合技術(shù)7,它是利用安裝于汽車上的各種傳感器，實(shí)時(shí)地對(duì)車輛運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并通過必要的信號(hào)處理及信息融合來(lái)獲得車輛的行駛信息。所用的傳感器主要包括：距離測(cè)量傳感器、車速傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、制動(dòng)踏板、加速踏板及離合器動(dòng)作傳感器、車輛加速度傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器以及制動(dòng)油壓傳感器等。最基本的是距離測(cè)量傳感器。1)距離探測(cè)。準(zhǔn)確地探測(cè)車間距離是避撞系統(tǒng)的基本技術(shù)支持。常用的車載距離傳感器13（見表1）有超聲波、雷達(dá)、激光傳感器、視頻成像系統(tǒng)等，傳感器必須能夠適應(yīng)各種交通環(huán)境，及時(shí)準(zhǔn)確地為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。雷達(dá)探測(cè)能較好的滿足這要求。在考慮環(huán)境因素的時(shí)候，毫米波雷達(dá)最為常用。

9、同微波雷達(dá)相比, 毫米波雷達(dá)的缺點(diǎn)是作用距離近, 大氣傳輸損耗較大。車載條件下, 作用距離不需要很遠(yuǎn)(150m 內(nèi)) , 故發(fā)射機(jī)的輸出功率不需要很高, 但要求有很高的距離分辨率(達(dá)到米級(jí)) , 同時(shí)要能測(cè)速, 且雷達(dá)的體積要盡可能小。因此在車載條件下, 毫米波比微波更具有優(yōu)越性14。激光雷達(dá)與微波及毫米波雷達(dá)相比，具有體積小、波束窄、成本低、無(wú)電磁干擾、距離及位置探測(cè)精度高的優(yōu)點(diǎn)。而155 m近紅外激光雷達(dá)具有人眼安全及較高的大氣透過率4。(1)最大探測(cè)距離。最大探測(cè)距離由為避緊急剎車帶來(lái)的碰撞而應(yīng)保持的車間距離決定。研究表明，在潮濕路面上，自車以100 kmh的速度行駛時(shí)探測(cè)到前方有障礙，

10、在不發(fā)生碰撞情況下停下來(lái)，最大探測(cè)距離應(yīng)為120 ITI。(2)測(cè)距方法。通常有時(shí)間一飛行法、相位法、調(diào)頻法、脈沖壓縮法等。考慮到中近距離作用路程這一特點(diǎn)，通常采用相位法測(cè)距，距離d與相位關(guān)系為：d：cA2 (1)式中：為回波信號(hào)相位延遲；c為光速；Jr為光強(qiáng)調(diào)制頻率(根據(jù)距離測(cè)量精度的要求確定)。(3)激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)。激光二極管(LD)經(jīng)注入式電流調(diào)制發(fā)出正弦幅度調(diào)制的激光束，由發(fā)射透鏡變成滿足要求的光束形狀，再用掃描轉(zhuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)水平掃描，向空間發(fā)射，照射到前方車輛和障礙物上。由目標(biāo)反射回來(lái)的光從掃描鏡經(jīng)接收光組聚到雪崩管(APD)上，變成電信號(hào)。該電信號(hào)經(jīng)低噪聲放大、自動(dòng)增益控制電路(AGC

11、)進(jìn)入鑒相器。利用一部分反射光落在一維位置探測(cè)器(PSD)的位置，測(cè)定掃描光束角度。其工作原理如圖2所示。表12)信息的提取與處理。從雷達(dá)直接獲得的目標(biāo)信息是方位角0、距離d，為去除信號(hào)中的隨機(jī)誤差，須對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，方可在系統(tǒng)計(jì)算中應(yīng)用。還要應(yīng)用雷達(dá)目標(biāo)物有效性識(shí)別算法區(qū)分出目標(biāo)物是處于對(duì)向車道、本車道或臨近車道，判斷目標(biāo)物是處于靜止、勻速運(yùn)動(dòng)還是減速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以及從距離信息中比較準(zhǔn)確地提取出車輛間的相對(duì)速度以及相對(duì)加速度信息。實(shí)踐證明Kalman濾波算法處理雷達(dá)信號(hào)能收到良好效果。通過算法得出的數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)車輛的安全或危險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，從而輸出報(bào)警信號(hào)或通過車輛控制電路去控制車速或制動(dòng)。

12、在識(shí)別時(shí)，首先要確定當(dāng)前的行車安全距離，建立不同情況下的報(bào)警算法。報(bào)警算法的建立，需要考慮實(shí)際交通規(guī)則、交通習(xí)慣、駕駛員特性等多方面因素。圖3為避撞系統(tǒng)報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖8。（1）車頭時(shí)距算法車頭時(shí)距算法可利用以下公式：式中，為駕駛員感覺危險(xiǎn)須報(bào)警的距離；Vc為本車車速；為一定的車頭時(shí)距，一般采用1 2秒比較適宜，是適當(dāng)停車距離。（2）駕駛員預(yù)估模型算法駕駛員預(yù)估模型算法是根據(jù)駕駛員預(yù)估行為確定安全距離的方法。可以利用下列公式：式中，為駕駛員感覺危險(xiǎn)須報(bào)警的距離；為初始相對(duì)速度；為前車減速度；為極限距離。3.2控制系統(tǒng)1)控制系統(tǒng)的組成及其核心技術(shù)。車輛控制系統(tǒng)是避撞系統(tǒng)的核心。主要由3個(gè)子系統(tǒng)組

13、成：油門控制系統(tǒng)、制動(dòng)控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)功能，系統(tǒng)邏輯如圖4、5所示。(1)油門控制系統(tǒng)根據(jù)車輛與障礙物的距離、兩者的相對(duì)速度和加速度，對(duì)處于警戒距離和危險(xiǎn)距離內(nèi)的障礙物給出提示或警告信息，并根據(jù)一定的控制策略驅(qū)動(dòng)油門控制裝置，采取一定的減速和限速措施。(2)剎車控制系統(tǒng)對(duì)障礙物在車輛的危險(xiǎn)距離之內(nèi)時(shí)，在駕駛員沒有或來(lái)不及反應(yīng)時(shí)及時(shí)采取減速停車措施。(3)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)使汽車在警戒和危險(xiǎn)距離之內(nèi)時(shí)，使車輛根據(jù)一定的控制策略自動(dòng)地采取轉(zhuǎn)向避讓措施。整個(gè)系統(tǒng)以車輛與障礙物的距離和相對(duì)位。2）控制方法目前，汽車主動(dòng)避撞控制方式主要有上位控制和下位控制。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖6 汽車主

14、動(dòng)避撞控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)前者由安全距離出發(fā)，從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度應(yīng)用控制算法獲得當(dāng)前情況下車輛應(yīng)當(dāng)具有的減速度等；后者從上位控制算法確定出的車輛目標(biāo)減速度等目標(biāo)參數(shù)出發(fā)，結(jié)合車輛制動(dòng)系統(tǒng)模型，應(yīng)用控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)氣門、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等精確控制，實(shí)現(xiàn)上位控制要求的目標(biāo)，保持車輛的安全距離15。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)的研究絕大多數(shù)集中在避撞系統(tǒng)的縱向控制，其控制系統(tǒng)如圖6所示。圖7 汽車產(chǎn)主動(dòng)避撞系統(tǒng)縱向控制系統(tǒng)國(guó)外已有學(xué)者給出較好的縱向上位控制器模型16，系統(tǒng)模型的輸入為駕駛員特性參數(shù)、基本環(huán)境信息、目標(biāo)車信息和自車的各種傳感器信息，并對(duì)下位控制系統(tǒng)傳遞控制指令?？刂扑惴ㄓ心：刂坪蜕窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)控制17-18

15、，適合于非線性目標(biāo)的滑?？刂扑惴?9和Backstepping方法20。PID和LQ等控制方法也得到了應(yīng)用。由于基于以上方法的上位控制器大多數(shù)以提高系統(tǒng)某一性能為目標(biāo)，未能使控制精度和響應(yīng)時(shí)間都得到改善。為此，文獻(xiàn)7、文獻(xiàn)21 設(shè)計(jì)了基于混合控制策略的上位控制器，結(jié)合了LQ方法和時(shí)間一能量最優(yōu)兩種上位控制方法的優(yōu)點(diǎn)。理論分析和仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在滿足輔助駕駛系統(tǒng)對(duì)安全性和駕駛舒適性要求的同時(shí)，縮短了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。4 不足之處與發(fā)展趨勢(shì) 4.1 不足之處 現(xiàn)有的汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)存在多方面的考慮不足：只考慮一般情況下的行車狀況，而忽略了特殊情況下的主動(dòng)避撞，比如在超車情況下如何更好

16、地做到主動(dòng)避撞，在避無(wú)可避的情況下如何去進(jìn)行有效的控制措施等；在模型的控制器設(shè)計(jì)方面應(yīng)該對(duì)不同的駕駛員的駕駛特點(diǎn)進(jìn)行考慮，制造出更為合理的控制器，以滿足主動(dòng)避撞系統(tǒng)的性能要求的同時(shí)又能不同的駕駛員都能適應(yīng)；在研究和試驗(yàn)的方法上，目前的研究主要停留在控制理論模型的建立和邏輯結(jié)構(gòu)完善等方面，國(guó)內(nèi)的研究更是剛剛起步，存在著理論模型試驗(yàn)驗(yàn)證困難的問題，駕駛員模型的建立更難。美國(guó)Lowa大學(xué)利用國(guó)家先進(jìn)駕駛模擬器(NADS)，將駕駛員模型與汽車模型相結(jié)合在主動(dòng)避撞方面做了大量研究22-24，為汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)的試驗(yàn)研究提供了新途徑。4.2 發(fā)展趨勢(shì)目前的汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)都是以避開車輛為主，如今社會(huì)車撞人

17、的事故屢見不鮮，在我國(guó)，行人的車輛交通事故死亡比例高達(dá)2625。所以在系統(tǒng)的研究方面應(yīng)該朝主動(dòng)避讓行人、集成化、智能化和提高其準(zhǔn)確操作率等方面努力。5 結(jié)語(yǔ)汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)(ITS)中的一個(gè)亮點(diǎn)，同時(shí)它對(duì)智能車輛行駛安全保障及常規(guī)車輛安全輔助駕駛有著深遠(yuǎn)的意義。我國(guó)在這方面所取得的成果與發(fā)達(dá)國(guó)家有一定的距離，所以我們應(yīng)該加大這方面人才的培養(yǎng)，爭(zhēng)取在未來(lái)的汽車行業(yè)中能占有一席之地。參考文獻(xiàn)：1Kyongsu Yi，Mitmu Woo，et a1An Experimental Investigation of 8CWCA System for Automobile Using asr

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