（光学工程专业论文）汽车自适应巡航控制跟随模式研究.pdf

摘要 随着社会的发展，人们对汽车驾驶的安全性、舒适性和智能化的要求越来越 高。从巡航控制技术延伸发展而来的自适应巡航控制( a c c ) 能够很好地与这些 需求相适应，因而具有巨大的市场需求，使其成为现代汽车技术研究的热点之一。 但现在轿车上装备的第一代a c c 系统远远不能满足实际需要，研究开发新一代 a c c 产品就变得很有必要。在新一代a c c 的各种行驶模式中，由于汽车大部分时 间处在跟随行驶状态f ，因此跟随模式研究是a c c 研究中的重点。 本文讨论了汽车自适应巡航控制跟随模式的两个问题，一是跟随模式安全车 距的确定，二是跟随模式控制模型的建立。 本文结合前碰撞避免系统( f c a s ) 的研究成果，提出了一种新的安全车距算 法。与以前研究的不同在于：本文设定在同一平直车道内排队行驶的两辆同速汽 车处在稳定的跟随行驶状况，当前车减速时，跟随车根据前车三种不同减速状况 采取相应的减速策略，使得最终两车有一个安全边际而不至于发生追尾碰撞。由 此算得的车距就是a c c 中的期望安全车距。该值考虑了汽车行驶中的各种因素， 如车速，两车减速度等，比目前a c c 中使用的“车间时距”更全面。 模糊神经网络( f n n ) 技术能够较好地处理诸如a c c 这样的时变、不能精确定 量分析的控制。本文运用模糊神经网络技术设计了a c c 跟随模式的控制模型。研 究中首先使用模糊控制表的形式建立了跟随模式的模糊模型，为进一步的模糊神 经网络控制模型奠定基础，接着构造了一个五层前向b p 模糊神经网络，神经元的 运算采用逻辑比较计算方法，使得网络的工作方式更接近于人的思维方式，能有 效适应各种行驶环境，提高控制的鲁棒性。 本文推导了a c c 跟随模式模糊神经刚络的运算公式，确定了需要学习的参数。 并采用相关文献的实验数据，完成了跟随模式的仿真试验。对结果的分析表明， 模型参数通过自适应学习，提高了模型的控制精度并减小了超调量。模型输出与 司机控制行为的分析比较表明，跟随模式模型输出很“拟人化”，且相对于司机控制 来讲，减少了控制超调，1 丁以满足控制要求。 本文没计了a c c 跟随模式模糊神经网络模型的m a t l a b 仿真程序，是a c c 开 发的有益探索。 关键词：自适应巡航控制，跟随模式，安全车距，前碰撞避免系统，模糊神经网 络控制，仿真试验 a b s t r a c t i nm o d e ms o c i e t y ，p e o p l ec o n c e mm o r eo nv e h i c l e s p e r f o h n a n c e sa s s a f e ty c o m f o na n di n t e l l i g e n c e a d a p t i v ec m i s ec o n t r o l ( a c c ) w h i c hc o m e so fc i s ec o m r o l t e c h n i q u ei st h ew a yt os a t i s f yp e o p l ea n db e c o m e so n eo ft h ef o c u s e so fm o d e m v e h i c l et e c h n j q u er e s e a r c h b u tm ef i r s tg e n e r a t i o no f a c ca p p l i e dc u r r e m l yi sm 丘o m b e i n gs a t i s f a c t o r y i ti sh i g h l yd e s i r a b l et od e v e l o pan e wg e n e r a t i o no fa c c a s m e t o l l o w i n gm o d ei st h em o s tc o m m o nw o r k i n gs t a t eo fa c c ， i tb e c o m e st h ef o c u so f a c cr e s e a r c h t h i sp a p e rh a sd i s c u s s e dt w oa s p e c t sc o n c e m i n gt h ef o l l o w i n gm o d eo f v e l l i c l ea c c ，o n ei st h es a t ed i s t a n c eo ft h ef o l l o w i n gm o d e ，t h eo t h e ri st h ec o n t r o l m o d e l i n go f t l l i sm o d e t h i sp a p e rp r o p o s e san e wm e m o dt oc a l c u l a t et h es a f cd i s t a n c eb a s e do nt h c r e s u l t so f厅o n t a lc 0 1 l i s i o na v o i d a l l c es y s t e m s ( f c a s ) r e s e a r c h t h en e wm e t h o d h a s af 音wa d v a l l t a g e so v e rm ee x i s t i n gm e t l l o d i ta s s 岫e st h a tt h et w ov e h i c l e sw i t ht h e s a m es p e e dl i n i n gi nt h es a r n el a n ea r es t a b l yn m n i n gi nt h ef o l l o w i n gm o d e w h e nt h e l e a d i n gc a rd e c e l e r a t e s ， t h ef 、0 1 l o w i n gc a rw i l lt a k ev a r i o u sm e a s u r e sa c c o r d i n gt h e l e a d i n gc a r sd i 矗色r e ms t a t u si no r d e rt h a tt h e yc a nk e e pc r i t i c a ls a f ed i s t a n c ea n da v o i d c h a s i n gb u m p t h i sd i s t a n c ei st h ee x p e c t e dv a l u eo ft h ea c ct 、o l l o w i n gd i s t a n c e i t t a k e sm a l l yf a c t o r si n t o a c c o u n t ，s u c h a s v e l o c i t y d e c e l e r a t i o ne t c a n di sm o r e t h o u 曲t f u lt h a nf o n n e rv a l u e s a c cs y s t e mi sv e r yc o m p l i c a t e d f o r t u n a t e l yf u z z y n e u r a ln e t w o r k ( f n n ) t e c h n i q u e sc a l ld e a ls y s t e ms u c hs y s t e m se m c i e n t l y 1 1 1 i sp 印e r d e s 蟾n saf n nm o d e lt os 0 1 v et h ea s s o c i a t e dc o n t r o lp m b l e m am o d e li nt h ef o m lo f f h z z yc o n t m lt a b l ei sc r e a t e d t h i si sa 矗) u n d a t i o nf o rt h en e x ts t e p s t h e naf i v e l a y e r b pf n ni sc o n s t m c t e d c e l l so ft h i sn e t 、v o r ka d o p tt h el o g i cc o m p a 血培c o m p u t i n g m e t l o d t h i sm a k e st h en e t w o r k s 、v o r l 【i n gs t y l em o r cl i k eh 啪a 1 1 ss ot h a ti tc a na d 印t t od i f k r e n tr o a dc o n d i t i o n sa n db em o r er o b u s t t h i s p a p e r d i s c u s s e sa l s ot h e e x p r e s s i o n sa n dd e t e m l i n a t i o no ft h es t u d y i n gp a m m e t e r sf o r t h ef n ns y s t e m a s i m u l a t i o nt e s ta d o p t i n gt h ed a i ao ft h er e f e r r e dd o c 啪e n ti sa l s op e r f o r m e d a n a l y s i s o nt h er e s u l tp r o v e st h a ta d 印t i v es t u d y i n go f t h ep a r 锄e t e r sc a ni m p m v et h ep r e c i s i o n o fc o n t r o la n dd e d u c et h eo v e r a d j u s t i n g c o m p a r i n gw i t hh u m a nd r i v e r s ，t h i sm o d e l s o u t p u ti sv e r yp e r s o n d t e da n ds a t i s f y i n g i tc a na l s or e d u c e do v e r _ a d j u s t i n g k e yw o r d s ：a d a p t i v ec r u i s ec o n t r o l ( a c c ) ，f 0 u o w i n gm o d e ，s a f cd i s t a i l c e ，f r o n t a l c o l l i s i o na v o i d 趼c es y s t e m ( f c a s ) ，f u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t m l ，s i m u l a t i o nt e s t 第一章绪论 1 1 汽车巡航控制的概念及发展 目前，汽车巡航控制分为巡航控制【c m i s ec o n t m l ) 和自适应巡航控制 ( a d a p t i v ec r u i s ec o n t r 0 1 ) 两大类，后者是前者功能的延伸和扩展。 巡航控制系统办称为恒速行驶系统。它是利用电子技术对汽车的行驶速度进 行自动调节，从而实现以某一设定车速行驶的电子控制系统。在公路上长时间行 驶时，启动该系统后，巡航控制系统将根据道路行驶阻力自动增减发动机油门开 度，使得车速保持一定。 巡航控制系统是最早应用的汽车电子控制系统之一，早在2 0 世纪6 0 年代初， 美国、r 本等汽车工业发达国家就已经在中高级轿车上安装。早期系统使用的是 模拟电子电路，现在基本上都是以单片机为核心的数字控制系统，大多数系统都 是山车速传感器、e c u 、执行机构等组成。早期巡航控制的车速通常设置在4 0 6 0 k r r u ， l ，随着相关技术条件的改善，设置车速也相应提高，大部分达到1 2 0 k m m 或是更高【i 、5j 。 巡航控制系统可以省去驾驶员频繁踩油门踏板动作，保证汽年以设定的车速 行驶。在行驶过程中，驾驶员只要控制车辆行驶方向即可，大大减轻了驾驶员的 疲劳强度，办减少了交通事故的发生。同时改善了汽车的燃油经济性和发动机的 排放。这种系统在美国获得了，“泛应用，目前近9 0 的车辆装备该系统。这主要 是由于美国有广阔的交通稀少的乡村，同时市内交通环境通常允许车辆恒速行驶。 然而，在欧洲、r 本以及一些美国城市，交通严重拥挤，在这罩行车必须频繁改 变车速，此时这种巡航控制系统就没什么用武之地了【6 j 。 自适应巡航控制系统又可称为智能巡航控制系统( i n t e l l i g e mc m i s ec o n t r o l s y s t e m s ) 。它不但有传统巡航控制系统的全部功能，还具有控制同一车道同向行驶 的两车问相对距离的功能，大大提高了汽车的主动安全性，扩大了巡航行驶的范 围。据美罔统计，汽车装备a c c s 后，它町以控制汽车行驶高速公路全里程的6 2 ， 而汽车巡航控制( c c ) 只有4 0 【7 1 0 不仅如此，a c c s 在欧洲和f | 本的实验也表明， 它能较好地适应在城市主干道上的复杂车况。因此，a c c s 是目前一种很有前途的 汽车电子产品，有着臣大的市场需求。同时，研究a c c 使得人们向制造出完全智 能化的汽车方向迈进了一大步，所以，汽车白适应巡航控制正在成为全世界汽车 电了技术发展的重点之p ”j 。 自适应巡航控制系统在上世纪7 0 年代末应运面生，但由于距离探测器和运算 处理器技术的限制，当时并未获得大的发展。直至2 0 世纪9 0 年代中期以后，随着 车载探测器，车载微机和信号处理技术的进步，白适应巡航控制系统的理论研究 才有了突破性进展。从2 0 世纪9 0 年代末丁f 始，国外一些大汽车公司相继丌发并 装备了汽车自适应巡航控制系统( a c c s ) ，如美洲豹汽车公司2 0 0 2 年1 月推出的 “美洲豹x k r l o o ”跑车，通用汽车公司2 0 0 1 年底推出的“维尚”轿车，本田汽 车公司2 0 0 2 年3 月推出的“a c u r ad n x ”概念车等。 但从这些车辆用户的反映来看，这些实际应用中的a c c s 工作模式少，执行 机构功能单一( 只能有限地加减车速) ，而现代控制方法也不能使a c c s 适应变化 的行驶状况，a c c s 的应用范围大受影响，于是研究能够进行智能控制的新代 a c c s 越发重要了。本文结合最新的a c c 研究成果，将新一代a c c s 划分为血大 子系统，下面就介绍每个子系统的功能和硬件结构。 1 2 自适应巡航控制系统结构及功能 a c c s ( 自适应巡航控制系统) 是一种纵向驾驶辅助系统。它能够探测并识别 前车，根据控制算式自动调整车速( 制动、油门的自动应用) 以保持设定车距。 在行驶过程中，驾驶者完全控制a c c s 的工作，并有车辆的最终控制权限。 因此与其功能相匹配，a c c s 由五个子系统组成：探测器传感器；控制器； 执行机构；人机接口；失效保险装置。各个装置之| 1 = j j 用c a n ( c o n t r o la r e an e t ) 总线连接j 。如图1 1 所示。 图1 1 自适应巡航控制系统拓扑结构 为了使a c c 得到更有效的应用，系统拓扑结构使用分散设计的方法，每个主 要功能的信号处理器都是独立的。这允许系统内各个复杂的信号处理功能块( 如 算式发展、测试、调试等等) 能够自由地发展，而不必把耗时不同的各种软件块 集成到一个固定时序的处理器内。同时，当软件升级也仅仅影响特定的处理器。 从而显著减少调试的复杂性，非常有助于减少开发时间。 虽然这种流水线方法增加了探测器到a c c 控制器的延迟时间，但是实践证明 它对a c c 系统的工作没有不利影响。当然，在一个模块内实现所有功能是a c c 产品的发展趋势。 1 2 1 探测器，传感器子系统 在a c c s 中一般配备两种探测器：距离探测器和曲线探测器。 距离探测器是a c c 的关键部件，其基本功能是提供本车与先行车之| 、日j 距离， 并通过处理器结合其他信息计算出先行车的速度和加速度等数据。 有多种装置可以作为距离探测器使用，如超声波收发器，激光雷达，毫米波雷 达等等。但超声波作用距离过短，延迟时间长：激光雷达受天气的影响很大：因 此目前距离探测器的主流是毫米波雷达“。在a c c s 中一般设定探测距离为1 5 0 m ， 并能排除像街道设施之类的非移动目标。 在实际道路状况下，车道是弯曲的，要j f 确获得车距须使用曲线探测器。 现代常用的几个探测曲率的技术包括轮间转速差传感器，转向轮位置传感器 和陀螺仪或视频相机等。前三个方法只有当汽车曲线行驶时才能探测曲线，但第 四个方法能够预见曲线。 国外一些研究机构提出了建设道路边界的雷达信息静态目标来预测道路和车 道，以及使用导航系统( 数字地图和车道计算) 提供更高级的曲线预测1 1 ”。 在a c c s 中，使用的传感器包括速度传感器和加速度传感器，它们是车辆的 标准配备，这晕就不再一一详述了。 综上所述探测器和传感器共同作用完成子系统的三大功能：即目标探测，多 目标追踪和路径估计。 1 2 2 控制器子系统 控制器子系统根据交通状况决定a c c 的控制模式，硬件采用高性能单片机。 如图1 2 所示，a c c s 控制器由两类操作模块组成：速度控制( 巡航控制) 和距离控制，其中距离控制模块又分为多种控制模式。 控制器子系统根据车辆所处的行驶环境，在不同操作模式之日j 自动切换，并 调用相应模式控制程序完成控制。 设定车距。 l 距离控制| 速度 f 7 上 车 系统关闭 选择 要求的 执行机构 模式控制 辆 距离 控制 加速度 制动或是 相对车速 t 油门 相对加速度 速度控制i 车道曲率 图1 2a c c s 控制器功能图 巡航模式( 速度控制) 即为传统巡航控制，使得车辆以设定车速行驶。a c c s 选择此控制模式的条件为：当汽车处在开路( o p e n r o a d ) 驾驶状况下时，本车速 度不受前方车辆的影响。f o r b e s 在1 9 7 2 年发表的报告表明，当本车与前车之间的 距离超过本车速度乘以l o 或1 2 秒时间所得到的距离时，此种状况可视为丌路驾 驶状况【1 4 1 引。 距离控制模式是a c c 的特点，其中又包括有多种控制模式： 1 ) 逼近( a p p m a c h i n g ) 模式：本车与前车相距很近，以至于本车减速以保持 车距。 2 ) 跟随( f o l l o w i n g ) 模式：本车与前车速度相等，并且两车距离处在设定的 范围内。 3 ) 追赶( c h a s i n g ) 模式：前车初速高于本车，本车则试图追上前车。 4 ) 超车模式( o v e r t a k i n g ) ：当本车要超越前车时候开始工作。 5 ) 停车一行走( s t o p & g o ) 模式：当汽车在交通堵塞状况时，车辆自动怠速， 一旦交通恢复就跟随先行车行驶。 6 ) 突然汇合( s u d d e nm e r g e ) 模式：前车突然切入本车前方，或是本车突然 切入前车后方。 随着人们对巡航控制技术的进一步研究，各种新的距离控制模式必将源源不 断地出现。 本文研究的是跟随模式，这是汽车在高等级公路( 即高速公路、汽车专用一 级、二级公路等汽车专用公路) 和城市主干道卜的主要行驶状况。m i c h a e l s 首先 研究了汽车跟随模式，随后h o e f s 和他的研究小组在1 9 7 0 年代扩展了它的内容【1 7 1 。 目前，由于传统的“寻优”控制方法不能满足汽车自适应巡航控制的要求，关 于巡航控制软件研究处于停滞状态，国际上对a c c s 的研究主要着重于硬件装置， 但随着以模糊理论和神经网络技术为代表的人工智能控制理论的发展成熟，a c c 系统控制方法的研究也将会有一个较大的发展。 1 2 3 执行机构 a c c s 的执行机构由自动油门控制装置、主动制动装置组成，功能为完成控 制器的指令，实现汽车的加速或减速。一些研究者把变速器也包括在内i l ，但实 际仁，他们一般是把变速器用作一种减速装置，当a c c s 使用主动制动装置时， 再研究变速器的减速作用就意义不大了。a c c s 理论上可以使用任何种类的变速 器，但使用手动变速器将会频频中断a c c s ，故本文中试验车辆都装备自动变速器， 变速器根据发动机转速和负载自动换档。 自适应巡航控制系统的油门控制装置分为气动伺服机构和电动伺服机构。由 于真空系统的控制精度不高，缺乏可靠性。而电动伺服机构具有较高的控制精度， 可靠性很高，使用寿命也长，故现在的趋势是采用电动伺服机构作为汽车速度电 子控制系统的油门控制装置。当前电动伺服机构一般采用直流双向电动机作为动 力。图1 3 为一种电动伺服机构的结构示例。 步进 电动机 控 蜗轮 蜗杆 图1 3 ，一种电动伺服装置 电动伺服机构由伺服电机、传动系统、 孛制臂位置传感器等三部分组成。 控制臂位置传感器用来检测电动机控制节气门的位置( 节气门旋转角度) ，它 可以动态反映节气门丌度，并随时将反馈信号输入控制器自系统。目前一般采用 电位计作控制臂位置传感器的硬件。 电动伺服机构传动系统的结构如图1 3 所示。它由蜗轮、蜗杆、电磁离合器、 扇形齿轮等构成。电动机的输出轴做成蜗杆，与齿轮( 蜗轮) 相啮合，蜗轮再通 过电磁离合器与小齿轮结合，小齿轮再与固定在节气门转轴上的扇形齿轮啮合。 由此电动机就可以控制节气门开度。其中电磁离合器起安全保障作用，当执行机 构收到a c c 控制功能解除信号时，直接使电磁离合器分离，从而使执行元件对节 气门控制不起作用。 目前伺服电动机大多采用步进电动机( s t e p p i n gm o t o r ) 。步进电动机也称为脉 冲电动机( p u l s em o t o r ) ，它可以通过给定的输入脉冲数使步进电机运动产生与脉 冲数成比例的位移。在负载允许的范围内，一个脉冲所对应的位移值可以不受负 载的影响，足一个固定值【l 。 当执行元件从汽车速度电子控制系统控制器接受到信号时，结合电磁离合器， 接通步进电动机，电动机通过传动系统改变汽车发动机节气门位置，从而改变车 速。同时控制臂位置传感器将节气门位置信号反馈回控制器。 目前在一些高级轿车上装备的第代的a c c s 都不装备主动制动装置， a c c s 的减速是靠发动机的阻尼作用来实现，这样可以产生o 5 州s 2 的减速度。但 是这远远不能满足人们对a c c s 的要求，于是关于主动制动装置的研究是新一代 a c c s 的重点之一m 2 ”。 就像前述a c c s 的自动油f j 装置利用巡航控制系统( c c s ) 的硬件一样，主 动制动装置也尽量利用汽车现有的硬件装置，如a b s 、t c s 等。本文采用了一 种a b s 、t c s 相结合的主动制动装置，拓扑结构如图1 4 所示。 图1 4种自动制动系统的拓扑结构 图1 4 描述了一种a c c 自动制动机构的工作机制。在司机没有踩制动踏板的 情况下，当a c c s 判断汽车需要制动时，a c c 处理器发信号给制动控制处理器， 激活电磁线圈，打开初级电磁阀( 即i s 0 阀) ，使其驱动泵总成从主油缸抽取制动 液到车轮制动管线，从而使汽车安静平滑减速。 1 2 4 人机接口 人机接口包括输入和输出接口，前者输入驾驶员的控制指令，后者则显示 a c c s 工作期间所需的各种信息。 输入接口一般采用按钮，r 关形式，也有使用触摸屏的。首先当然要有a c c s 启动关闭开关，还有传统巡航控制系统的标准接口，如定速力日速及恢复减速巡航 控制开关，制动应用开关等。此外还需增加一些匹配a c c s 操作的开关，如本文 的a c c s 中就增加了判断行驶环境好坏( 干、湿路面) 的两个丌关。 将所有输出信息集成到一个窗口内显示是汽车仪表发展的方向。本文采用的 输出接口足种综合显示系统，该系统能够提供丰富的a c c s 信息2 ”，如相对车 距，车速等等。a c c s 人机接口必须与车辆基础构造无缝的结合在一起，并且对驾 驶者而言是简币的、易于理解的。输出接口硬件一般采用发光二级管，c i 盯或是 液晶显示器等等，最新的研究成果是_ = j 汽车挡风玻璃显示输出信息。 图1 5 所示的是一种典型的人机接口，它的控制开关在方向盘上，输出接口 采用发光二级管做硬件。 图1 5 一种典型的人机接口 1 2 5 失效保险子系统 失效保险装置对自适应巡航控制系统非常重要。如果a c c s 失效而驾驶者未 知，就很可能导致严重的交通事故。 该子系统利用f m e a ( 故障模式和功能分析) 方法进行分析。在充分考虑安 全性的情况下进行设计，特别是对丁执行机构，大部分采用了与c c c ( 传统巡航 控制) 相同的硬件装置，因此它的结构安全可靠。控制用e c u ( 电子控制单元) 需要对输入输出信号进行监视，一型检测出系统发生故障，信号就被传输到显示 装置，提醒司机注意。此外，为了便于a c c s 的检修维护，时效保险子系统还应 具有以下功能： 1 ) 自诊断代码输出； 2 ) 维修数据输出： 3 ) 执行机构测试。 失效保险子系统并没有专门的硬件装置，它的控制程序存储在控制器内，输 出是利用a c c s 的人机接口。 随着汽车电子控制系统复杂化与多样化，故障所造成后果的严重性正在增加。 现在，冗余测控系统以及系统脏测与故障渗断技术已有巨大进步，各种容错性高 的“导线驾驶”系统f f 在发展中，还有些基于模型的车载诊断系统也在开发与 应用中。将这些技术应用于a c c 失效保险子系统中，就可以有效地减少汽车故障 造成的损失。 1 3 课题研究内容 本沦文研究的主要内容包括： 1 简介并讨论白适应巡航控制系统的结构和功能以及当前最新发展。 2 根据汽车动力学理论并结合前碰撞避免系统的研究成果，分析研究本 车与前车在跟随行驶状况下的安全车距。 3 根据模糊控制理论和专家经验建立车辆白适应巡航控制跟随模式的 模糊控制模型。 4 运用成熟的模糊神经网络技术改进自适应巡航控制跟随行驶的模糊 模型，使其具有自适应学习能力。 5 使用实际获得的样本数据，训练自适应巡航控制跟随模式的模糊神经 网络控制模型，并与司机实际操作的踏板输出结果进行对比分析。 第二章自适应巡航控制跟随模式的安全车距 2 1 跟随模式安全车距的概念及发展 在自适应巡航控制中，相对车距为装备a c c s 的跟随车( f o l i o w i n g v e l l i c l e ) 与先行车( l e a d v e h i c l e ) 的矢量距离。对应于不同的距离控制模式，a c c s 需要 确定不同的相对车距。 确定相对车距是自适应巡航距离控制的基础。而确定先行车则是确定相对车 距的前提。在本文中，作为先行车应满足两个条件，首先该车必须和装备a c c s 的本车在同一车道并同向行驶；其次该车必须处在本车前方最接近位置。如图2 1 所示，车辆3 不是先行车，而在本车车道内的车辆1 才是先行车。相对于先行车， 本车就足跟随牟，这样设定，是为了与a c c s 的纵向控制属性相匹配。 图2 1对先行车的识别 1 一一先行车2 ，3 一一接近车道线行驶的车辆 汽车a c c 跟随模式的安全车距首先必须保证司机驾驶的主动安全，其次两车 距离要尽可能小，以提高道路的利用率。 目前，装备在国外高级轿车上的a c c s 中，自适应巡航控制跟随模式的安全 车距r 是由一个时间值正，来表示，称为“车问时距”( h e a d w a y ) 。安全车距r 等丁二瓦 与跟随车速的乘积阻25 1 。“车问时距”简堆明了，但它的数据都是由经验得来， 并没有经过严格的汽车动力学推导，不能很好的适合汽车的智能控制。 随着汽车主动安全性研究的发展，汽车前碰撞避免系统( 行o n tc m s ha v o i d a n c e s y s t e m ) 的研究成果为确定a c c 跟随模式安全车距提供了新思路【2 6 2 8 l 。 本文提出了一种与汽车前碰撞避免系统研究成果紧密结合的a c c 跟随模式安 全车距的算法，它跳出了以前安全车距算法的巢臼，展现了一种崭新的思路。 2 2 跟随模式安全车距的分析计算 一般情况下，车距可被认为是曲线距离，直线车距只是其中的特例之一。虽 然如此，从a c c s 的应用范围来看，它主要适用于高等级公路和主干道，道路状 况摹本上为平直。所以研究直线车距有极大的实际意义。本章的研究对象就是汽 车直线行驶时的跟随模式安全车距。 2 2 1 跟随模式安全车距模型 汽车白适应巡航控制的稳态跟随行驶状况为： ( 1 ) 、两车在同一车道内， ( 2 ) 、两车车距在设定的跟随模式安全车距范围内， ( 3 ) 、两车同向同速行驶。 本文设定：在，c0 时，两车处在稳态跟随行驶状况，此时车距尺= r ，风即 为安全车距。在，= o 时，先行车速度，r 始恒定减速至零，此时的初始车距为安全 车距r n 。而在f ，o 时，车距r 随时间而变化两车继续他们的运动直到碰撞或是 两者都停止。两车在不同时刻的坐标位置如图2 2 所示。 l _ 一r o 一 t = o t o 铡谂 fx = o l 卜百i _ 一x l t 卜叫 卜一x f t h 褊徐 f l 图2 2 曲军在小同时到蚋位菇 于是，在所有时间，距离r 及其变化率罂有f 面的关系： 尺= x ，( f ) 一( f ) ( 2 1 ) 警圳f ) _ 哪) ( 2 2 ) 式中，鼻。表示初始点与跟随车前部的距离，并。则表示初始点与先行车后部 的距离，k 标示跟随车速度， 表示先行车速度。 已经有人做了关于在f = o 时两车同向行驶，随后先行车丌始制动这样的行驶 状况下的碰撞前情况的研究。如文献 2 9 】中就提出了一种“临界车距”厶算法，即： 驴妻( 孚一孕) + 一十：+ ， ( 2 3 ) z “，一“l 式中，d 。为先行车减速度，d ，为跟随车减速度，f 为减速时间，r ，为延迟时 | 、日j ，表示当两车停止时的允许车距。 这实际上是根据文献【3 0 】中理论直接推导而出的，虽然有一定作用，但这个公 式并没有提供一个完整的，基于试验的，能适用于小同行驶状况的运算法则。 在文献 3 1 】中作了一个使用1 0 w a 驾驶仿真器( i d s ) 的试验，测试了司机对 行驶车道上静止车辆的反应。在该试验中研究人员只给半数试验司机发布了碰撞 警告，另一半则没有。发布碰撞警告是基于一个设定的司机车辆模型，试验包括 以下前提： 1 根据汽车速度不同而在不同时间给司机一个将要碰撞的提示，以便汽车能 够以定减速度制动，使得跟随车和先行车停止后，两车相距为2 m 。 2 假定跟随车辆的定减速度为5 5 2 州s 2 ( 用在i d s 试验中的值) 3 假定司机在碰撞警告和制动动作之间耽搁了1 5 秒。 试验结果表明发布碰撞警告能有效的减少汽车追尾碰撞。这个警告方式也可 用来给行进中的两辆车示警。然而，由于该模型自身设定的关系不适合两辆车部 运动的状况，不能及时发布碰撞警告。所以套用该模型计算a c c 跟随模式的安全 车距是行刁i 通的。 但是这种研究方法的逻辑还是有用的，即本文中安全车距算法不是按照发现 先行车一采取动作一发生碰撞这种模式研究。而是反过来设定，首先两车已处在 安全行驶状况，随后先行车停止或是减速，于是跟随车也随之减速，到其停止时， 两车相距一个安全边际值( ，n ) 。 2 2 2两车运动模式分析 根据上面提到的逻辑方法，本文分两步分析两车运动模式： 1 扩展i o w a 试验结果，把驾驶状况从两辆车丌始同速运动扩展至所有可 能的情况。控制器收到信号至执行机构动作完成的延迟时间为f ，+ r ：，其中控制器 运算时蒯为f ，制动器起作用时问为r ，它们都是定值，实际数据要根据具体硬 件、软件确定。 在i o w a 实验中设定的减速度为5 5 2 耐s 2 ，但实际上，由于a c c s 一般只装 备在高级别轿车上，所以这个值显然不符合现代高级别轿车的实际状况。 表2 1 列出目前一些轿车的减速度。可以看出，高级别轿车的最大减速度一般 都在9 m s 2 以上。 表2 1 部分轿车的速度和减速度 最高车速( k n l 1 1 )制动距离( m )减速度( 1 1 1 s 2 ) 帕萨特( 1 8 t )1 8 53 6 7 ( 1 0 0 k m 几o ) 1 0 5 奥迪2 2 6 ( a 6 )3 7 8( 1 0 0 k m h o )一1 0 2 h 产a l m e r a1 8 54 0 ( 1 0 0 k m h o ) 9 6 5 雷诺 1 9 54 2 3 ( 1 0 0 k m m 一0 ) 9 1 2 菲亚特l e o n1 8 84 0( 1 0 0 k m l o )9 6 5 辛田花冠 1 9 5 4 3 1f 1 0 0 k m i l o 、 罐9 5 大众g o l f 1 9 23 9 f l o o k m h o ) 9 9 0 p o l o1 7 03 9 3 ( 1 0 0 k m ，h 0 ) 9 8 2 宝马3 1 8 i 3 8 2 ( 1 0 0 k m l l 0 ) 1 0 1 b e m c l 8 03 6 ( 10 0 k m 1 1 o ) 1 0 7 2 福特 3 6 4 ( 1 0 0 k m h 0 1 1 0 6 v o l v o s 6 03 7 4( 1 0 0 k m h 0 )1 0 3 2 2 为每种行驶状况确定适合的反应逻辑。 两车之间相对运动的模式完全由先行车在，= 0 时刻( ，f 始制动的时刻) 的初 始条件决定。这时，设定四个运动参数为：初速畴( 两车相同) 、车间初始距离r ( 安全车距) 以及先行车减速度( ，和跟随车的减速度d ，。根据这些初始条件，两 车之间仅仅呵能有三类相对运动状况，这些行驶状况分别为： ( 1 ) 先行车停止后跟随车才制动。 ( 2 ) 跟随车在先行车停止之前制动，先行车在跟随车停止之前停止。 ( 3 )跟随车在先行车停止之前制动，但先行车在跟随车停止之后停止。 2 2 3 跟随模式安全车距公式推导 根据上节的分类，本文将推导跟随模式的三类行驶状况及区分此三者的两条 边界分隔线的计算公式。 1 行驶状况l 先行车在f = o 时开始制动，并在f = f 。停止。随后，跟随车在f = 0 时开始制 动( 显然， se ，。) ，并再化了( f 。+ t ：) 秒在时刻r = ，w 制动起作用，至时刻，= 停止。这个过程实际上是运动车辆对静止目标的状况。 然而，冈为很困难或是不可能准确获得先行车开始制动时刻，所以必须依靠 跟随车的期望停止距离来确定安全车距r 。即安全距离如必须基于跟随车的减速 距离，加上( r ，+ f ：) 秒的制动应用延迟，再加上必需的，0 米安全边界。用公式形式 表达为： 耻譬去巾一：m + ，0 ( 2 4 ) 2 行驶状况2 此时，先行车在，= o 时首先制动，随后，跟随车花了( r ，+ r ：) 秒时间制动才起 作用，而且先行车在跟随车停止之前停止，须注意到在段时间内两车都在制动。 在这种状况下，跟随车的最终位置，( ) 等于其制动起作用前行驶的距离， 加上定减速度行驶至停止的距离。先行车的最终位置。( ，。) 等于两车初始车距r 加上减速距离。 将这些条件与要求的，。米安全边界相联系，可得两车停止后间隔距离关系式： x ( 嘛) = 石( k ) 一f 。( 2 5 ) 又： 剐。( r 。) + 篆 ( 2 6 ) 龇小导 ( 2 7 ) “， 于是得： 民= 譬( 古一去) + c r 。+ 印“( ：8 ) 3 行驶状况3 在相对运动3 状况f ，先行车在f = o 时首先制动，跟随车在r = ( f + f ：) 制动 起作用，但先行车在跟随车停止之后彳停止。最小车距在时刻f = 0 时发生，此时 两车相对速度为零。在，= f ，之前，两车相对距离减少；在，= f ，之后，两车相对距 离增加。注意到这个运动仪仅在跟随车减速度比先行车更大的状况下j 可能发生。 由于a c c 装备在高档轿车上，这种行驶状况很有可能发生。 于是有： ，( f c ，) = ( ) 一，o ( 2 9 ) 又 坚! 堕l 蚴 d fd i 州f 【) 哦+ 一争r ； ( 2 1 0 1 ( 2 1 1 ) 州。) = _ ，一譬唧。，托妒 ( 2 1 2 ) 掣= 吐f ( 掣= 吨w ，l + r ：) ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 1 将式( 2 1 1 ) ( 2 1 4 ) 代入式( 2 ，9 ) 得： 。一牟( 、一( r 。+ r ：) ) 2 = r + 。一粤，j 一2 ( 2 1 5 ) 即： 耻譬军一譬( f ，吨一：) ) 2 + 2 ( 2 1 6 ) 由式( 2 1 5 ) 得： 即 综上可得 一d ，( r ( 一( f l + r 2 ) ) = 一d 。，( ， ( 2 1 7 ) f ( 1 = 去h z ) ( 2 1 8 ) 耻争仁鲁坼“ = 署( 一z ) 2 + f 0 ( 2 1 9 ) 为了区分汽车跟随行驶的三类运动状况，下面就详细分析它们的两个边界。 4 行驶状况1 和2 的边界 i j 二驶状况1 和2 的临界情况为，先行车在，= o 时制动，= 0 时停止，而跟随 车在，= ，时开始制动，到，= 0 + ( q + f ：) 跟随车制动才起作用，到f = 时停止。 于是，跟随车停止时的位置为： 州呱) = 州巾一：) 圪+ ， 先行车停止的位置为 又 州碱+ 。 x l q f 卜xk 心f s l = i n 将式( 2 2 0 ) 代入式( 2 21 ) 得： 且 州。小r + 。“ = 州= ”旷 将式( 2 2 5 ) 和式( 2 2 3 ) 带入式( 2 2 0 ) 并简化得 r = 譬( 去+ 去) + c r 。+ 印+ f o 5 行驶状况2 和3 的边界 ( 2 - 2 0 ) f 2 2 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) ( 2 2 6 ) 此时，两车同时在r = ，。时停止，并设定停止后两车相距2 m ，则有以下条件 先行车制动距离 跟随车制动距离 x | q s 、一xf qs ) ；l q 矾川。+ 。 剐u 却l 坞m + 。 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 - 2 9 ) 由式( 2 2 7 ) 式( 2 2 9 ) 可得： r = ( r ，+ 功+ 譬( 古一去) “ ( ：珈) 又： ”( 。：) + 皂 日 ( 2 f 3 1 ) 且 印 r 。：丘 口， 亿托h 去一 将式( 2 3 3 ) 代入式( 2 3 0 ) 并简化可得： ( 2 - 3 2 ) ( 2 3 3 ) 民；c 古一去，。咯+ 孚。c 去一+ ，o = 孚c 古一古，“ c z 3 4 ， 2 3 跟随模式安全车距运算法则的应用 由2 2 节的计算公式可以看出，a c c 跟随模式安全车距取决于两车的减速度 及初速度。跟随车的车载处理器能够连续地从速度传感器得到初速以及减速度 d ，从距离探测器得到相对车距r 的初始值。一旦探测到先行车减速或停止，即 通过车载距离探测器测得先行车减速度d ，的值，并将其代入到安全车距算式中， 控制程序将进行确定行驶状况边界及确定行驶状况两个步骤的运算判断。 2 3 1 确定行驶状况边界 摔制程序的第一步将确定当前的( k ，r ) 是处在3 个行驶状况中的哪一个。 在计算中首先根据k 和d ，、“的初始值算出两个边界，即可划分3 个行驶状况， 再根据当前的( 以，r ) 确认其行驶状况。 跟随车减速度d ，的确定是颂困难的工作，本文根据人体工程学中车辆减速 度对司机和乘客舒适性影响的理论进行研究【3 2 】。该理论研究表明，当车辆减速度 不超过2 51 1 1 s 2 ，且其变化速率不大于1 l t i s 3 时，人不会感到不舒适。又从车辆系 统动力学得知，当油门、制动都末起作用而车辆还挂在档位上时，汽车的减速度 一般为0 5m s 2 。由此，本文可以设定在稳态跟随行驶时，跟随车的减速度初始值 就设定在o 5 耐s 2 到2 5 耐s 2 之| 、日j ，以1 耐s 3 为减速度变化速率而变化。当然，一 旦出现紧急情况，汽车减速度将迅速达到最大值，减速度变化率数值很大，不过 这已经超出本文研究范围，就不再详细讨论了。 2 3 2 确定行驶状况 在 二述工作基础上，控制程序可基于和以、办的初始值，按照公式( 2 4 ) 、 ( 2 8 ) 及公式( 2 1 9 ) 算出所处行驶状况的安全车距r 。，并由此确定跟随车距差 e ：尺。一r 及车距若变化率j ；睾。 d f 2 4 跟随模式安全车距计算方法比较 现在将本文所述跟随模式安全车距计算方法和文献 2 9 】中提 h 的“临界车距” 工。算法及“车间时距”算法进行比较，以分析三种计