汽车智能防碰撞系统的建模分析与应用研究.doc

汽车智能防碰撞系统的建模分析与应用研究申请书正文1、项目研究意义本项目以提高汽车的主动安全性为出发点，是汽车智能制动系统的关键技术，是一项集工程科学、信息科学和自动化技术于一体的光机电一体化研究项目。主要研究内容包括基于汽车特性和交通状况的车辆安全信息的获取，对处于追尾行驶状态的本车与前车的各种运动学随机特征参数如车辆与障碍物间的相对速度、制动系统反应时间等进行模型化的统计、界定和参数识别，建立相对精确而又实用的汽车安全距离评判模型、处理准则和模糊控制方法，提出车辆防追尾碰撞系统的基本构成、分析方法和设计理论，其成果对于降低我国高速公路交通事故的发生、促进民族汽车工业和运输业的发展具有重大意义。本项目属于浙江省实现可持续发展所需解决的关键科技问题。在浙江省“十五”基础性研究发展计划的第四款优先发展领域中，第四项为“信息科学与自动化”，其下的第3子项为“自动化及相关技术的基础性研究”，内容包括：复杂过程的实时控制与优化管理、先进制造技术与装备自动化、自动化在农业、交通、经济等领域的应用基础研究；其下的第4子项为“光机电一体化的基础性研究”，内容包括：光机电一体化产品的设计平台技术；光机电多媒介集成技术与系统；微小尺度光机电器件与系统等。本项目从应用范围看是自动化在交通经济等领域的应用基础研究，从技术成分看是典型的光机电一体化产品设计技术，因此，本项目对促进和带动浙江省经济、交通和科技的持续发展有着非常积极的作用和影响。另外，从行业角度看，随着社会的进步、经济的发展，公路运输在整个交通运输系统中所站的比例得到了快速的提高，但与此同时，公路交通事故却成为导致人类非正常伤亡的主要原因，我国更是交通事故最严重的国家之一：从1985年到1994年的10年间，事故数量和死亡人数分别增加了27%和62%，1995年已达到了27200起和71000多人10。尤其是近几年来，随着经济的发展与科学技术的进步，公路交通呈现出行驶高速化、车流密集化和驾驶人员非专业化的趋势，交通事故更加频繁，全世界每年死于道路交通事故的人数估计超过50万人，伤1000万人以上11。分析大量交通事故实例表明，能见度差、疲劳或酒后驾驶、驾驶员处置不当和制动系统失效是引起交通事故的主要原因，如今年3月在江苏省高速公路上发生的40多辆汽车互相碰撞事故和今年5月3日上午在京津塘高速公路武清段发生数十辆车连续相撞的恶性交通事故等。由此可见，在“驾驶员车辆环境”这个闭环系统中，驾驶员是最薄弱的一环，所以，汽车安全性研究已经不仅仅是个技术问题，在某种程度上也是一个重要的社会问题。实际上，汽车安全性可分为主动安全性和被动安全性。主动安全性是指通过提高汽车的性能、质量和功能，以避免或减少交通事故的发生；被动安全性是指在车辆发生事故后，如何尽量减少人员的伤亡。汽车的主动安全性因其定位在放患于未然，因此对于减少交通事故、人员伤亡和经济损失具有重大意义。而研究解决上述原因的汽车智能防碰撞系统已成为汽车主动安全性的前沿课题，也是实现无人驾驶汽车的关键技术之一，实际上它也是一种辅助驾驶系统，具有自动监测车与障碍物距离、跟踪显示本车速度，在危险条件下，能发出声音报警，紧急时刻，还具有减速刹车的功能。因此，本系统在保护驾乘人员安全，防止因司机疏忽大意、天气能见度低的情况下造成车辆事故具有重大的意义。再从我国和浙江省的经济发展来看，汽车工业是国民经济的支柱产业，市场竞争十分激烈，尤其是我国加入WTO后，洋轿车充斥我国汽车市场（2002年的轿车配额为80亿美元，是2001年17亿美元的4倍多），而且我国轿车企业的利润除上海大众汽车公司外目前均在5%以下。因此，处于起步阶段的我国轿车工业已面临生存危机，只有不断创新，提高性能和质量，在技术含量和新产品研发上积极赶超世界先进水平，才能谋求实现民族汽车工业的跨越式发展。2、项目研究目标及与申请者研究工作长期目标的关系本项目是提高汽车主动安全性的前沿课题，也是汽车智能制动系统的关键技术，其研究目标是为实现车辆制动系统的自动化和车辆驾驶系统的智能化而完成理论建模工作，并为该模型设计计算机仿真模拟系统，为最后研制实用的防碰撞产品奠定良好的应用研究基础。实际上，有关资料表明，将驾驶员从“人车环境”系统中解放出来，可大大缩短驾驶员的反应时间，从而降低事故率 7，如在事故发生前，“驾驶员车辆”系统的总反应时间缩短0.5s，则60%的追尾碰撞可以防止，而这个反应时间若能缩短1s，则约有90%的追尾碰撞可避免。汽车智能防碰撞系统就是为此目标而设计的。申请者长期从事车辆工程学科的教学与科研工作，对汽车底盘各总成系统有较深入的研究和认识，而对复杂机械系统安全性、可靠性的研究是申请者长期稳定的研究目标，因此，本项目的研究也是申请者长期研究工作的一个组成部分。3、项目研究内容，研究方案和进度安排（1）研究内容本项目研究智能制动系统的总体构成、安全评判理论、信息处理与模拟软件和系统的可靠性评价等。系统的总体构成如图1所示，其中的环境辩识装置与路径预测装置是系统的信息获取单元，主要的元件是用于环境识别的传感器，因此，本课题将首先对各种传感元件如超声波、激光、雷达、红外线、CCD摄像机等进行比较研究。系统的安全判别装置是智能制动系统的信息处理单元，作为系统的神经中枢，对信息的提取和处理应快速和准确，但前提是要有合适的安全评判规则。因此，安全评判理论是本项目的重点研究内容，包括对汽车特性、汽车有关标准与规定、道路表面附着系数、本车与前车相对速度以及制动器反应时间等有关参数的随机特性研究，对各种模糊信息进行智能化处理的方法研究，汽车安全距离和控制量的判定规则研究，制动激励力与控制量间的关系研究等，目标是当本车与前车之间的距离达到最大安全距离时，系统发出警示信号、而在达到最小安全距离时，系统使汽车在一定的反应时间内实施自动减速或自动停车。在建立了适宜的安全评判理论后，该单元功能的实现需要通过相应的软件包并与硬件相结合，以实现信息处理智能化。本课题的第三项研究内容是系统的动作实施单元，即研究在危险情况下当驾驶员没有做出正确的反应或反应比较迟滞时，能使制动器自动产生制动以避免事故发生的控制方案。此外，还要对汽车智能制动系统的模拟试验系统进行设计研究，并调查汽车制动系统的失效模式和底事件发生概率，对整个系统的可靠性进行预测和失效分析。（2）研究方案本项目为光、机、电、液一体化技术，涉及测控技术与仪器、信号与信息处理、控制理论与控制工程、汽车工程和机械电子工程等学科，拟采取理论分析和模拟实验相结合的方法进行研究。本项目研究的系统拟实现的一些具体功能和基本方案是：第一、行车环境监测功能的实现：主要由测量外界信号的毫米波雷达及能够判定路面状态的道路传感器组成。其中毫米波雷达可以安装在车辆前端，主要功能是测量车辆与前方障碍物之间的距离和相对速度，并将所测数据传输到事故预测与判定系统。第二、事故预测与判定功能的实现：将本车与前方障碍物（前车）的距离与临界安全距离进行比较，如车与障碍物的距离小于临界安全距离，则发出报警信号，提示驾驶员需要减速行驶，如警示信号无效后，车辆实施自动制动。此处解决的关键问题是建立数学模型，计算临界安全距离。第三、车辆控制功能的实现：当车辆需要自动进行紧急制动时，事故预测与判断系统发出一个制动信号，驱动执行机构进行制动。该功能可以利用车辆原有的防抱死制动系统(ABS) 来实现，使车辆的制动系统不仅能防抱死、防滑转，而且还能够对路障做出快速准确的反应并实施紧急制动。项目研究的技术路线是：系统组成分析安全评判建模参数的随机性、模糊性分析计算机模拟实验系统的失效分析与评估。即首先根据车辆的工作情况，比较选择环境识别装置（如毫米波雷达）和传感器的主要性能参数和技术参数，以实现障碍物信息、路况信息、行驶状态信息和车辆信息等的自动获取。再根据汽车的有关规定和系统组成元件的技术参数等，研究如图2所示的汽车追尾模式状态的防碰撞安全评判理论。由于该模型的动态性、实时性和随机性，因而对各种随机参数（如制动时间、制动减速度、道路情况等）采用人工神经网络的方法进行模糊分析，以使系统能对各种状况下的安全制动距离（时间）实现智能化处理。在此基础之上，研究系统的自动执行装置，主要由高速电磁阀和带有ABS的制动器组成，如果系统判定即车辆与前面障碍物的距离小于或接近于极限安全距离时，安全危险预测系统就向高速电磁阀发出一个紧急制动信号（如电流），电磁阀接受到该信号后，推动制动主缸活塞运动，制动器工作，车辆减速运行，直至车辆与障碍物的距离大于预警安全距离后，再自动解除制动。系统的操作流程如图3所示。最后，对理论分析得到的有关参数由计算机模拟实验来验证或修正，并通过调查汽车制动系统的失效模式和发生概率，采用故障树分析方法来完成系统的失效分析。本项目研究的关键技术有两项：一是全面且实用的安全评判模型的建立，二是对模型中的有关参数（如车辆的制动减速度和驾驶员与制动器的反应时间等）进行随机性、模糊性的分析方法。（3）研究进度安排2005.12005.6，进一步搜集各种相关技术资料，调研有关技术数据，并完成对汽车防碰撞系统的总体构成分析工作。2005.72005.12，对高速公路追尾行驶系统进行深入研究，完成汽车智能制动安全评判理论的数学建模工作。2006.12006.6，对模型中的相关技术参数考察其随机性和模糊性，并利用神经网络技术和模糊控制理论进行分析、评估。2006.72006.10，初步研究可用于汽车防碰撞系统模拟软件的设计方案，为以后研制大型、高级的汽车防碰撞仿真软件系统打好基础。2006.112006.12，进行项目总结，提交最终研究报告。4、项目创新之处汽车防碰撞系统是当前国内外的一个研究热点，如美国福特公司、日本马自达公司都在研究测距式激光防撞系统，利用从发射激光到接收反射光束的时间来计算车辆与障碍物之间的距离，并用此距离与安全距离进行比较、报警和控制，但是它仅适用于前面车辆暂停或实施紧急制动的情况，对于大多数做变速运动的车辆来说，则不适用。另外在国内也有通过红外线测距、单片机控制来研究防撞系统的17。从众多的公开文献来看，这些研究的焦点几乎都集中于防碰撞系统的硬件（如测距仪等）选择和控制上，而对系统的基础数学模型却缺少较深入的理论研究。事实上，车辆防碰撞系统的运动学模型中，涉及的变量比较多且情况复杂，具有较大的随机性和模糊性，因而只有在理论上建立起较为准确、合理和全面的数学模型，智能系统才能与车辆的实际运行情况相符、才具有实用性。本课题将针对上述研究空白，从硬件组成上进行改进，从理论模型上进行深入详细的探讨，使得出的评判理论更适用于一般环境下的驾驶。因此，本项目如前面的研究内容和研究方案所述，其创新点有四处：从理论上分析了智能防碰撞系统的硬件组成和工作流程；确定适用于各种追尾条件下的行车安全距离判别公式；利用模糊控制理论和神经网络技术对影响安全评判的各因素进行随机性、模糊性分析；研制可用于车辆防碰撞模拟仿真的实验系统。5、工作基础与工作条件（1）项目组的研究能力与工作基础本项目组由正高职称1人，副高职称5人、中级职称1人组成，项目负责人及项目组成员近年来独立完成或参与完成了多项省部级课题和横向项目，并有多项获奖，在国内核心刊物发表研究论文几十篇。主要成果如后面所附。另外，课题组也做了很多与本项目相关的研究工作，已有一名由项目组成员指导、课题21与本项目相关的硕士研究生毕业；已有一篇相关研究论文发表于起重运输机械2004年第3期，另一篇已经通过中国公路学报的二审，第三篇已被起重运输机械采用；还有两项关联项目得到了绍兴市科技项目的支助（15万元）。目前，项目组正在进行部分国内外情报检索和资料收集工作，正在调研与本项目相关的行业动态和技术发展状况，正在进行汽车主动性安全评判设计理论建模的数据统计工作。课题组具有相当的研究能力，其近三年课题组的主要工作成果简介如下：获奖：山西省科学技术进步二等奖（第2负责人），2002；山西省高等学校科技进步一等奖（第2负责人），2001。课题：山西省自然科学基金（20031057），复杂机械系统的模糊可靠性研究；山西省自然科学基金重点项目（200118），系统失效分析理论与应用的研究；浙江省绍兴市科技项目（2002166），车辆智能制动系统设计方法研究；浙江省绍兴市科技重点项目（2003101），制动系统检测实验室建设；浙江省教育厅科技项目（20031119），复杂机械系统的模糊可靠性研究。论文：课题组第一和第二负责人近三年在国内核心期刊发表论文十多篇。（2）研究支撑条件如前所述，项目组成员有较高的学历层次、丰富的项目研究经历和较强的研究能力，对本项目的完成在人才、学识方面有非常好的支撑。此外，项目组所在基层单位已有计算机实验室和自动控制实验室，由学校投资75万元、绍兴市科技重点项目支助的、具有国内先进水平的制动系统试验台正在建设之中。6、预期研究结果及其利用研究结果的计划和今后发展的思路本项目将完成对汽车防碰撞系统的总体构成分析、安全评判理论的建模及对整个系统的可靠性预测和失效分析评估等方面的重要研究成果，这些成果将以在行业核心期刊发表学术论文（35篇）和提交研究报告、模拟软件等形式体现。这些研究成果一方面将积极谋求与国内和省内相关企业的合作，使成果能转化为生产力。另一方面这些研究成果也是课题组今后研究工作的基础，因此将进一步把该项目引向更深入、更宽泛的研究领域，如仿真系统、智能驾驶和智能交通等。此外，根据我国汽车工业2000年振兴规划要点的统计和预测： 20012010年轿车保有量将达2400万辆。因此，利用本项目的研究成果，结合汽车市场的发展，进而研制成本适中、可靠性高的产品，将大大降低汽车交通事故的发生，创造巨大的经济效益和社会效益。本项目具备相当强的扩散研究能力。因为本项目是为车辆智能驾驶系统的研制所进行的支撑性应用基础研究，而车辆智能驾驶系统是集光、机和电为一体的高科技装备，因此，本项目取得成果后，将有很多的后续项目可以深入研究，如计算机防碰撞仿真系统的研究、汽车防碰撞实验模型的设计研究、汽车防碰撞控制执行系统的研制等等。总之，本项目所提出的研究方向是一个较为长期而稳定的方向，其研究成果具有很强的延续能力、深化能力和扩散能力。参考文献1 Ka CCheok，GESmid and DJMcCuneA multisensor-based collision avoidance system with application to a military hmmwv2000 IEEE intelligent Transportation Systems Conference Proceedings，20002 Yoji Seto，etal，“ Development in Headway Distance Control Systems”Automotive Engineering International，No8，1998 3 CAROL D EBERHARD，etcCollision warning JAutomotive Engineering，1997，105(3)4 Takamasssa Suetoml，Koji KidoDriver behavior under a collision warning system-a driving simulator study JSAE 970279，19975 Yeshio K，Yukihisa SDevelopment status of AHS key technologies AIEEE conference on Intelligent Transportation Systems，Proceedings ITSC 1999，IEEE/IEEJ/JASI International Conference on Intelligent 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