汽车安全碰撞模型建模及控制特性研究.doc

汽车安全防碰撞模型控制特性研究张沙沙（重庆交通大学机电与汽车工程学院 重庆，400074）摘要：随着汽车产业的不断发展，汽车数量也在急剧增多，这样引起 交通事故的频率也在逐渐增大。为了更好的缓解交通事故的发生，人们开始通过各种手段来辅助汽车安全，设计防碰撞系统，而在此系统中测量作为一个重要环节，特别受到重视。准确的测量会让车辆辅助安全系统在合理的时间内做出提示。而测量的准确就需要完整的测量模拟模块进行支撑。所以本文通过分析早期的数学模块的研究，并对其进行改进，将其应用到防碰撞测量模块中，模拟验证效果，最终完成模拟测试模块。关键词：交通安全；测试 ；模块 ；模拟数据中图分类号：U463.4 文献标识码：A Study on characteristics of automobile safety control model of collisionZHANG Shasha(School of Mechatronics and Automobile Engineering, Chongqing Jiao Tong University, Chongqing 400074) Abstract: With the continuous development of automobile industry, car number also sharply increases, so caused the traffic accident frequency has also been gradually increased. In order to alleviate traffic accidents, people began to through a variety of means to assist in automotive safety, anti-collision system is designed, and in this system as an important part in the measurement, special attention. Accurate measurement will let vehicle auxiliary safety system in a reasonable amount of time to make prompt. While measuring the accuracy of the support will need to complete measurement simulation modules. So this article through the analysis of the mathematical module of the early research, and carries on the improvement, apply it to the collision measurement module, simulation effect, the final simulation test module.Key words: traffic safety; Test; Module; Simulated data7作者简介：张沙沙， 专业：车辆工程 学号：213094019 研究方向：车辆系统动力学及综合控制1 引言随着中国经济的不断发展，汽车作为一个时代的产物已经走进人们的生活。随着中国汽车市场的不断扩大，已经成为世界第一的汽车生产和销售大国。中国的汽车保有量也在不断攀升，而中国由于经济的发展不均衡，导致一些大城市汽车保有量已经过剩，这样就导致交通事故发生率也在不断的增长。比如交通堵塞和交通事故频发，都给人们的生活带来不便。据调查发现，每年的交通事故中有60%以上是车辆的碰撞引起，而交通事故的发生多是因为超速而引起的，这对于驾驶人员和乘车人员及第三者都会造成严重的伤害1-3。所以建立完整汽车安全防碰撞系统具有重要意义。而在防碰撞系统中，完整的测距系统对于控制交通事故的发生是尤为重要的一部分。针对上述情况本文根据防追尾预警系统的设计原则,针对常用算法的不足,提出了一种改进的系统数学模型。该模型针对不同道路交通模式采用多级安全报警机制,在保证正常安全行车的同时,有效避免了预警误报或漏报的发生。2 车辆安全碰撞系统2.1 测距系统工作原理及方法图1所示雷达测距系统中开普勒光波测距的工作原理。汽车安全防碰撞系统组成一般有三个部分组成：感知部分，分析处理部分，自动执行部门。通常情况下测试采用根据雷达工作原理用以检测两车距离。雷达工作时，向空气中发射一串连续重复的高频窄脉冲。一旦所发射的脉冲在路径上遇到目标，就会反射回来，而雷达就会接收发射回来的脉冲4。由于回波信号在路径上需要运动一段时间，这样就会出现相对于发射脉冲的时间延后。光波都是以光速进行传播的，设定目标距离为R，则传播距离等于光速乘上时间间隔 （1）其中，R为目标距离，单位为m，t为电磁波返回被接受所用时间，单位为s。实际测试过程中只要通过反馈脉冲的频率与接受时的频率的多少进行比较，就能够准确的知道时间间隔。使用这种方法们只要我们使用的波的脉冲足够窄，就能够的到精度较高，分辨率较高的信号。 图1 开普勒光波发射、接受原理图目标距离测量的方法主要是要精确测量目标的回波相对发射信号脉冲的延迟时间。而在回复时间中我们还需要确定回复的周期性，所以我们必须知道脉冲重复的周期。通过数字测距我们只要记录下脉冲到达的计数脉冲数目n，根据脉冲的周期重复T，计算脉冲个数及延长时间 （2）其中T为已知值，然后知道计算脉冲返回个个数，为减少误差，通常计数脉冲产生器和雷达定时器记录脉冲是同步的。目标距离R与计数脉冲关系 （3）式中，f为计数脉冲重复率。2.2 目标相对速度测量原理及方法选择由于通过相对位移变化来测量前车速度的方法没有考虑时间的延后问题，这样导致所测量的速度的大小并不精确，或者说误差较大5。为了准确测量本文引入多普勒频移（相对运动的车辆接受回波信号的频率相对于发射信号的载波产生的一个频移）为多普勒频移 （4） 当目标向着激光雷达运动时，回波载频提高也就是自车与前车或障碍物间的距离在减小;反之，回波载波降低，自车与前车或障碍物间的距离在增大。所以只要能够测量出多普勒频移，就可以确定目标与雷达站之间的相对速度，也就是自车与前车或障碍物的相对速度，从而根据自车的速度计算出前车的速度。多普勒频率可以直观的解释为:振荡源发射的电磁波以恒速c传播，如接收者相对于振荡源是不动的，则它在单位时间内接收到的振荡数目与振荡源发出的相同，即二者频率相等6。如果振荡源与接收者之间有相对接近的运动时，则接收者在单位时间内收到的振荡数目要比它不动时多一些，也就是接收频率增高;当二者做背向运动时，则接收者在单位时间内收到的振荡数目要比它不动时少一些，也就是接收频率降低。已经知道，回波信号的多普勒频移正比于径向速度，而反比于雷达工作波长。 （5）多普勒频率的相对值正比于目标速度与光速之比，九的正负值取决于目标运动的方向。在多数情况下，多普勒频率处于音频范围内。例如当雷达工作频率，目标径向相对运动速度回波信号频率，两者相差的百分比是很小的。因此要从接收信号中提取多普勒频率需要采用差拍的方法，即设法取出和的差值。对于连续波多卜勒激光雷达，为取出收发信号频率的差频，需要采用混频的方法。通过在接收机中引入发射信号作为基准电压，在相位检波器的输出端得到收发频率的差频电压，即多普勒频率电压。图2 测距检测流程图发射机产生频率为连续等幅波高频振荡，其中绝大部分能量从发射天线辐射到空间，很少部分能量藕合到接收机输入端作为基准电压。混合的发射信号和接收信号经过放大后，在混频器输出端取出其差拍电压，隔除其中直流分量，得到多普勒频率信号送到终端指示器图3 开普勒频移图对于固定目标信号，由于它和基准信号的相位差保持常数，故混合相加的合成电压幅度亦不改变。当回波信号振幅远小于基准信号振幅U0 时，从矢量图可求得其合成电压为包络检波器输出正比于合成信号振幅。对于固定目标，合成矢量不随时间变化，检波器输出经隔直流后无输出。而运动目标回波与基准电压的相位差随时间按多普勒频率变化。即回波信号矢量围绕基准信号矢量端点以等角速度，这时合成矢量的振幅为: （6）经混频器取出二电压的差拍，通过隔直流电容器得到输出的多普勒频率信号为： （7）在检波器中，还可能产生多种和差组合频率，可用低通滤波器取出所需的多普勒频率送到终端指示器，即可测得目标的径向速度值。2.3 信号系统的选型我们一般常用的传感器无法满足其要求，因为在防碰撞中我们所要测量的是与车体一定距离的事物。所以需要测量远离车体，所以将信号发送和反馈想结合。而我们一般能够达到这样作用的一般有如下信号：激光，超声波，红外线，微波等7。但他们所能够产生的效果有所不同，各有利弊，而我们所驾驶的环境又会经常的遇到一些变化，所以我们必须合理的选择这些信号的应用。我们常用的测试信号一般都五种分别为激光、超声波、红外线、微波、及视频信号等。在这些信号中激光、红外线、微波均为光信号，传播速度也光速相同，我们测试速度都是通过雷达原理进行测试所以需要选择传播速度较快的信号，这样就能够使两车相对行驶的误差值更小，所以我们需要比较各种波的性质。表1 常见测量信号的优缺点信号激光超声波红外线微波视频优点能力足速度快精度高穿透强成本低影响小穿透力强速度快精度高速度快穿透力强采集模拟信号精确度较高缺点受环境影响大，空气微粒影响光学元件传播速度局限性，车速快时误差大穿透力弱，受环境影响大，误差大需高清镜头，光线影响，元件成本较高通过比较我们知道一般我们都选择微波信号作为测试信号来建立数学模型，这样能够使我们所测量的值更加的准确。3 汽车安全距离测算模型3.1 初始的测量模型安全距离是指在同一车道上，同向行驶的两车之间的距离，在此距离内能保持车辆不追尾的最小距离或合适的安全距离。 设两车的相对距离为D ，而安全距离为, (8)随着相对车速的增大，安全距离也相对增大。但如果距离过大，又会导致车辆的拥堵，这样又会在行车流动方面留下较大隐患。所以我们必须建立合理的数学模型，来找到合理的安全距离，即能保证车辆的安全，又能够不影响交通的流通。表2 高速公路上的安全距离车速（km/h）6080100120两车间距（m）70100150200千米车辆密度（辆/km)131075早期的测量模型一般分为两种：一种是固定距离法 另外一种是车头时距法。无论是固定距离法还是车头时距法，不适合于实际行驶工况，因为在实际行驶工况中，车辆工况有很多，如前车静止，前车加速行驶，前车减速行驶，前车匀速行驶等。所以不能准确的覆盖各种工况8。随着人们对汽车制动过程认识的不断深入，开始在基于实际制动过程的基础上设计报警模块。并通过对制动过程的分析对早期模型进行了分析改进不断的对模块进行分析和改进。所谓的汽车制动过程通常情况下可分为以下四个部分：1) 驾驶员的反应时间（即驾驶员在认识到危险，通过大脑的处理信息做出合理判断，做出相应反应过程，脚从加速踏板到制动踏板的反应时间）所以有驾驶员反应时间为。2) 制动调节时间（驾驶员从从脚放在 制动踏板上开始到消除各部分之间的间隙，开始正式制动过程）3) 制动开始制动力从0增长到最大值的过程。所须时间为4) 制动力恒定，速度稳定降低过程，直到速度为0的过程。所用时间为。设车辆行驶速度为,最大减速度为，则整个制动工程如图4所示：图4 汽车制动过程示意图3.2 初步改进的安全模型通过上述制动过程人们进行分析得出如下安全模型。模型一：通过对预测后的距离于驾驶员认为危险的车距相比较，得出安全型距离为：对汽车制动的过程进行假设： 前车速度：后车速度：相对速度即（）。为本车加速度：为前车加速度，为安全距离 （9） （10）当前车静止时： （11）假设后车平均减速度为 （12）如果前车匀速或者加速行驶，则有假定车头时距为，则， （13）将上式等效为为匀减速过程：当前车减速时假定车头时距为，驾驶员的反应时间为则 （14）所以综上可以得到： （15）模型二：马自达集团所研究的安全模型最终结果 （16）其中为后车速度两车相对速度为驾驶员延迟时间为车头间距为前车速度车有时也是运动的，一旦前车是运动的那么我们并不需要让后车完成整个制动过程，我们只要让后车的速度小于或等于前车速度就能够保证车辆的安全9。所以在实际情况下我们还需要虽然完整的制动过程测试能够保证车辆的安全，但在实际工况下，前考虑前车的运动情况来做出更加理的判断。为了使驾驶员能够有足够合理的时间来对车辆进行控制。我们必须在车辆制动的基础上继续研究车辆的时间工况，来更好的完善车辆的各种工况下的制动过程。4综合设计车辆测试模型 4.1 不同工况下制动过程分析基于上述研究车辆的时间工况，来更好的完善车辆的各种工况下的制动过程。为驾驶员反应时间，为制动协调时间，为制动减速度增长时间为本车行驶距离：为前车行驶距离。为安全距离，为安全警报提示距离，为提醒报警距离（自动辅助制动距离）为相对速度，可以根据两车间的距离变化来判断相对速度，在根据本车的速度计算出前车速度的大小，D为时间两车距离。 （17）1) 前车静止或者前方有静止障碍物时：危险报警距离：.车辆电脑提醒报警安全距离： （18）2) 前车加速或匀速工况：工况如下图所示 图5 汽车匀速或加速工况警报距离和安全提示距离分别为： （19）在一般的数据统计中 我们一般把设置为0.2。而路面的摩擦系数有所不同，我们一般取柏油路面的摩擦系数0.6左右。3) 前车减速：对于前车减速又要分为三种不同情况。前车减速到停止，后撤也减速到停止车减速后匀速，后车减速到前车速度前车减速后加速，后车减速到前车加速度后的速度。具体如下图所示：图6 前车减速运行工况警报距离和安全提示距离分别为： （20）4.2 车辆预警系统设计及参数优化车辆预警系统中一般被分为三级进行处理即：提示预警、中级预警、危险预警（紧急制动）。当车辆减速度不同时，通过安全距离模块计算出安全具体也不同。本车减速度越小。所得到的的安全距离就越大。反之越小。引入预警级别判断参数信号 ， （21）将安全距离划分为三个报警区域。分别为，分别 表示通过所计算出来的安全距离。为车辆当前距离。图7所示为汽车防追尾流预警系统流程控制图：图7 防追尾流预警系统流程控制图不同的行驶状况，自动报警模块也会有所区别，城市道路行驶，由于车辆较多，容易出现频繁报警，因此需要对车辆的起始速度做出规定，一般适用于高速公路的行驶。同时由于道路的不同，地面附着系数也不同，这样就会导致紧急刹车所得出的距离有所不同，因此还需根据不同路面来设置地面摩擦系数来应用与报警系统。具体参数设置如表3所示：表3 不同模式下预警控制系统控制参数路面工况高速公路30405030冰雪路面60708080城市道路607080905 汽车安全碰撞系统仿真分析为了准确的确定模型的准确性，需要对数据进行仿真分析，主要针对速度和地面附着系数对安全距离的影响进行分析10。而前车也要分为三种状态进行分析，即静止、匀速和减速运动进行分析。我们把地面附着系数分别在干燥、湿润、和积雪的情况下行驶的附着系数取0.9 0.5 0.2 ；而驾驶员的反应时间设为0.5秒 ，制动动作时间设为0.8秒。仿真结果如下图所示：图8 前车静止状态安全行驶距离与初速度特性曲线图9 汽车匀速行驶状态安全行驶距离与初速度特性曲线图10前车减速行驶安全行驶距离与初速度特性曲线图11前车减速运行状态预警距离与速度特性曲线通过上述图8-10仿真结果可知，不同路面工况下在前车分别是静止、匀速、减速情况下车辆安全行驶距离与初速度的特性关系。表明所有的特性均符合要求。图11表明出制动距离也制动初速度成正比例关系。综述制动初速度与路面附着系数之间的关系。随着初速度的增加制动距离也相应的增大。随着路面附着系数的减小制动距离也相应的增大。6 结束语(1) 通过结果还可以知道上述模型具有较强的适应能力，可以在一