汽车巡航控制系统前景展望.doc

长江职业学院毕业设计（论文）摘 要汽车巡航控制系统也称为速度控制系统或自动驾驶系统，汽车巡航控制系统实质上就是为减轻驾驶员劳动强度，提高行驶舒适性，保证汽车和发动机都能在有利速度范围内运行的自动控制装置。巡航控制系统在飞机上应用，显示出了它的无可比拟的优点。上个世纪50年代末开始在汽车上引用后很快就很受青睐，所以目前在美、日、德、法、意等汽车大国发展、普及很快，尤其是近几年来世界各国高速公路的通车里程增多，扩大了汽车巡航控制系统大显身手的空间，因此巡航控制系统在汽车上的应用也越来越多。本文简要的介绍了一下凌志LS400轿车电子巡航控制系统和丰田新皇冠动态雷达巡航控制系统，两者之间，前者是常规的，后者是动态雷达巡航控制，从组成及工作原理做了一下简单的介绍。关键词: 巡航控制系统;工作原理；动态雷达 目 录1 汽车巡航控制系统概述.11.1 汽车定速巡航控制系统的历史背景.11.2 汽车定速巡航控制系统研究目的及意义.12 汽车巡航控制系统的功能与特点.32.1 汽车巡航系统的特点.32.2 巡航控制系统的组成.42.3 巡航系统的工作原理.43 汽车巡航控制系统的国内外研究和应用现状.63.1 国外研究和应用现状.63.2 凌志LS400轿车电子巡航控制系统.63.2.1 凌志简介.63.2.2 凌志LS400轿车电子巡航控制系统.73.3 电子巡航控制系统的安全装置.83.4 国内研究和应用现状.84 汽车自动巡航控制系统展望.9结语 10致谢 11参考文献. .12II1 汽车巡航控制系统概述1.1 汽车定速巡航控制系统的历史背景汽车巡航控制系统发展至今已有四十多年的历史，它经历了机械控制系统、晶体管控制系统、模拟集成电路控制系统和微机控制系统等几个过程6。从总体上来说，国外汽车巡航控制系统的发展大体经历了三个阶段：第一阶段是上世纪50年代末至70年代中期，这一时期美国和日本相继出现了以模拟电路为基础的汽车巡航控制系统。例如，日本丰田公司从1965年起就开始在车上装用机械式巡航控制系统。之后，德国的VDO公司也研制出了气动机械式巡航控制系统。早期的汽车巡航控制系统以机械式和气动式巡航控制系统为主。第二阶段是上世纪70年代中后期至80年代中后期，随着单片机技术的发展，特别是大规模集成电路及微机的应用，出现了以数字技术为基础的巡航控制系统。例如：1974年美国鲁卡斯汽车研究中心研究出了性能完善的运用卫星雷达的数字控制器控制的车速车距控制系统，该系统可以更好地适应路面状况的变化。日本Hino(日野)公司于1985年向市场投放了一种基于燃油经济性的车速控制系统，其控制框图如图1所示，其控制部分是基于数字式的微控制器。与模拟技术相比，数字系统的突出特点是系统的信号量以数字表示，受工作温度和湿度的影响较小，因此数字控制具有更高的稳定性。汽车巡航电子控制器采用先进的大规模或超大规模集成电路技术做成专用模块，也可在微机上编程实现。当汽车上其它系统已有微机控制时，只要修改一下程序便可将此功能附加上去，因丽可节省昂贵的系统硬件开支。第三阶段从上世纪90年代开始，国外又开始发展以智能化为核心的汽车巡航控制系统和以定距离控制为主的自适应巡航控制系统。1.2 研究目的及意义随着汽车工业和公路运输业的发展，汽车将走进千家万户，驾驶人员非职业化的特点将突出，车辆驾驶的自动化己成为汽车发展的主要趋势。跨入二十一世纪后，人们需要更加舒适、简便和安全的交通工具，以适应快捷的生活节奏，因此对汽车的智能化要求更加迫切，随着计算机和电子技术的不断发展，性能价格比不断提高，为汽车的优化提供了雄厚的物质基础，汽车实现智能化已不是梦想。驾驶汽车长途行驶的机会较多，而且在高速公路上行驶时变换车速的频率及范围都较少，能以较稳定的车速行驶。但若长途驾驶而右脚不得不踩油门踏板时，久而久之驾驶员就会感到疲劳，容易发生交通事故。车辆自动变速器及其控制技术是智能汽车非常重要的内容，是汽车辅助驾驶系统和自动驾驶系统的基础，是目前我国智能汽车发展亟须解决的核心技术之一。此外，随着我国高速公路网建设纵横迅速延伸，自动巡航控制也具备了广泛的发展和应用前景。汽车巡航控制系统CCS(Cruise Control System)是汽车电子技术新装置之一，它实际上就是一种辅助驾驶系统。汽车定速巡航控制装置的使用减轻了驾驶员操纵强度,减少了不必要的车速变化,提高了驾驶的舒适性和安全性,节省了燃料和降低排放污染，提高发动机的使用效率。采用汽车巡航控制系统是提高汽车的动力性能和乘坐的舒适性的主要方法之一。2 汽车巡航控制系统的功能与特点2.1 汽车巡航系统的特点1） 车速设定功能：当在高速公路上行驶时，路面质量好，没有人流，分道行车，无逆向车流，适宜较长时间的稳定行驶时，可按下“设定”开关，设定一个稳定行驶的车速，使司机不用再踩节气门和换档，汽车一直以这一车速稳定运行。2） 消除功能：当司机根据运行情况需要踩下制动踏板时，则上述的车速设定功能立即消失，司机要用常规方法操作驾驶，直到再按另外的功能开关为止，但其行驶速度大于48kmh时所设定的车速值仍然储存在系统中，供随时通过开关调用。3） 恢复功能：当司机处理好情况后，根据路面车流情况又可稳定运行时，可按“恢复”功能开关，这样汽车又自动按上述设定的车速稳定均匀运行。若不按“恢复”功能开关，也可在司机认为最有利车速时按“设定”开关，汽车就又自动按新选择的设定车速稳定运行。4） 滑行功能：也称为减速功能。当按下“滑行”开关时，则汽车在原设定车速基础上减速行驶，开关一直按下不放，则车速一直在减低。当你一放松“滑行”开关，则汽车就自动以你放松“滑行”开关瞬间的车速稳定行驶。5） 加速功能：当按下“加速”开关时，则汽车在原设定的车速基础上加速行驶，开关一直按下不放，则车速一直在增加。当你一放松“加速”开关时，则汽车就自动以你放松“加速”开关瞬间的车速稳定行驶。6） 低速自动消除功能：当车速低于已输入的低速极限时(一般为48kmh)，巡航控制不起作用，也不能存储低于这一速度的信息。7） 有关开关消除功能：除了踩制动踏板有低速的消除功能外，当按驻车制动开关、离合器控制开关、变速器档位开关时，都有自动消除巡航控制的功能。巡航控制系统的优点1）提高了汽车行驶的稳定性和舒适性2）提高了汽车行驶的安全性3）可降低油耗和排气污染4）减少磨损延长寿命2.2 巡航控制系统的组成巡航控制系统有真空控制式和电机控制式两种类型。巡航系统由CCS电脑、巡航控制开关和伺服机构等三部分组成。CCS电脑用来完成巡航自动控制和自诊任务；巡航控制开关用来设定巡航车速、调节巡航车速和取消巡航控制；伺服机构用来执行电脑的指令。2.3 巡航系统的工作原理以真空式巡控控制系统为例，介绍其工作原理：1） 未按下巡航开关时未按下巡航开关时是正常行驶人工操纵节气门的状态。安全电磁阀导通开启，其他两个电磁阀仍是截止关闭状态。真空气室内是大气压力，橡胶膜片在回位弹簧力的作用下，对节气门不进行控制。2） 按下巡航开关时按下巡航开关时如需投入巡航控制，按下巡航主开关Cruise，使其处于导通ON的位置，绿色指示灯点亮，即进入等待状态。当车速达到理想值时，再按下设定开关Set，电脑的控制单元，即认定司机设置的巡航车速。安全电磁阀断电关闭，真空电磁阀被脉冲电流开启，真空气室内产生真空吸力Px，在2030kPa范围内变化，大小由空气电磁阀和真空电磁阀共同控制，用脉冲电流以占空比的方式进行调节，定值的真空吸力Px即吸动膜片右移，并将回位弹簧适当压缩，通过拉索接过加速踏板所设定的节气门位置，保持设定的巡航车速行驶。此时，即进入了巡航控制状态，加速踏板即可放松，两腿处于自由状态。3） 自动保持设定车速原理巡航定速调节是电脑根据道路情况的变化，即车速信号及转速信号的反馈，通过真空电磁阀和空气电磁阀占空比的协调，来调节真空吸力Px的大小，利用Px和弹簧力F的平衡，保持设定的巡航车速。调节有三个工作过程，不断地反复进行：（1）恒速控制：Px=F；保持节气门不动。（2）加速控制气门开度加大。（3）减速控制气门开度减小。4） 复位行驶控制如果由于路况的变化，实际车速高于或低于设定值48km/h以上时，即超出了真空巡航系统的自动控制范围。此时，可按下或点动复位开关Res，电脑据此信号，使真空吸力Px额外的加大或减小，调节实际车速，达到理想值后再松开复位开关Res，继续巡航行驶。5） 截止巡航控制如想结束巡航，可按动巡航主开关Cruise，使其处于截止OFF位置，指示灯即熄灭，巡航控制即被解除。此时，电脑使真空电磁阀和空气电磁阀截止关闭，安全电磁阀导通打开，真空气室为大气压力，真空膜片又恢复到人工操纵状态的位置。此外，还有五种情况可以自动解除巡航控制：（1）人工踩下加速踏板时，发动机转速信号SP变化，进行反馈控制。（2）踩下离合器踏板时（MT/AT）一开关信号产生，进行反馈控制。（3）变速器手柄处于N档时，空档开关仗号产生，进行反馈控制。（4）踩下制动踏板时或拉动驻车制动手柄时，制动开关信号BK产生，进行反馈控制。（5）实际车速比设定车速差值，超出控制范围，未进行复位操作时，车速信号VSS变化，进行反馈控制。3 汽车定速巡航控制系统的国内外研究和应用现状3.1 国外研究和应用现状严峻的交通安全问题使得人们对汽车驾驶的安全性的要求越来越高。自适应巡航控制(Adaptive Cruise Control System，简称ACC)，系统将汽车定速巡航控制系统和车间距离保持系统有机的结合起来，减少了驾驶员的驾驶负担从而提高了车辆的安全性。目前国外很多专家都在研究自适应巡航控制系统。自适应控制系统属主动安全技术，它是传统的速度巡航控制系统的发展和改进。这种巡航控制系统主要由探测器厂传感器、控制器、执行机构、人机接口、失效保险装置五个子系统组成。它将汽车自动巡航控割系统和车辆前向撞击报警系统（FCWS：Forward Collision Warning System)有机地结合起来，既有自动巡航功能，又有防止前向撞击功能。当道路情况良好时，该系统就是普通的巡航控制系统，可以按设定车速巡航行驶；当另一辆车进入到装置的自动测量范围时，系统根据雷达传感器探测到与前方车辆的相对距离和速度，控制车辆的油门和刹车，从褥使本车与前方车辆保持一定的距离。如果前方车辆从测量范围内消失，ACC将自动恢复原来的车速。该系统可降低62的追尾事故，采用该系统可有效地提高驾驶员的舒适性，减少因长时间驾驶带来的疲劳及负担。基于自适应巡航控制系统，国外很多专家开始了一种半自主式巡航控制系统的研究。此种巡航控制系统能够很快地应用于公路上，同时能够保持人工操纵和自适应巡航控制系统的共存。不少车辆，特别是高级轿车已经把巡航控制系统律为配备设备或备选设备。在美国大多数轿车上均装用了巡航控制系统。例如美国协和(CONCORD)、纽约人(NEW YORKER)、别克(BUICK)、觊迪拉克(CADILAC)、克莱斯勒(CMC)等。在日本，随着高速公路的发展，巡航控制系统的装车率也不断得到提高。如日本皇冠(CROWN)、佳美(CAMRY)、凌志(LEXUS)、丰田大霸王(PREVIA)等。欧洲的奔驰(BENZ)、宝马（BMW)等都装有巡航控制系统。3.2 凌志LS400轿车电子巡航控制系统3.2.1 凌志简介凌志又名雷克萨斯（Lexus）是日本丰田汽车公司旗下的豪华车品牌，它于1983年被首次提出，但仅用十几年的时间，自1999年起，在美国的销量超过奔驰、宝马，成为全美豪华车销量最大的品牌。过去，Lexus在国内的中文译名是凌志，2005年6月，丰田公司宣布将Lexus的中文译名由“凌志”改为“雷克萨斯”，并开始在中国建立特许经销店，启动全面进军中国豪华车市的计划。3.2.2 凌志LS400轿车电子巡航控制系统1) 凌志LS400轿车巡航控制系统的基本组成凌志LS400（UCF10系列）轿车电子巡航控制系统主要由主控开关、车速传感器、电子控制器和执行元件四部分组成。图2.1所示为凌志LS400（UCF10系列）轿车巡航控制系统元件在车上的位置。 (1) 主控开关。主控开关为组合式开关，安装在方便驾驶员操作的转向盘或其它部位。它由主开关和控制开关组成，主开关为巡航系统的电源开关；控制开关有三个开关、五种控制功能，即SET/COAST（设置/减速）、RES/ACC（恢复/加速）和CANCEL（取消）。接通主开关，当汽车行驶在40200km/h范围内时，压下SET/COAST开关并松开，巡航控制ECU使汽车以松开开关时的车速稳定行驶。此时，再压下SET/COAST或RSE/ACC开关，汽车将减速或加速，并以松开开关时的速度稳定行驶。压下CANCEL开关或安全系统起作用后，巡航系统取消，再压下RES/ACC开关，汽车将恢复取消前设定的速度稳定行驶。(2）车速传感器。车速传感器用于产生一个与汽车实际行驶车速成比例的交变振荡脉冲信号，输入电子控制器，作为实际车速的反馈信号。属于磁感应式结构形式。通常和车速里程表驱动装置相连，安装在汽车变速器输出轴上。(3）执行器。执行器是电子巡航控制系统的一个组成部分。执行器的作用是接收电子控制器发出的指令信号，操纵节气门，改变节气门开度，使车辆作加速、减速及定速行驶。执行器主要由电动机、安全电磁离合器和位置传感器组成。电动机采用直流永磁式电动机，电动机转动时可带动执行元件控制臂转动，控制臂通过控制拉索改变节气门开度。该变电动机中的电流方向可改变节气门转动方向。在电动机与控制臂间装有安全电磁离合器，当进行巡航控制时，离合器接合，电动机旋转以改变节气门的开度。在巡航控制行驶过程中，执行器或车速传感器发生故障，则离合器首先分离。巡航控制取消。位置传感器是一个由滑变电阻构成的电位计。用于检测执行器控制臂的转动位置，并把信号反馈给电子控制器中。(4）电子控制器。电子控制器又称巡航电脑，是整个控制系统的中枢，它接受来自制动踏板、车速传感器和操纵开关的信号，经处理后控制伺服装置，继而控制执行器动作。3.3 电子巡航控制系统的安全装置为了确保行车安全，巡航控制系统的控制器电路中设有多重安全装置，一旦以下所列的任一项动作发生，巡航控制器都会立即停止工作，同时直接使执行元件的工作停止。（1） 踏下制动踏板或拉动驻车制动器。（2） 扳动自动变速器选挡杆。（3） 关掉主开关或打开取消开关。（4） 车速下降超过原设定车速20km/h。（5） 关掉电源。3.4 国内研究和应用现状目前我国的岛动巡航控制装置仍处于研制阶段，具有自主知识产权的产品还未见报道。由于国内汽车研究起步较晚，技术相对落后，并且就目前我国公路状况和实际应用来说，对汽车巡航控制系统的研究应用主要是以单车定速控制为主。目前，模拟汽车憾速控制器在我国已经投入生产和使用。例如：由江苏省仪征市巡航设备厂生产的XD-1型汽车定速系统。近几年，国内有许多科研机构和高校也开始了对电子式巡航控制装置的研究。例如，北京理工大学应用PID方法对汽车巡航控制进行的研究、由清华大学王俊敏等研制的基于变参数的比例一积分(PI)控制算法汽车数字式巡航控制系统、哈尔滨工照大学建立了基于一汽捷达轿车的汽车纵自动力学模型等等。但从总体来说，目前国内对汽车巡航系统的研究还不是很成熟。 4 汽车自动巡航控制系统展望汽车自动巡航控制系统自20世纪70年代起各大汽车厂家都争相研制并装在较高级的轿车上，到了80年代中末期，由于微处理器在汽车上的广泛应用和高速公路建设的迅速发展，使得它更加完善。到20世纪末起以及目前展出的21世纪汽车，该系统真可谓日臻完善，系统电路集成化水平提高，控制模块体积精巧，多路传输系统日渐成熟，自检系统更准确有效。总体来说，汽车定速巡航控制系统有以下几个发展趋势：1) 新控制理论的应用 车辆的行驶状况受到成员的多少、发动机输出的变化因素等影响。驾驶者需要更平顺的驾驶感觉和更自然的速度控制，以传统的控制理论为基础，又引入了新的控制理论。目前，模糊控制等新理论已不断得到应用。2) 走停控制：现在对CCS的研制和开发主要是针对在高速公路上高速行驶的车辆，而不适用于城市中低速、高车流密度情况下使用，走停控制正是CCS针对车速低、车距近的行驶情况所做的功能扩展，这要求CCS具有更好的近距离探测能力，更快的信号处理功能，更迅速的系统响应，同时还向CCS提出了增加车辆的自动起步功能。这样即使在堵车情况下也无须驾驶员参与，只需操纵车辆的转向即可。驾驶员可以完全从烦琐的驾驶操作中解放出来。3) 随着近几年智能公路概念的提出以及卫星导航系统的开发与应用，未来的CCS将同其他的汽车电控系统相互融合，形成智能汽车电子控制系统，驾驶这种汽车只需在显示器中指明所要到达的目的地，汽车就会在卫星导航系统的指引下，借助公路两旁的电子标志牌无需人为参与就可安全驶达目的地，实现完全的自动驾驶功能。4) 集成化 近几年智能公路概念的提出以及卫星导航系统的开发与应用，未来。的汽车巡航控制系统将同其它的汽车电控系统相互融合，形成智能汽车电子控制系统，例如它可同加速防滑系统以及发动机控制器等各种电控系统集成起来。还可以通过采用CAN总线技术，实现信号资源的共享，提高系统的灵活性。集成化有助于降低成本，增强各系统间的内在联系，充分利用各种车辆信息，从而提高系统的稳定性和可靠性。目前，我国的道路和通讯网络等基础设施还落后于发达国家，智能巡航控制系统等还不适合我国露前交通的发展情况。随着我国高速公路建设规模的逐渐扩大，汽车产量的急剧上升和排放法规的建立，困内汽车市场追切需要适合我国基本国情的汽车自动巡航控制系统。所以研究和开发适合我国交通状况的汽车巡航控制系统具有非常重大的意义。结语随着汽车新技术的不断发展,社会的不断进步，汽车已渐渐进千家万户，驾驶人员非职业化的特点将突出，车辆驾驶的自动化己成为汽车发展的主要趋势。跨入二十一世纪后，人们需要更加舒适、简便和安全的交通工具，以适应快捷的生活节奏，因此对汽车的智能化要求更加迫切，随着计算机和电子技术的不断发展，性能价格比不断提高，为汽车的优化提供了雄厚的物质基础，汽车实现智能化已不是梦想。驾驶汽车长途行驶的机会较多，而且在高速公路上行驶时变换车速的频率及范围都较少，能以较稳定的车速行驶。但若长途驾驶而右脚不得不踩油门踏板时，久而久之驾驶员就会感到疲劳，容易发生交通事故。车辆自动变速器及其控制技术是智能汽车非