汽车的定速巡航控制系统应用及发展趋势

题目：汽车定速巡航控制系统应用及发展趋势前言近年来,随着现代车辆控制技术和高速公路的快速发展,在所有国家和发达国家,无论是交通还是个人,汽车已成为长途运输的主要交通工具。在一个大陆国家,有很多机会可以长途驾驶汽车。很容易导致腿部肌肉的疲劳增加,甚至腿部也会痉挛并失去制动能量。汽车巡航控制系统（CCS）的诞生是为了解决这个问题。随着汽车工业和道路运输业的发展，汽车将进入千家万户，非职业司机的特点将凸显。进入21世纪后，人们需要更舒适，简单，安全的交通工具，以适应快节奏的生活。因此,对汽车的智能要求更加迫切。它为汽车自动化提供了坚实的物质基础，实现汽车智能不再是一个梦想[1]。这是中国智能汽车发展中需要解决的核心技术之一。国外对巡航控制系统的研究起步较早。随着1981年汽车的应用，计算机控制的巡航控制系统得到了迅速的发展。大多数外国新车都使用电脑巡航控制系统。随着车流量的不断增加,上述车辆的行驶状况对汽车尾部有很大的影响。我国对汽车巡航控制系统的研究相对国外起步比较晚，在汽车巡航控制系统的理论、方法和应用上存在较大差距。目前国内外的车辆巡航控制系统的研究还存在一些技术问题有待改进。相关机构也在从事CCS技术或相关技术的研究，并已取得阶段性进展。汽车动力、运行稳定性、安全性、燃油经济性和环境保护等方面的发展都有了很大的提高。随着中国汽车行业的广泛应用和公路建设的快速发展，道路交通得到了进一步提高。自上世纪末以来，包括21世纪汽车展示在内，该系统已经非常完善，我国企业产业发展迅速,技术研发能力也有所提高。汽车巡航控制系统在中国具有广泛的研究和应用前景。1汽车巡航控制系统简介1.1历史背景巡航控制系统已经发展了40余年。它经历了晶体管控制、模拟集成电路控制、机械控制、微机控制等多个过程。国外汽车巡航控制系统的发展大致经历了三个阶段:第一阶段为20世纪五十年代末到七十年代中期。例如，丰田自1965年以来一直使用机械巡航控制。后来，德国开发了气动机械巡航控制系统。1968年，奔驰开发了巡航控制系统。早期的车辆该系统以气动巡航控制系统和机械为主。第二阶段为1970年到1980年。摩托罗拉开发了微处理机控制车辆巡航控制系统。1985年，喜野公司推出了基于燃油经济性的燃油经济性控制系统。第三阶段始于20世纪90年代,国外开始开发基于固定距离控制的智能巡航控制系统和自适应巡航控制系统。在1990年，卢卡斯开发了使用连续的频率调制雷达自动恒速智能控制系统。雷达检测前方车辆和本车之间的距离，并且所述处理单元计算的相对速度和距离，并提供该信息到电子控制单元。速度是由控制油门和制动器致动器控制。后来,该公司改善了曝光问题,捷豹轿车安装了一个新的自动恒速控制系统。改进了用于控制油门和制动器的致动器,并且微波雷达安装在前保险杠上并通过塑料牌照传输微波检测信号。1.2国外发展情况国外对巡航控制系统的研究起步较早。CCS系统经历了机械控制系统、晶体管系统、模拟集成电路控制系统、微机控制系统等多个过程。随着1981年汽车的应用，计算机控制的巡航控制系统得到了迅速的发展。大多数外国新车都使用电脑巡航控制系统。随着车流量的不断增加,上述车辆的行驶状况对汽车尾部有很大的影响。以丰田瑞兹为例，瑞兹采用自适应雷达巡航控制(ACC)保持系统在一个恒定的速度。它还具有距离控制功能，根据车辆的速度保持适当的距离。当检测到前方车辆的车速低于车速时，系统会自动踩下刹车以降低车速。如果没有足够的减速，警告和警示灯就会警告驾驶者;在当前车辆变换车道或加速时，系统会自动慢慢加速。直到达到驾驶员的设定速度和固定速度保持[2]。ACC系统具有四个典型的操作，如图1。

图1ACC系统4种典型的操作1.3国内发展情况我国对汽车巡航控制系统的研究相对国外起步比较晚，在汽车巡航控制系统的理论、方法和应用上存在较大差距。目前国内外的车辆巡航控制系统的研究还存在一些技术问题有待改进[3]。同时，清华大学、北京理工大学等高校和科研机构也在从事CCS技术或相关技术的研究，并已取得阶段性进展。汽车动力、运行稳定性、安全性、燃油经济性和环境保护等方面的发展都有了很大的提高。1.3.1巡航系统的开端2000年，红旗世纪之星轿车开始采用巡航控制系统，拉开了国内轿车配置ccs系统的序幕。目前国内一些车型如长城哈瓦尔、上海汽车龙威750也采用车辆巡航控制系统。对控制系统的控制理论和控制方法的研究，以及高效、实用的汽车控制系统产品的开发，将是该领域未来的研究方向。1.3.2巡航系统的应用目前,模拟车辆恒速控制器已在中国投入生产和使用。例如:江苏正正游轮设备厂生产的XD-1型车辆定速系统。该系统是机电车辆巡航控制系统,其使用由汽车发动机的操作产生的真空作为动力源。该系统简单的机电结构用于稳定发动机的速度,将最终的真空保持在最低水平。因为它可以自动控制发动机的油门并自动换档发动机,所以它可以节省超过5%的燃油。并且驾驶员在驾驶时不需要踩油门,这减少了驾驶员的驾驶疲劳。然而,虽然机电巡航控制装置结构简单,但具有控制精度低和稳定性低的特点。2分析定速巡航控制系统存在的问题近年来,中国的许多研究机构和大学已经开始研究电子巡航控制设备。目前中国的道路和通信网络等基础设施仍落后于发达国家,智能巡航控制系统不适合当前中国的交通发展[4]。随着中国公路建设规模的逐步扩大,汽车产量的大幅增加和排放法规的制定。在汽车巡航控制系统（CCS）的应用显示出其无可比拟的优势。自从在1959年推出的克莱斯勒，它已被青睐。2.1技术问题目前，在国内外汽车巡航控制系统(CCS)的研究中，仍有一些技术问题需要改进。主要问题是如何提高CCS系统的环境适应性。并依靠车辆的制动系统来实现对车辆的主动控制。CCS的控制器软件算法是适应环境很差，通常是针对几种典型的驾驶条件。在一个复杂多样的驾驶环境，该算法的有效性大大降低，从而导致更多的假阳性。CCS系统对车速的调节主要通过控制发动机的节气门开度并自动减小档位来实现,但节气门开度和档位调节时间延迟。这种速度调节不允许驾驶员有足够的时间在紧急情况下作出反应。因此,CCS系统的速度调节是通过车辆的制动系统实现的。从控制原理来看，定速巡航系统所有的取消信号都是以电信号的方式传递至控制单元，由控制单元对这些数据进行分析之后，决定是否退出定速巡航状态。简单的电路故障（如制动踏板传感器故障、轮速传感器故障以及相关电路故障等）不会导致定速巡航系统失控，它只会让定速巡航被终止，其结果是车速交由驾驶员控制。而定速巡航系统控制失效的问题有可能出现在控制单元内数据处理的环节，更形象的说就像是电脑死机一样，而断电后再重新启动该系统还有可能就恢复了正常状态，就像什么都没发生过一样。这样的问题确实还没有办法去从根本上避免。2.2交通问题定速巡航系统使用的必备条件是车速要大于40Km/h。原则上定速巡航要在高速公路或全封闭路上使用，因为在非封闭路上，复杂的路况不利于交通安全。在国道上，一些拖拉机动力不足，在小路口往往冲上路面，对国道上的车是严重威胁，在定速巡航的情况下，容易措手不及。反复刹车也无法保持稳定的定速巡航状态，失去定速的意义。例如，雨天禁用、雪冰天禁用、有太多的蜿蜒的道路或弯曲也被禁用，尴尬的道路或弯道被禁用。在巡航控制状态下，车辆自动保持恒定速度，并且节流通过驱动计算机，这往往带来危险到迂回控制。如果在这种情况下，车辆的速度应适当控制。所以上述情况应禁用定速巡航系统。3功能、原理及构成3.1巡航系统的功能（1）车速设定功能，在高速公路上行驶很长一段时间,在路况良好的情况下,分为交通,无流量,可以按下"设置"开关。设定固定的车速,驾驶员不必再控制油门和档位,汽车会一直以设定的速度行驶。（2）消除功能，当驾驶员按下刹车踏板时，设定的固定速度会立即消失，驾驶员必须正常驾驶。（3）恢复功能，当道路交通状况可以相对稳定运行时,如果驾驶员没有按下"恢复"功能开关,当驾驶员认为最有利的速度可用时,您也可以按"设置"开关,并且汽车将选择自动运行。（4）减速功能设置，它被称为是出租车功能。当驾驶员按下"滑动"开关时,汽车根据原始设定速度减速,开关保持开着状态,车速始终降低。(5)加速功能,当驾驶员按下“加速”开关时，汽车开始加速，开关保持开着的状态，速度总是会增加。一旦你放松了油门开关，汽车将会自动驾驶与油门开关在你放松的速度。3.2巡航控制系统的原理如图2所示。它包括控制装置,油门执行器,传感器和转向开关。控制器有两个输入信号，一个是驱动器根据需要设置的速度，驱动器直接设置，二是反馈实际的转速信号。随着现代理论及技术的发展，汽车巡航控制技术也在不断发展[5]。图2汽车巡航控制系统原理3.3巡航控制系统构成汽车巡航控制系统主要由控制开关、传感器、执行器、控制器四部分组成。3.3.1巡航控制开关图3显示了大众宝来的巡航控制开关。巡航的基本流程:开始巡航,设定速度,降低巡航速度,提高巡航速度,关闭巡航,重新开始巡航。图3大众宝来汽车的巡航控制开关3.3.2位置传感器节气门位置传感器（TPS）转换位置或节气门的开成电压信号，并将其发送到电子控制单元。作为电子控制单元的基础，用于确定所述发动机的运转状态，不同的节流燃料喷射控制被实现。节气门位置传感器其工作原理示于图4。图4开关输出型位置传感器原理图3.3.3执行器执行机构接收来自ECU的控制命令信号，操作节气门电动或气动，改变节气门开度，加速车辆，减速并以恒定速度行驶。执行器通常是电子的气动版本。图5电动式执行器3.3.4电子控制器(ECU)电子控制器是巡航控制系统的支柱。其功能是接收车速传感器，巡航控制开关和刹车灯开关等信号。电动汽车CCS系统的主要控制元件是传感器(油门位置传感器、速度传感器)控制开关，巡航控制单元(ECU)由CCS和执行器组成，驱动电机、电位器等。当驱动器按下设定开关时，ECU此时可存储驱动速度(电压)，自维护电路投入运行。存储电路将油门开度设置为与瞬时速度相对应。ECU将节流阀开度基准电压与节流阀开度电压和执行比较由机构反馈的速度电压以确定最佳的阀门开度值。ECU运行速度或减速控制电路发出指令驱动执行机构调整油门开度[6]。（1）最新电子式：最新的电子油门定速巡航工作流程更加智能和精确。它通过巡航控制系统控制电子节气门传感器的输出，并控制节气门开度的调节以控制车速。在巡航控制功能打开后，巡航控制模块将通过电子节气门传感器输出的信号精确计算当前巡航速度。需要控制节流阀开度的角度，以便精确匹配油气，以达到固定速度。速度巡航设定的速度完全放弃了传统的机械部件控制，并实现了更精确和安全的控制。（2）传统机械式：驾驶员根据路况选择速度，通过点火开关启动巡航系统，以取代油门踏板控制。根据坡道和道路状况对车辆速度的影响，自动调整燃料供应，并以恒定速度行驶。根据驾驶规则，当离合器踏板踩踏换档或踩下制动踏板时，自动释放巡航控制功能，并且恢复节气门踏板控制而不增加任何不必要的操作。汽车的巡航控制功能可通过以下三种操作模式中的任何一种释放：离合器踏板，制动踏板或微动开关，安全可靠。4应用定速巡航系统的具体措施目前，在国内外汽车巡航控制系统(CCS)的研究中，仍有一些技术问题需要改进。主要问题是如何提高CCS系统的环境适应性。并依靠车辆的制动系统来实现对车辆的主动控制[7]。中国的道路和通信网络等基础设施仍落后于发达国家,智能巡航控制系统不适合当前中国的交通发展。随着中国公路建设规模的逐步扩大,汽车产量的大幅增加和排放法规的制定。在汽车巡航控制系统（CCS）的应用显示出其无可比拟的优势。人们需要更舒适，简单，安全的交通工具，以适应快节奏的生活。巡航系统为汽车自动化提供了坚实的物质基础，这是中国智能汽车发展中需要解决的核心技术之一。4.1针对不同路况，定速巡航系统主动调整进一步完善定速巡航的性能，从而提高行车舒适性，在整个系统中添加对特殊路况的应对程序，如，车辆在非水平的道路上行驶时，设定好的巡航车速有可能出现变化。当行驶在上坡路段时，发动机负载增加，受此影响，车速降低，此时，定速巡航系统会依据车速的变化向发动机电脑发送车速补偿指令，补偿的原则依旧是最先进行节气门开度的调整，让发动机多进气同时增加喷油脉宽以补偿燃油。其次，作为传动机构，变速箱对于车速的变化做出的响应也是很积极的，如果车速的变化不足以通过节气门开度进行调整，依靠定速巡航系统、发动机控制单元以及自动变速箱控制单元之间的联系，自动变速箱也可通过挡位的切换来为补偿车速做出贡献。当然，如果车速的幅动范围过大，定速巡航系统也有可能无法对车速进行补偿工作，在这样的情况下，就需要驾驶者对车速进行接管，至于待车速重新接近目标车速时，系统作何反馈，这要依据系统的工作逻辑而定，有可能恢复原先设定的状态，也有可能需要驾驶员通过控制拨杆激活系统功能。4.2设置故障自动关闭功能在正常的情况下，想要取消定速巡航功能是十分容易的，有时候你甚至觉得它在这方面的反应上有些过于敏感。驾驶员主动取消定速巡航系统，踩制动踏板或加速踏板、定速巡航的拨杆按键、将自动变速箱切换至空挡（手动挡车踩离合器踏板），驾驶员通过这些操作都能将定速巡航功能取消，其中，踩加速踏板的动作在有些车上的定速巡航系统中则被设定为暂时取消，也就是当驾驶员结束加速动作后，车速还会恢复到原先设定的车速行驶。值得注意的是，这些信号都是以电信号的方式传送至定速巡航系统控制单元的。当系统发现相关故障时，定速巡航功能应被暂停。制动踏板位置传感器是向定速巡航功能发送取消信号的部件，当这个部件出现故障时就意味着它有可能无法向定速巡航系统发送取消信号，出于对行车安全的考虑，此时，定速巡航系统应自动关闭。4.3汽车采用电控真空控制式巡航系统它是根据设置的车速传感器，将车速信号输入电子控制装置，由电子控制装置发出信号控制真空系统。真空系统由真空调节器、节气门驱动伺服膜盒、车速控制开关和制动踏板上的真空解除开关等部分组成。根据微机上的输出信号，经电磁滑阀可调节控制进入该系统的新鲜空气量，从而能控制作用于伺服膜盒内的真空度。当车速低时，真空调节器供给的空气量减少，使伺服膜盒内的真空度增加，通过膜片的移动，使节气门开大。反之，当车速高于控制车速时，真空调节器供给的空气量就会增加，减小伺服膜盒内的真空度，使节气门开度减小。正常行驶时，在发动机进气管负压和真空调节器供给定量空气的共同作用下，使伺服膜盒内保持一定的负压，控制汽车按预定的速度稳定行驶。在真空系统工作时，如果驾驶员踏下制动踏板，首先使真空解除阀起作用，切断系统电源。电磁阀断电，真空调节器内部和大气相通，负压消失。在踏下制动踏板的同时，真空解除阀也使系统和大气相通。5巡航控制系统的发展趋势自20世纪70年代以来,主要汽车制造商一直渴望发展汽车巡航控制系统和更高级别的汽车安装它们。在中期至80年代末，随着中国汽车行业的广泛应用和公路建设的快速发展，道路交通得到了进一步提高[8]。自上世纪末以来，包括21世纪汽车展示在内，该系统已经非常完善，系统的电路集成度也得到了提高。控制模块紧凑，多路复用系统成熟，自测试系统更加准确有效。总的来说，汽车巡航控制系统的发展主要以下面几个方向为主:

(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）联动控制、复合控制目前，巡航控制装置是独立式的，要求在控制中提高感觉敏感度、响应性和精度。为此，需要发动机控制用计算机、变速控制用计算机进行联动控制，使这些计算机形成-

-体化的复合控制。(3)小型化、智能化计算机、执行元件更趋小型化、一-体化,并向智能型发展。(4)追踪行驶控制现在巡航稳定行驶装置分别利用加速、减速、恢复车速、消除等。跟踪驱动控制巡航和稳定驱动装置分别通过加速、减速、恢复速度和消除开关来控制车辆的速度，但通常是在混合道路交通的情况下。当车很近的时候加速度很接近，当车被拉开的时候加速度也很接近。为了解决这个问题，将毫米波（30~300GHz）传输到前方车辆,利用雷达。测定与前方车辆之间的距离,并隔开一定的距离追踪行驶。车载雷达不仅可以利用毫米波雷达，而且还可以利用激光[9]。我国对汽车巡航控制系统的研究起步较晚，与发达国家相比存在较大差距。但就目前而言，我国企业产业发展迅速,技术研发能力也有所提高。汽车巡航控制系统在中国具有广泛的研究和应用前景。结论汽车巡航控制系统自20世纪6O年代在美国应用以来已广泛使用在汽车上。随着大规模集成电路及微机控制技术的发展，巡航控制系统的计算机、执行元件更趋小型化，向智能型、复合控制发展，新的控制理论也将得到应用。我国汽车巡航控制系统研究起步较晚，与国外汽车工业发达国家存在较大的差距，但当前我们企业工业发展迅速，技术研发能力也得到提升，因而在追求汽车安全、节能、舒适的潮流中，汽车巡航控制系统在我国有着广泛的研究和应用前景。巡航控制系统的原理是巡航控制部件读取速度传感器的脉冲信号并将其与发出命令的速度进行比较。调整节流阀打开服务器增加或减少机械,使车辆始终保持速度[10]。电子多功能巡航控制系统消除了斜拉桥巡航控制系统的机械控制部分，完全采用精密电子控制，使控制更加精确，避免了机械故障的风险。此外，在相同的驾驶条件下，使用车辆巡航控制系统(CCS)可以为有经验的司机节省15%的燃油。这也是由于CCS系统稳定器的速度可以优化车辆的燃油供应，以及发动机功率之间的相对配合。有效降低油耗，减少有害气体排放，提高车辆的经济性和环保性。随着中国公路建设规模的逐步扩