汽车新技术课件：自适应巡航控制系统

自适应巡航控制系统1.了解汽车自适应巡航控制系统的基本功能。2.理解汽车自适应巡航控制系统的组成及工作原理。3.熟悉汽车自适应巡航控制系统的应用。学习目标自适应巡航也称为主动巡航，是一种智能化的自动控制系统，主要包括雷达传感器、数字信号处理器和控制模块。驾驶员设定所希望的车速，该系统利用低功率雷达或红外线光束探测前方200m左右的距离，得到前车的确切位置，如果发现前车减速或监测到新目标，系统就会发送执行信号给发动机或制动系统来降低车速，使车辆与前车保持一个安全的行驶距离。当探测到前方道路无车时又会加速恢复到设定的车速，雷达系统会自动监测下一个目标。主动巡航控制系统代替驾驶员控制车速，避免了频繁地取消和设定巡航控制，使巡航系统适合于更多的路况，而驾驶员完全可以将脚从加速踏板上移开，只关注于转向盘即可，能大幅降低长途驾驶带来的疲劳，为驾驶员提供了一种更轻松的驾驶方式。学习导入一、汽车自适应巡航控制系统的组成汽车自适应巡航控制（AdaptiveCruiseControl，ACC）系统是在传统巡航控制系统基础上发展起来的新一代汽车驾驶员辅助驾驶系统。它将汽车巡航控制系统（CruiseControlSystem，CCS）和车辆前向撞击报警系统（ForwardCollisionWarningSystem，FCWS）有机结合起来，既有巡航控制系统的全部功能，又可以通过车载雷达等传感器监测汽车前方的道路交通环境，一旦发现当前行驶车道的前方有其他前行车辆，将根据本车和前车之间的相对距离及相对速度等信息，控制汽车的速度和制动，以对车辆进行纵向速度控制，使本车与前车保持安全车距行驶，避免或减少追尾事故，如下图所示。汽车自适应巡航控制系统《智能运输系统自适应巡航控制系统性能要求与检测方法》（GB/T20608—2006）规定了自适应巡航控制系统的基本控制策略、最低的功能要求、基本的人机交互界面、故障诊断及处理的最低要求以及性能检验规程，适用于自适应巡航控制系统的性能检测。汽车ACC系统的基本组成如下图所示，主要由信息感知单元、电子控制单元（ECU）、执行单元和人机交互界面构成。汽车ACC系统的基本组成1.信息感知单元信息感知单元主要用于向电子控制单元（ECU）提供自适应巡航控制所需要的车辆行驶状况及驾驶员的操作信号，包括测距传感器、车速传感器、节气门位置传感器、制动踏板传感器等。测距传感器安装在汽车前端，用来获取车间距离信号，其类型主要有雷达传感器、红外线传感器和视觉传感器等。其基本原理为：发射出去的雷达波束碰到物体表面后会被反射回来，以确定车距；通过多普勒效应可以探测与前车之间的距离；雷达信号呈叶片状向外扩散，根据反馈角度可确定前车位置。测距雷达用于测量自车与前方车辆的车头间距、相对速度、相对加速度，是自适应巡航控制系统中的关键设备之一，也是决定该系统造价的主要元件。当前应用到ACC系统上的雷达主要有毫米波雷达、激光雷达以及红外探测雷达等。应用雷达测距需要防止电磁波干扰，雷达彼此之间的电磁波和其他通信设施的电磁波对其测距性能都有影响，越来越多的车型采用摄像头作为传感器，感知周边环境。相比于雷达，摄像头分辨率更高，可以获取足够多的环境细节，根据数据库描绘物体的外观和形状、读取标志等，这些功能是其他传感器无法做到的。摄像头按照镜头数分类，主要分为单目和双目摄像头两种。单目摄像头成本比双目摄像头低；双目摄像头基于三角测距原理，两个摄像头之间的距离不能发生任何变化，因此对制造工艺的要求极高，成本也比单目摄像头要高得多。因此，单目摄像头得到了更多汽车生产厂商的青睐。车速传感器安装在变速器输出轴上，用于获取实时车速信号；节气门位置传感器安装在节气门轴上，用于获取节气门开度信号；制动踏板传感器安装在制动踏板下，用于获取制动踏板动作信号。2.电子控制单元电子控制单元包括ACC系统本身的控制模块和车辆ECU。完成对雷达信号的处理和自适应巡航控制流程后，通过CAN数据总线与车辆主控ECU相连，作用到执行器。ACC系统的核心技术即在于此，虽然基本原理大致相同，但各生产厂商ACC系统控制的细节区别很大，有经典的PID控制，也有采用LQ最佳控制、LQG最佳控制，还有模糊控制、神经网络控制等。ECU以微处理器为核心，包括时钟电路、复位电路、电源电路、传感器输入接口电路以及与监控主机进行数据交换的串行通信接口电路等，用于实现系统的控制功能。ECU根据驾驶员所设定的安全车距及巡航行驶速度，结合测距传感器传送来的信息确定当前车辆的行驶状态。当两车间的距离小于设定的安全距离时，ECU计算实际车距和安全车距之比及相对速度的大小，选择减速方式，同时通过报警器向驾驶员发出报警，提醒驾驶员采取相应的措施。3.执行单元执行单元包括节气门执行器和制动执行器。节气门执行器用于调整节气门的开度，使车辆加速、减速及定速行驶；制动执行器用于紧急情况下的制动。4.人机交互界面人机交互界面用于驾驶员设定系统参数及系统状态信息的显示等。驾驶员可通过设置在仪表盘上的人机交互界面启动或清除ACC系统控制指令。启动ACC系统时，要设定当前车辆在巡航状态下的车速和与目标车辆间的安全距离，否则ACC系统将自动设置为默认值，但所设定的安全距离不可小于设定车速下交通法规所规定的安全距离。汽车ACC系统的主要功能是基于特定的信息控制车速与前方车辆运动状况相适应，这些信息包括与前车间的距离、本车的运动状态和驾驶员的操作指令等。基于这些信息，ECU发送控制指令给执行单元以执行纵向控制，同时将状态信息通过ACC信息显示界面提供给驾驶员，如下图所示。ACC信息显示界面二、ACC的工作原理汽车ACC系统通过对车辆纵向运动进行自动控制，以减轻驾驶员的劳动强度，保障行车安全，并通过简便的方式为驾驶员提供辅助支持。汽车ACC系统工作模式如下图所示，一般有4种典型的工作模式，即巡航控制、减速控制、跟随控制和加速控制。汽车ACC系统工作模式雷达传感器探测主车前方的目标车辆，并向电控单元提供主车与目标车辆间的相对速度、相对距离、相对方位角度等信息。电控单元根据驾驶员所设定的安全车距及巡航行驶速度，结合雷达传感器传送来的信息确定主车的行驶状态。1.巡航控制假设当前车辆设定车速为100km/h，目标车辆行驶速度为80km/h。当本车前方无行驶车辆时，ACC系统按照设定的行驶车速对车辆进行巡航控制。电控单元根据设定信息，可通过控制电子节气门（发出指令给驱动电动机，并由驱动电动机控制节气门的开度，以调整可燃混合气的流量）对整个车辆的动力输出实现自动控制功能，本车处于普通的巡航行驶状态。2.减速控制当本车前方有目标车辆，且目标车辆的行驶速度小于设定速度时，ACC电控单元计算实车距和安全车距之比及相对速度的大小，进行减速控制，同时通过报警器向驾驶员发出警报，提醒驾驶员采取相应的措施。3.跟随控制当ACC系统将当前车辆减速至理想的目标值之后采用跟随控制，与目标车辆以相同的速度行驶。当与前车之间的距离过小时，ACC电子控制单元可以通过与防抱死制动系统、发动机控制系统协调动作，使车轮适当制动，并使发动机的输出功率下降，以使车辆与前方车辆始终保持安全距离。电控单元还可以控制集成式电子真空助力器（EVB）系统，当驾驶员不制动时，EVB开始工作，其中的电磁铁将代替驾驶员对真空助力器内部的真空阀和大气阀进行操作，进而达到调节制动压力的目的。4.加速控制当前方的目标车辆发生移线，或当前车辆移线行驶使前方无车辆时，ACC系统将对当前车辆进行加速控制，使当前车辆恢复到设定的车速。在恢复行驶速度后，ACC系统又转入对当前车辆的巡航控制。当驾驶员参与车辆驾驶后，ACC系统自动退出对车辆的控制。三、汽车ACC系统的应用装配有ACC系统的车辆，在驾驶员设定好车速后，系统通过安装在车头的雷达传感器进行车距确认，安装在前后轮毂上的轮速传感器可以检测出车辆的行驶速度，方向角传感器可以判断车辆行驶的方向，发动机控制器和扭矩控制器则探测和调整发动机的扭矩输出，以提高发动机的动力性，并适时调整车辆的行驶速度。各种控制器和传感器则由车内行车ECU进行控制，所以当前方车辆紧急减速或遇有行人时，装有ACC系统的车辆在设定好车速后能够自动进行减速，可以提前介入进行制动。1.ACC的作用（1）通过车距传感器的反馈信号，ACC电子控制单元可以根据靠近车辆物体的移动速度判断道路情况，并控制车辆的行驶状态；通过反馈式加速踏板感知到的驾驶员施加在踏板上的力，ACC电子控制单元可以决定是否执行巡航控制，以减轻驾驶员的疲劳。（2）ACC系统一般在车速大于25km/h时才会起作用，而当车速降低到25km/h以下时，就需要驾驶员进行人工控制。通过系统软件的升级，ACC系统可以实现“停车/起步”功能，以应对在城市中行驶时频繁的停车和起步情况。ACC系统的这种扩展功能，可以使汽车在非常低的车速时也能与前车保持设定的距离。当前方车辆起步后，ACC系统会提醒驾驶员，驾驶员通过踩加速踏板或按下按键发出信号，车辆就可以起步行驶。（3）ACC系统使车辆的编队行驶更加轻松。ACC控制单元可以设定自动跟踪的车辆，当本车跟随前车行驶时，ACC控制单元可以将车速调整为与前车相同，同时保持稳定的车距，而且该距离可以通过转向盘附近的控制杆上的设置按键进行选择。2.ACC系统的使用ACC系统的指令通过ACC操作面板上的控制开关由驾驶员设定，如图6-1-5所示。其中，模式选择主要有限速巡航和自适应巡航两种。车速有设定区间，如30～150km/h；在高速公路上行驶时，设定的速度不要超过高速公路规定的限速，一般为80～120km/h；车距一般由远及近有5个挡位供选择，选择多大的车距要根据车速和路况决定，比如在高速公路上行驶时，建议距离设定在较远的两个挡位。这些参数设定好后，ACC系统就可以工作了。当汽车进入自适应巡航状态后，驾驶员的右脚无须一直踩着加速踏板，只要握好转向盘，控制行驶方向即可。如果当前的车速低于设定的车速，汽车会自动加速到设定的车速，并保持巡航。车头测距传感器持续工作，探测前方是否有车辆；如果前方有车辆在设定的距离之外，则汽车仍然保持设定的速度行驶；如果前方车辆速度较慢，当前车辆接近了预设的安全距离范围，ACC系统就会立即做出反应，主动进行制动，让汽车保持在预定的安全距离。如果驾驶员不人为实施变道超车等动作，同时前方车辆保持之前的行驶状态，当前车辆会一直保持安全距离跟车行驶。如果前方车辆变道让行，ACC系统会立即加速到预定的速度。如果驾驶员需变道超车，可直接深踩加速踏板变道超车即可。另外，如果驾驶员预见前方路况比较复杂，担心ACC系统不能正确处理，只需轻踩制动踏板即可解除ACC系统对车速的控制。ACC系统作为高级驾驶辅助系统（ADAS）的一种，是将来自动驾驶功能的过渡配置之一。但是，ACC系统并不能保证在所有的道路情况下都有效，驾驶员仍然要负责保持合适的车距和车速，并在可能发生危险时进行干预。作为最终的使用者，首先要清楚ACC在哪些情况下会失效或性能下降，这样才能安全地享受