摘要：汽車行駛主動安全技術(shù)是智能交通系統(tǒng)的重要研究內(nèi)容之一。本文針對智能交通系統(tǒng)環(huán)境下車輛行駛主動安全所涉及的主要內(nèi)容，研究了車輛運動中對周圍障礙物的感知技術(shù)和方法、車輛行駛危險或安全狀態(tài)的動態(tài)辨識方法、汽車主動避撞控制及執(zhí)行技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)問題，并開發(fā)了相關(guān)系統(tǒng)。文中通過仿真及實驗結(jié)果驗證了各相關(guān)技術(shù)的正確性及合理性。


本文針對智能交通系統(tǒng)環(huán)境下車輛行駛主動安全技術(shù)所涉及的關(guān)鍵內(nèi)容進行了研究。研究了車輛運動中對周圍障礙物的感知技術(shù)和方法，解決了探測雷達信號處理中的干擾和實時性問題；研究了車輛危險或安全狀態(tài)的動態(tài)辨識方法，提出了基于駕駛員感覺的安全距離確定方法；研究了汽車主動避撞控制技術(shù)及控制執(zhí)行技術(shù)，針對車輛縱向控制系統(tǒng)中存在的問題，設(shè)計了控制算法及控制執(zhí)行器系統(tǒng)。通過對各關(guān)鍵單元技術(shù)的研究，系統(tǒng)解決了智能交通系統(tǒng)環(huán)境下車輛行駛主動安全的關(guān)鍵技術(shù)問題。通過相應(yīng)的仿真及實車實驗結(jié)果，對各關(guān)鍵技術(shù)的研究成果進行了驗證。

1 基于智能交通系統(tǒng)的汽車行駛主動安全系統(tǒng)

基于智能交通系統(tǒng)的汽車行駛主動安全系統(tǒng)指利用現(xiàn)代信息技術(shù)、傳感技術(shù)來擴展駕駛?cè)藛T的感知能力，將感知技術(shù)獲取的外界信息（如車速、其它障礙物距離）傳遞給駕駛?cè)藛T，同時在路況與車況的綜合信息中辨識是否構(gòu)成安全隱患；在緊急情況下，能自動采取措施控制汽車，使汽車能主動避開危險，保證車輛安全行駛，也就是通常所說的汽車主動避撞系統(tǒng)。國內(nèi)外對車輛行駛主動安全技術(shù)的研究主要集中于車輛行車信息感知及行車安全狀態(tài)辨識技術(shù)、車輛主動避撞系統(tǒng)控制技術(shù)及車輛控制執(zhí)行技術(shù)等方面。系統(tǒng)中所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)及相互關(guān)系如圖1 所示。

圖1 汽車主動避撞系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2 汽車行駛主動安全關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 車輛行車信息感知及安全狀態(tài)動態(tài)辨識技術(shù)

車輛行車信息感知及安全狀態(tài)動態(tài)辨識技術(shù)，就是利用安裝于汽車上的各種傳感器，實時的對車輛運行參數(shù)進行檢測，并通過必要的信號處理及信息融合獲得車輛的行車安全狀態(tài)的動態(tài)信息。測距雷達信號處理技術(shù)和行車安全距離動態(tài)算法是其中最關(guān)鍵的技術(shù)。

2.1.1 測距雷達信號處理技術(shù)

經(jīng)測距雷達傳來的目標物距離信號含有隨機誤差，必須要對原始數(shù)據(jù)進行處理，才可以在系統(tǒng)計算中應(yīng)用。另外測距雷達傳來的只是車輛間的距離信息，必須從這些距離信息中比較準確的提取出車輛間的相對速度以及相對加速度信息。過去采用的辦法是直接對距離信號取微分，得相對速度值，再對相對速度值取微分得相對加速度值，這種方法經(jīng)實踐證實是不可行的。問題主要有兩點：一是距離誤差對相對速度以及相對加速度的影響較大，實際計算得到的相對速度及相對加速度值難以應(yīng)用。二是由于算法所限，系統(tǒng)實時性不好。在控制工程中常用的Kalman 濾波算法是一種實時濾波算法，并可以得到系統(tǒng)狀態(tài)向量的平滑估計，本研究將Kalman 濾波算法應(yīng)用于汽車主動避撞系統(tǒng)的雷達信號處理，可以有效地彌補上述兩點不足。

圖2 是對一次試驗記錄數(shù)據(jù)的濾波結(jié)果對比圖。首先，Kalman 濾波由于是實時濾波，保證了系統(tǒng)處理的實時性。其次，從相對距離對比圖中可以非常直接的看出，經(jīng)Kalman 濾波處理后，由測量誤差帶來的距離值的突變得到了有效地抑制。從相對速度對比圖可以看出，采用對距離值直接微分的方法得到的相對速度值波動非常巨大，實際計算中根本無法使用，而用Kalman 濾波方法得到的相對速度值則去掉了相對速度值的大的波動，反映了實際相對速度值的變化情況。

圖2 Kalman 濾波結(jié)果對比圖

2.1.2 行車安全距離動態(tài)算法

傳感器正確獲取車輛行車信息之后，需要進行各種信號的融合，進行車輛危險或安全狀態(tài)的實時辨識。需要確定的是當前情況下的行車安全距離。本研究提出了一種基于駕駛員模型的安全距離確定方法。實際行車時，駕駛員總是要對車輛的運行進行一下預(yù)測，以決定當前的操作[7>，本系統(tǒng)所采用的駕駛員模型以此行為為基礎(chǔ)。駕駛員預(yù)測t 秒后車間距離，將此車間距離與駕駛員認為的界限車間距離Xlim 進行比較，如認為車間距離將小于Xlim，則在當前時刻制動，當前時刻的車間距離即為極限安全距離。即

（1）

其中，Xsa 為極限安全距離；ΔV 為相對速度（Vc-Vt）；Vc 為自車速度；Vt 為目標車輛速度；at 為目標車輛減速度； 接近靜止目標時：

（2）

（3）

接近運動目標時：

其中，thw 表示駕駛員的主觀車頭時距；ac 為駕駛員主觀認為的自車最大制動減速度，其取值與路面附著系數(shù)有關(guān)；at、ΔV、Vc 通過傳感器測量或信號處理得到， t，ac 以及thw 通過實驗獲得。這樣，通過上述公式（2）、（3）、（4）、（5）就可以進行安全距離的計算。本模型的優(yōu)點是通過實驗手段，獲得駕駛員主觀特點數(shù)據(jù)，避免了由于路面附著系數(shù)不準確等因素帶來的較大的安全距離計算誤差。

2.2 汽車主動避撞控制技術(shù)

縱向汽車主動避撞系統(tǒng)對車輛進行控制的目的是將自車到前車的距離保持在安全水平。整個汽車主動避撞系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)由上位控制器和下位控制器兩部分構(gòu)成，如圖3 所示。要進行上位和下位控制的研究，建立車輛縱向動力學模型是基礎(chǔ)，因此，車輛主動避撞控制技術(shù)包括車輛模型的建立、上位控制及下位控制策略的確定。

圖3 汽車主動避撞系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

圖4 車輛縱向模型

2.2.1 車輛縱向動力學模型

車輛控制方法的評價是基于系統(tǒng)仿真及實驗的結(jié)果，作為仿真評價的基礎(chǔ)，首先需要建立比較準確的車輛動力學模型。本研究使用的實驗車輛是某型自動變速器轎車，發(fā)動機排量1.8L。汽車縱向動力學總成包括：發(fā)動機、液力耦合器、自動變速器及車輛驅(qū)動系。各總成的特性參數(shù)及相互間的動力傳遞如圖4所示。針對車輛縱向動力學各單元總成的特性，運用混合建模技術(shù)，得到整車縱向動力學仿真模型。基于Matlab/Simulink 軟件平臺的車輛模型如圖5 所示。此模型的輸入量有兩個：節(jié)氣門位置和制動壓力，輸出量是車輛速度和加速度。

圖5 車輛仿真模型

為驗證車輛縱向動力學模型的準確性，設(shè)計實車實驗對車輛模型進行了驗證，實驗條件如表1所示。

表1 車輛模型驗證實驗條件表

分別記錄各實驗的節(jié)氣門輸入信號、制動壓力輸入信號、車輛的速度及加速度輸出信號，按相同條件，進行車輛的模型仿真實驗，記錄仿真模型的速度及加速度輸出，并將實驗及仿真結(jié)果進行對比，得到對比圖如圖6 所示。

圖6 實車實驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比圖

2.2.2 上位控制方法研究

目前，國內(nèi)外對上位控制器的設(shè)計已經(jīng)做了很多工作[8>[9>，PID 方法、LQ 理論，滑模理論以及模糊理論都被應(yīng)用于上位控制器的設(shè)計，但基于以上方法的上位控制器基本以提高系統(tǒng)某一性能為目標，未能使控制精度和響應(yīng)時間兩方面都得到改善。本研究提出了基于混合策略的上位控制器設(shè)計方法，理論分析和仿真試驗結(jié)果表明，該方法滿足主動避撞系統(tǒng)對安全性和駕駛舒適性兩方面要求的同時，降低了系統(tǒng)的響應(yīng)時間。

所謂基于混合策略的上位控制器是指結(jié)合了LQ 方法和基于時間－能量最優(yōu)控制方法優(yōu)點的控制器?？刂埔?guī)律如圖7 所示?；贚Q 方法的上位控制器取狀態(tài)誤差和控制量的二次型作為性能指標，所以該控制器的穩(wěn)態(tài)誤差小，控制過程中加速度也相對較小，但是由于性能指標沒有直接體現(xiàn)系統(tǒng)的響應(yīng)時間，所以系統(tǒng)響應(yīng)相對較慢。基于時間－能量最優(yōu)的上位控制器以響應(yīng)時間和控制量的大小作為性能指標，較基于LQ 方法的上位控制器響應(yīng)速度有所提高，但是該控制器不能穩(wěn)定在原點?；诨旌喜呗缘纳衔豢刂破鲗Q 控制穩(wěn)態(tài)誤差小和基于時間－能量最優(yōu)控制響應(yīng)速度快的特點結(jié)合，獲得了較好的控制效果。

圖7 基于混合策略的上位控制規(guī)律

針對汽車主動避撞對象的LQ 控制方法、基于時間－能量最優(yōu)的控制方法以及基于混合策略的控制方法的仿真結(jié)果如圖8 所示。從仿真結(jié)果可見，基于混合方法的上位控制器針對汽車主動避撞系統(tǒng)的特點，巧妙地結(jié)合了上述兩種控制器的優(yōu)點，即在保證良好的穩(wěn)態(tài)精度的同時，改善了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。雖然該控制器的控制量相對較大，但仍然在舒適性的要求范圍內(nèi)。

a） 車間距離響應(yīng)曲線 b）被控車速響應(yīng)曲線 c）被控車加速度響應(yīng)曲線
圖8 三種控制器的仿真曲線

2.2.3 下位控制方法研究

由于車輛制動、驅(qū)動力特性中含有強烈的非線性，同時車輛質(zhì)量變動、道路坡度及風阻等外部干擾因素的存在，車輛下位控制器設(shè)計時控制系統(tǒng)的魯棒跟隨性和魯棒穩(wěn)定性往往不能得到兼顧[10>。針對這一問題，本研究設(shè)計了基于模型匹配方法的二自由度控制器來實現(xiàn)車輛主動避撞系統(tǒng)下位控制的控制性能。 控制器結(jié)構(gòu)如圖9 所示。此處的二自由度控制器是指參考輸入信號和控制對象的輸出信號情報分別獨立使用，就是既有反饋又有前饋的控制器。此控制器的特征是閉環(huán)目標值應(yīng)答特性可以通過反饋特性的設(shè)計來獨立設(shè)定。在這種情況下，利用前饋補償器設(shè)定目標值的應(yīng)答特性即模型匹配特性，利用反饋補償器的設(shè)計實現(xiàn)反饋特性即系統(tǒng)的魯棒跟隨特性和魯棒穩(wěn)定特性。

圖9 二自由度模型匹配控制器

針對汽車主動避撞系統(tǒng)下位控制模型匹配控制器性能，進行了如表2 所示內(nèi)容的實車實驗。實驗結(jié)果如圖10 所示。從實驗對比結(jié)果可見，對于車輛及環(huán)境中存在的不確定因素對控制結(jié)果的干擾，模型匹配（MMC）控制器能在一定范圍內(nèi)予以消除，使系統(tǒng)具有很好的魯棒跟隨性及魯棒穩(wěn)定性。

表2 下位控制器性能驗證實驗條件表

a）實驗1 結(jié)果對比圖 b）實驗2 結(jié)果對比圖
圖10 下位控制器控制效果對比圖

2.3 車輛控制執(zhí)行技術(shù)

汽車主動避撞系統(tǒng)所用執(zhí)行器有兩個：節(jié)氣門伺服執(zhí)行器和制動作動器。對于節(jié)氣門伺服執(zhí)行器，采用脈寬調(diào)制（PWM）控制的直流電機來實現(xiàn)。對于制動作動器由于制動系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系到駕駛員的生命安全，所以要求自動制動系統(tǒng)響應(yīng)要快，可靠性要高；由于目前汽車內(nèi)可用空間較好，所以要求自動制動系統(tǒng)體積盡量??；為能夠直接、迅速、廣泛地在國內(nèi)轎車上得到應(yīng)用，要求自動制動系統(tǒng)對原車的改動要盡量小。在汽車行駛過程中，仍然以人為主，只當汽車間距小于安全距離而人又沒有采取措施時自動制動系統(tǒng)才會起作用。在自動制動作用過程中，只要人一踩制動或加速踏板，則控制權(quán)便交給駕駛員，自動制動系統(tǒng)不起作用。所以在自動制動系統(tǒng)和原制動系統(tǒng)之間應(yīng)當有電控切換裝置。本研究設(shè)計的自動制動系統(tǒng)采用液壓系統(tǒng)，原理圖如圖11 所示。本系統(tǒng)輸出壓力的控制采用高速開關(guān)閥結(jié)合脈寬調(diào)制（PWM）
控制來實現(xiàn)。

圖11 液壓自動制動系統(tǒng)原理圖

3 結(jié)束語

使汽車具有主動安全性，集信息感知、動態(tài)辨識、控制等技術(shù)與方法于一體是ITS 的主要研究內(nèi)容之一。世界各大汽車公司，都在開展這方面的研發(fā)，目前日本、歐美汽車企業(yè)在汽車主動避撞技術(shù)方面已取得實用化成果。這些技術(shù)雖然其理論研究成果可以借鑒，但涉及具體技術(shù)屬于公司保密范圍，國內(nèi)企業(yè)難以得到具體技術(shù)資料，且中國的道路及駕駛習慣與國外不同，不能直接引進使用國外技術(shù)。本研究在車輛運動中對周圍障礙物的感知技術(shù)和方法、車輛行駛危險或安全狀態(tài)的動態(tài)辨識方法、汽車主動避撞控制及執(zhí)行技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)問題的研究方面取得了一定的突破和創(chuàng)新，為解決智能交通系統(tǒng)研究開發(fā)過程中的汽車行駛安全問題，提供了理論及技術(shù)支撐。