主動式車輛限速方法研究＊

吳鐵民 沈國嬌 陸 建

（東南大學交通學院1） 南京 210096） （安徽江淮汽車股份有限公司2） 合肥 230601）

0 引 言

目前國外主動式限速器的研制工作剛剛開始，一些西方的發達國家根據自己國家交通的特點已展開研究．例如英國倫敦交通局定于2009年11月啟動一項“汽車自動限速器”測試計劃，部分出租車、公務車和公共汽車將在接下來的6個月中試用這種新型限速裝置．國內關于主動式限速器的開發也提出過多種構想，大部分也集中在“主動限速”的方案中［1－3］，但是存在著諸多的不足，集中體現在以下幾方面：（1）車速控制的形式太簡單，使得快速行駛中的車輛實現有困難．該類設計方案的油路控制方法是直接斷開燃油泵的繼電器開關，這樣在具體的車輛行駛中控速方面過于單一；（2）存在一定的安全隱患．某些司機懷著僥幸的心理把車速一直保留在限速值附近，造成繼電器開關的反復開合，最終導致燒壞繼電器開關．因此在研究一種主動式車輛限速方法具有重要的現實意義和廣闊的應用前景．

1 設計原理

1.1 設計思路

根據系統運作的設想，本系統由ZigBee通信部分和車載響應部分組成．由控制中心通過以太網電纜向安裝有ZigBee通信模塊的發射塔發送限速信息，車輛行駛至限速區附近時，車內車載響應部分接受到發射塔發射的限速信息，進行相應的分析之后進行動作，從而達到限速的目的．

控制中心將根據具體天氣情況等因素確定限速路段的具體限速值．每個限速路段兩端均有3桿ZigBee發射器，車輛進入限速路段前，首先接收到限速值預報即車載接受模塊首先接收到一個標識號，之后經過第二個信號桿時會識別帶有相應標識號的限速值信號從而完成限速值信號的傳遞．

車輛在接收到信號后限速器就開始工作，車載數碼管顯示器上就會顯示該路段限速值以提醒司機主動控制車速，如果車速一直維持在安全車速之下，車載限速器不會干擾車速；若車速已超過限速值，車載語音警報器會警告司機，限速裝置CPU會不斷采集車速與限速值進行比較并計算超速程度，確定相應的限速強度．在超速發生下，若司機已開始降速，則副節氣門轉動角度較小，限速緩慢；若司機在超速情況下繼續加速，限速器會加大副節氣門轉動角度，控制進氣量使主節氣門全開狀態下的進氣量的車速也只能維持在限速值以下，超速情況結束則解除警報．副節氣門對進氣量的控制分為6個不同程度，按照旋轉角度大小區分．

當車輛駛出限速路段，首先接收到下一路段的標識號，經過第二個信號桿時得到帶有下一路段標識號的限速值（若沒有限速要求，則將限速值設為一個足夠大的數值）．

1.2 結構設計

1．2．1 控制中心監控系統設計 控制中心通過相關監控軟件系統對地圖上分布的限速路段進行主動式限速控制的開啟或者關閉，同時能夠特殊天氣條件和特殊節假日等對限速值進行調整．

1．2．2 ZigBee通信系統設計 發射桿內的Zig－Bee通信模塊接收控制中心的限速信號后實時向外發射限速信息．

限速信號發射塔安裝結構見圖1，采用了3塔發射結構，具體如下：信號標桿之間相距約100m，二號信號標桿位于限速邊界，負責發送限速數據，報文中帶有標識ID，例如在位于50km／h和30km／h的邊界信號標桿，發送數據格式為：ID1：30；ID2：50．一號與三號信號標桿分別負責發送駛向和駛離路段限速值的標識ID，例如一號發送ID1，三號發送ID2．當車輛從限速50km／h駛向30km／h時，率先受到一號信號標桿發送的數據：ID1，這是當車輛繼續向前行駛過程中收到二號信號標桿數據根據表示ID是即可辨識出駛向路段限速值（30km／h）．同理當車輛從限速50km／h駛向30km／h時，率先收到三號信號標桿發送的數據：ID2，這是當車輛繼續向前行駛過程中收到二號信號標桿數據根據表示ID是即可辨識出駛向路段限速值（50km／h）．

圖1 限速信號發射塔安裝結構圖

1．2．3 車載響應部分設計 車內響應系統部分硬件設計具體如下：通過單片機的脈寬捕獲模塊，采集車速傳感器的信號，計算出當前車速，并與ZigBee模塊接收到的限速值進行實時比較如果超速將動作節氣門并語音報警，短暫延時后，減小副節氣門的開度．如果車速已經降到限速值以下，駕駛員仍可通過油門踏板控制車速．硬件部分結構圖見圖2．

圖2 車內響應部分硬件結構圖

圖3 為電噴車輛油路控制系統及副節氣門（節氣門組件）安裝位置，將節氣門安裝在發動機上，用來控制進入氣缸燃燒的進氣量，發動機原有的管理控制單元則根據測量到的進氣量，調整每個循環的噴油量，從而實現節氣門開度越大，進入氣缸的空氣量越多，也就是燃油混合氣越多，發動機的輸出轉矩越高．這樣，可以通過改變節氣門的開度，從而達到控制發動機輸出轉矩，以實現對車輛速度的控制．

圖3 車輛油路控制系統示意

圖4 是車輛行駛過程中不同車速下限速器工作時節氣門的工作狀態：（1）未超過限速，副節氣門開度為0；（2）超過限速，副節氣門開度增大，直至車速降到限速值以下，并保持適當時間，這期間即使車速進一步下降也不立即減小開度，直至限速值和實際車速的差值已經超過一個閥值，才逐步減小副節氣門的開度．另外，副節氣門的安裝位置要盡可能靠近發動機．

圖4 不同車速下副節氣門工作形式

為了優化副節氣門的響應特性，避免副節氣門控制的波動，同時也為了使車速的控制更平順，避免車速驟降和驟升，采用模糊控制理論［4－6］作為節氣門開度控制策略．實現一步模糊控制算法的過程：單片機經過中斷采樣獲取車輛行駛速度的精確值，然后將此值與給定值（限速值）比較得到誤差信號e．然后計算出誤差信號e的變化率ec．通過一定的模糊規則分別對e和ec進行模糊化，得到模糊量E和EC．通過查詢模糊控制查詢表得到模糊輸出量，即節氣門的位置模糊量．然后通過一定的規則轉換成精確值輸出．

設偏差值的模糊量為E，偏差值變化率的模糊值為EC．偏差值的精確量的取值范圍是［－10，10］（單位：m／s），偏差值變化率的精確量的取值范圍是［－5，5］（單位：m／s2），輸出量為節氣門的角度u，取值范圍是［－90，90］（單位：（°））．將他們劃分為13個等級，即｛－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6｝．則偏差量e的量化因子為10／6＝1．67，偏差量變化率的量化因子為5／6＝0．84，輸出量的量化因子為90／6＝15，程序流程見圖5．

圖5 模糊控制流程圖

2 Matlab仿真

Matlab仿真框圖及結果示意圖分別見圖6～7．本控制系統利用模糊控制器代替PD控制，用偏差E和偏差變化率EC這2個量作為模糊控制器的輸入，模糊控制器有一個輸出，通過Matlab仿真出較好的波形．

在圖7中，速度隨著節氣門開度的變化規律符合我們限速的設計思路．A時刻實驗開始，此時由于未接受到任何限速信號，車載限速裝置處于未工作狀態，副節氣門開度最大；B時刻系統接收到限速信號，并檢測到超速狀態，副節氣門開度迅速減小，車速在短暫的過度后開始降低；C時刻副節氣門開度達到了最小，此時車速還沒有降到限速值，車速經過一段時間后（D～C）達到了穩定的限速值，D時刻節氣門也穩定于相應于限速值的某個開度．

圖6 Matlab模糊控制仿真框圖

圖7 仿真結果示意圖

3 結 論

1）該主動式限速器將無線通信與節氣門控制有機結合，車輛的限速不再依賴司機主觀意識與地面的減速帶，將車輛的限速從傳統的被動式進步到主動式，在遏制超速方面具有較大的現實意義．

2）系統使用模糊策略控制來控制節氣門進而限制車速，能夠滿足在不同超速下對車輛進行較柔和的控制，使得限速過程變的比較平穩，增加了安全性．

3）結合限速值的可調節性，系統可以和城市交通管理網結合，可根據實際路況需求，隨時調整道路的管制．

雖然本系統經過仿真驗證是合理有效的，但由于沒有在實車上進行試驗，在實際使用中仍有可能存在一些問題．

本系統主要應用于因超速造成的事故率高、事故果嚴重的工地大貨車和長途大卡車，這類車輛可管理性較強，將該系統改裝此類車輛可明顯減少由超速造成的特大事故，從而在保證人民安全和減少國家經濟損失具有重要的現實意義和應用前景．相信隨著交通安全越來越受到關注，該主動式車輛限速系統將會被越來越廣泛的應用在各個交通領域．

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