汽車防碰撞控制系統設計與實現

李占鋒

(陜西交通職業技術學院 汽車工程學院，西安 71018)

0 引言

根據交通管理科學研究所所發布的我國近幾年的交通事故數據統計，近80%的交通碰撞事故都是由于駕駛員反映不及時所造成的，在人、路、車交通三要素中，人是可知性最差的一個環節，也是不可控的一個要素。當駕駛員發現前方障礙物時為時已晚，造成嚴重的經濟損失與人員傷亡。所以，結合當今先進的科學技術、傳感技術以及控制理論，為汽車設計主動避讓系統成為科研工作者的熱門話題。在發生緊急交通事故時，駕駛員大多采用緊急制動或者安全轉向來避免。在汽車智能化發展的趨勢下，本文主要以制動及轉向避撞為基礎，來設置汽車避撞方式決策機制，根據汽車的實際行駛狀況來設定合理的避撞模式[1]。

1 國內外汽車避撞控制系統研究現狀及特征

運用信息的感知、動態辨識、控制技術等提高汽車的主動安全性，是先進汽車控制與安全系統的主要研究內容，世界各大汽車公司都在開展這方面的研究工作。日本各大汽車制造企業如豐田、本田、三菱等公司，都致力于新型安全汽車技術研究開發并且取得了非常重要的進展。豐田汽車公司使用毫米波雷達和CCD攝像機對車距進行動態檢測，當兩車距離小于規定值時，將會發出直觀的警報信號告知駕駛員。日本汽車公司使用緊急制動勸告系統，利用先進的車距監測系統對車距進行動態監測，當需要減速或者制動時，通過制動燈亮來提醒駕駛員，在最危險時刻會采取自動制動。本田公司使用扇形激光束掃描的雷達傳感器，及時車輛在彎道行駛也能檢測到本車與前方車輛或障礙物距離，及時發出警告，告知駕駛員。

在防撞雷達系統研究方面，德國的發展起步比較早，通過距離自控雷達的安裝，梅賽德斯-奔馳公司的BENZ600S車型可以在車速40 km/h-60 km/h時進行調節，控制與前車之間的距離，降低追尾概率。21世紀初期、日本豐田公司研制了主動安全碰撞環節制動系統CMBS，安裝在車上的傳感器能夠檢測到與前車之間的距離，如果存在安全隱患，系統會通過指示燈閃爍來提醒駕駛員，如果距離過小，系統可以自動觸發控制信號，產生輕微制動動作，當系統判斷無法避免發生碰撞時，會采取緊急制動措施，最大化的降低碰撞損失。2003年豐田公司推出的安全與碰撞系統，通過安裝在車頭的毫米波雷達，可以探測到前方車輛與自車的距離，準確的預測發生碰撞的概率。工作狀態示意，如圖1所示。

當存在碰撞危險時，會以聲音為信號來提醒駕駛員注意。當存在極大碰撞可能性時，制動系統會進入微制動狀態，收緊安全帶來提高駕駛員的安全警惕性。當碰撞不可避免時，加大制動強度[2]。美國的汽車防碰撞技術已經相當先進，福特汽車公司開發的汽車防碰撞系統的工作頻率為24.725 GHz, 探測距離約106米。據說該系統理論上能根據轉彎的角度信息自動適應路面的轉彎情況，僅探測本車道內車輛的信息，從而可避免旁車道上目標物的影響。戴姆勒-克萊斯勒公司的防撞結構主要是兩個測距儀和一個影像系統，她能夠測出安全距離，發現前方有障礙物，計算機能夠自動引發制動裝置。戴姆勒-克萊斯勒公司的實驗結果顯示，車速以每小時32.18公里/小時的速度行駛，在距離障礙物2.54 cm的地方停下來。

圖1 避撞工作狀態示意圖

相對于國外先進的汽車避撞控制系統而言，我國在該方面的研究明顯落后，2008年，由南京理工大學陳錢教授研發的“激光探測汽車主動防碰撞智能安全系統”研制成功。該系統可以通過激光來獲取汽車在行駛過程中的多種交通環境，結合信號分析與處理技術，自動給汽車的執行命令進行控制，當障礙物消失之后，汽車恢復正常行駛。

針對國內外汽車避撞系統的研發來分析，存在一個共性的特點，都是來解決縱向的制動碰撞問題，系統的設計存在一定的局限性。所以在現有控制系統技術的基礎上，有必要研究通過專項避讓來躲避前方障礙物的防碰撞系統[3]。

2 汽車防碰撞控制系統設計方案

2.1 設計目標

該防撞系統的設計目標為：在安全行駛的情況下，該系統發揮輔助駕駛功能，通過控制車輛的駛進來調節駕駛員的疲勞程度。在危險行駛的情況下，要輔助駕駛員來自動控制車輛進行安全避讓，提高車輛的主動安全性。一般情況下，當車輛之間的間距無法滿足緊急制動避免碰撞時，要適當采取換道的方式。

2.2 設計思路

本文所設計的汽車防碰撞系統主要考慮車輛的縱向制動以及轉換車道兩種方式，制定防碰撞方式的決策機制，結合決策指標，來選擇行程過程中的正確避撞方式。當存在交通安全隱患，駕駛員不能及時做出反應時，縱向制動避撞系統可以實現自動控制功能，避免或減輕車輛碰撞，當無法躲避前方障礙物時，通過換道的方式來躲避障礙物，避免發生側向碰撞[4]。

2.3 汽車避撞控制系統結構設計

該汽車避撞控制系統主要由傳感器、控制器以及執行器3部分組成。傳感器從汽車的自身以及外界來獲取信息，例如：汽車速度、加速度、橫擺角速度、車輛位置以及與障礙物之間的距離。控制器主要根據傳感器所傳遞的信息來制定汽車行駛路徑，制定出相應的控制算法。執行器可以根據外界的交通環境變化將信息反饋給傳感器，并且對相應的操作進行執行[4]。避撞系統的技術主要通過以下4個環節來實現：

(1)信息感知

信息感知環節主要通過傳感器對車輛自身以及相鄰車道獲取所需信息，掌握車輛所處的交通環境。

(2)信息判斷環節

信息判斷環節主要是將信息感知環節所提供的信息傳遞到中央控制系統，在車載計算機上進行分析處理。

(3)車輛建模環節

關于汽車避撞控制系統的每個環節的實現，都要通過車輛動力學系統的正確描述來完成，并且要考慮車輛與障礙物之間的安全距離與碰撞最短時間等因素，通過建立起汽車動力學模型，來實現防碰撞控制系統的控制功能。

(4)控制系統設計環節

在車輛避撞控制系統建模的基礎上，對車輛的轉向以及加速度要通過適當的控制算法來控制，控制算法的制定不僅要可要而且要易于實現。

3 汽車縱向避撞控制系統設計分析

3.1 總體方案設計

汽車縱向避撞控制系統的設計首先要確定實現的系統功能。一定要實現在一般交通情況下，自動控制車輛的運行，降低駕駛員的勞動強度，在駕駛員疲勞的情況下，輔助駕駛員安全行駛，降低交通事故的發生。汽車縱向主動避撞系統通過對自車縱向運動狀態的合理控制，與前車之間保持安全距離，從而實現系統功能[5]。作為控制系統，總體結構包括傳感器、中央控制器、執行器3部分，設計方案，如圖2所示。

圖2 汽車縱向防撞系統設計方案

為了實現系統功能，首先要獲得準確的車輛行車信息，包括自車運行狀態，以及與前車相對運動信息，這些信息均由傳感器獲得，車載雷達是系統中非常關鍵的傳感器，所以該設計方案中使用車載掃描式激光雷達系統獲取前方目標信息。汽車縱向避撞系統對車輛縱向運動的控制主要包括加速、勻速以及減速三種，分別通過對車輛發動機節氣門開度的控制和制動系統壓力的控制來實現，節氣門執行器的功能主要是響應中央控制系統的控制要求，實現期望的節氣門開度。

3.2 步驟實施

該控制系統的設計主要是通過降低車速的方式來加大兩車之間的安全距離。充分考慮車輛以及駕駛人員的安全性以及道路的使用率，主要從以下及方案進行研究：

(1)準確的車輛動力學模型。本文通過虛擬動力學仿真軟件構建了具有完整性、精度高的非線性縱向動力學系統模型，通過對發動機特性參數的分析以及制動力與制動輪缸壓力之間的關系來建立車輛逆動力學模型[6]。

(2)安全距離模型。該安全距離模型的建立在考慮車頭距離、舒適性等元素的基礎上，添加了路面附著系數以及駕駛員特性等因素。

(3)控制器設計。控制器的設計采用分層的方法，上層控制器來根據汽車行駛狀況來計期望加速度。下層控制器對車輛的動力學系統進行控制，最終實現降低車速。保持安全距離的功能。

縱向汽車防碰撞控制系統由多個子模塊共同組成，每個模塊負責各自的功能，最終達到避撞目的。本文設計的縱向避撞系統結構，如圖3所示。

圖3 縱向避撞控制系統結構圖

圖3中：S表示期望的安全距離，V表示期望的自車速度，A表示期望的自車加速度，B表示下層控制器的控制量，K1表示期望的自車節氣門開度，P表示期望的自車制動壓力，K2表示自車的實際節氣門開度，P2表示自車的實際制動壓力，V2表示自車實際車速，A2表示自車實際加速度，W表示發動機加轉速，Y表示前車與自車之間的距離。

車輛在正常行駛的過程中，根據前車不同的行駛狀態，縱向防碰撞控制系統會對安全狀況進行判斷，安全距離模型會對安全距離實時計算，當實際車距小魚安全距離時，分層控制器開始計算，作用對車輛動力學系統，避撞系統會控制節氣門與制動器，達到降低車速的目的。

4 轉向防避撞控制系統設計

轉向防碰撞控制系統主要是輔助駕駛員通過換道路徑來進行側向運動，并且要確保行車的穩定性與舒適性。通過設計轉向的控制器來控制緊急換道動作，實現防撞目的。換道防撞控制系統設計主要從以下幾方面進行分析：

(1)轉向換道動力學模型。該設計主要結合魔術輪胎動力學模型來獲得非線性車輛換道模型，以此作為控制系統的基礎模型，在控制器中引入動力學模型。

(2)換道最小安全距離模型。車輛進行換道操作的前提是要滿足最小的安全距離，本文結合縱向最小距離，分析了基于五階多項式換道路徑的最小安全距離模型，在不同的路面條件下，通過距離判斷來分析換道的安全性。

(3)模型預測控制轉向控制器。該系統采用模型預測控制轉向控制器，根據控制器的計算結果來制定轉向控制器，在確保車輛穩定的基礎上進行轉換車道避撞。

轉向避撞控制系統結構，如圖4所示。

5 汽車避撞方式決策機制

關于汽車主動避撞控制系統的應用，需要根據當前的汽車行駛狀態，來對安全狀況進行判斷，當出現緊急情況時，輔助駕駛員選擇更適合的安全避撞方法[7]。本文所實際的避撞控制系統防撞決策機制基于以下3點考慮：

圖4 轉向避撞控制系統絕構圖

(1)縱向的自動避撞與前車的行駛狀態有關，相對來講操作比較容易，所以當自身車速較低時，可以通過制動來實現避撞，優先選擇縱向制動。

(2)如果自身的車速較高，前車一旦進行緊急制動，或者前方出現靜止的障礙物時，即使自車以最大的減速度也無法避免碰撞，這時就要采用轉向換道來進行避撞。

(3)汽車避撞系統的功能實現主要是依賴汽車行車信息的獲取，傳感器在避撞系統中占據重要地位，高性能的傳感器和控制單元對避撞系統的性能實現至關重要，也是十幾裝車應用的必經之路。

6 總結

本文的汽車主動避撞系統設計以車輛動力學和智能控制理論為基礎，通過對車輛主動避撞系統的基本功能分析，來對縱向制動和轉向換道兩種避撞方式進行研究。該設計中換道安全距離都是考慮自車與前車勻速行駛的理想狀態，較為簡單，沒有考慮縱向加減速變化的影響，在后續的研究中將針對此方面進行優化與完善。汽車避撞系統作為新興與復雜的系統，仍有許多問題需要解決，隨著汽車主動安全技術、信息技術、傳感器技術的不斷發展，汽車避撞系統一定能夠裝載實車，提高汽車的主動安全性，降低交通事故的發生，減少人員傷亡。