汽车纵向主动避撞系统技术的应用探讨

技术　汽车纵向主动避撞系统技术的应用探讨　严志铭’，杨均忠　（１．广州奉田汽车有限公司，　广东广州　５１０７００；２．华南农业丸学工程学院．　广东广州　５ｌ０６４２）　

１引言　资料显示．有７０％一９０％自勺交通事故足由于驾驶员操　作失误所致…＝如果能够拄事故发生前提醒驾驶员睡意蚌　在紧急状况Ｆ帮助驾驶员采取安全措施．刘减少交通事敞　的发生无疑是非常有用的．汽乍主动避撞系统正是实现这　功能的技术于．段　研究表明．借助干主动避掩系统．追　Ｊ毛碰撞降低率呵迭６２％　，无事故发ｆ１　时呵大大降低驾驶　员的劳动强度　汽车主动避掩功能冉几种实现方式，而通过对自车　（＃动避撞车）纵向运动状态的控制，使自车　前力月标　问保持合适的距离或自动维持自车的某种运动状态是实现　汽车丰动避撞功能的直接干¨打教的于段．以这种方法实现　汽车主动避撞功能的系统就是汽车纵向ｔ动避撞系统　为　实现主动避撞的功能．汽车纵Ｉｆｉｌ主动避撞系统包括以下儿　项关键技术：竹乍　息感知及处理，行车安今状态判断．　１ｉ辆动力学建模和控制以及控制执行技术　本文对现实汽车主动避撞系统的上述核心技术进朴探　讨．指ｉ｝１一些镒耍荧注的问题。　２行车信息感知及处理　（Ｉ）行　信息感知　辆行乍信息感角Ｉｌ垃处理就是利用安装于汽车上的各　种传感器（车间距洲量传感器、　谜传感器、节气门传感　器等），实时的刘车辆运行参数进行检测．并通过必要的　信号处理扶得准确，可靠的行车倌息　其中车间距离测量　传感嚣是主动避掩系统特有的．国内外对主动避撞系统行　车信息感蜘及处理的研究集中于车间距离测量传感器的研　制及测量佰号的处理方面　按照实现方式的不同町以将关下车间距离测齄传感器　的研究分为两类，一粪是基于机＿器视觉的车间距离测量研　究．一类是基于车载雷选系统的车闸域三离测量研究。　基于机器视觉的乍间距离测　研究是通过对视觉信号　的实时处理获得车间距离值　视觉信号具有探测范围宽、　日标信息完整、符合人的认　习惯等优势．特ｊ；Ｉ『足在对道　路及分道线的探测矗面，视觉信号具有无法替代的优势　但机器视觉测距成用于汽　主动避撞环境时却存在较大的　不足：　一是由于视觉信号处理的运算量大．距离测量的实　时性较低；二足受摄像头分辨率及视觉信号处理方法的限　制，牲于机器视慌测得的擎间距离精度较低　基于车载雷达系统的车间距离测量研究是以微波或激　光雷达作为测距传感器．通过列需达测量信号的处理捩得　前方目标车的距离及相对速度等信息　与基于机器视觉的　车间距离测量相比较．雷达测量的实时性　准确性较好　因此，国内外的研究人员都很雨视用　载雷达系统解决汽　车主动避撞条件下‘日标车辆信息的获取问题。拨铡睛介质　不确．可　将车载雷达系统分为激光雷达和微波雷达两　种　激光雷达莆Ｉ微渡雷达作为两种不同机制的传感器．各　有优缺点。微波雷达的优点是运行可靠，测量性能受天气　等外界困素的影响较小，缺点是结构复杂，成本较高　激　光雷达的主要优点足结构简单，测量精度较高．缺点足删　量性能易受环境『＝Ｉｊ索　扰，在雨、霄　雾等天气情况下测　量性能会耵所Ｆ降　（２）行车信息处理　汽车主动避撞系统利用车载雷达系统获得目标车辆运　动信息．山予测最原理的限制．雷达测得『内目标信息中含　有测量噪声，需要通过霄达信号处理技术，从包含有噪声　的雷达测量信号中快速、准确的获得避捕系统需要的目标　信息。从公开发丧的文献看．国外对雷达信号处理方面的　收稿目期：２　０２－１５；修订日期：２０ｏ６—０３—１６　霪亘　野

　维普资讯 http://www.cqvip.com 应用　研究主要针对航空和国防的需要，处理方法适用的雷达探　测目标为飞机、导弹等匀速或等加速度运动的物体［３３，采　用二阶或三阶等低阶卡尔曼（Ｋａｌｍａｎ）滤波方法对雷达测　量信号进行处理就可以满足测量精度及测量信号对目标运　动特性跟随快速性的需要。国外的学者将航空及国防方面　的研究结果直接应用于道路交通情况下的雷达信号处理，　获得了一定的效果。　从卡尔曼滤波原理分析可知，如果目标车辆相对于自　车保持恒定相对速度（二阶滤波）或相对加速度（三阶滤　波）行驶这种系统假设得到满足，利用上述的低阶卡尔曼　滤波可以准确、实时的获得目标车辆的信息，但在汽车主　动避撞系统中，目标车辆相对于自车的加速度会经常发生　变化，如仍以低阶卡尔曼滤波方法获取目标车辆状态信　息，就可能存在两方面的问题：一是目标车辆信息估计的　准确性较差；二是目标车辆信息的估计不能快速跟随实际　信息的变化，目标车辆信息估计的实时性较差。因此，低　阶卡尔曼滤波器不能直接应用于主动避撞系统车载雷达信　号的处理。　３行车安全状态判断　车辆行车信息采集系统将获得的车辆状态及行车环境　信息传递给汽车主动避撞系统中央控制器，中央控制器综　合利用多传感器信息，依据安全状态判断逻辑进行车辆行　车安全状态的判断，并依据判断结果进行相应的控制操　作。车辆行车安全状态判断逻辑对汽车主动避撞系统性能　有重要影响。　为实现行车安全状态判断的目的，国内外的学者们提　出了多种行车安全距离模型，利用安全距离的实时计算结　果与实际车间距离之间的关系进行行车安全状态的判断。　当实际距离大于安全距离实时计算结果时，判断为车辆处　于安全行驶状态，反之则判断为车辆处于危险行驶状态。　总结现有的安全距离模型，具有代表性的有基于制动过程　运动学分析的安全距离模型［４－３］、基于车间时距的安全距　离模型［　、驾驶员预瞄安全距离模型　，共三种。　基于制动过程运动分析的安全距离模型适用的典型交　通情况是跟随行驶过程中前方车辆突然原地停止这种极端　工况，模型建立时仅考虑了保证车辆行车安全的要求，没　有考虑道路交通效率方面的因素，导致的结果是利用该模　型确定的安全距离较大，如以该模型为基础进行车辆的主　动避撞控制，将使道路交通效率降低。在一般交通情况　下，按照该模型确定的安全距离将大于驾驶员实际感觉应　当保持的车间距离，按照该模型进行安全状态判断的结果　不符合驾驶员的主观感觉。　基于车间时距的安全距离模型适用的典型交通情况是　车辆以较低的相对速度跟随行驶，模型建立时考虑的主要　因素是保证道路交通效率，对车辆间有较大相对速度时的　安全性考虑较少，导致的后果是在这种情况下按照该模型　计算的安全距离偏小，不能保证行车安全；在车辆间有较　大的相对速度时，驾驶员实际感觉应当保持的车间距离还　与相对速度有关，而这一因素在该模型中并无体现，这就　使得在这种情况下按照该模型进行安全状态判断的结果不　符合驾驶员的主观感觉。　驾驶员预瞄安全距离模型以驾驶员的实际驾驶行为为　基础，在模型建立及参数取值时考虑了驾驶员主观感觉因　素，在一般工况下，按照该模型进行的行车安全状态判断　的结果能够符合驾驶员的主观感觉。前方车辆制动情况是　汽车主动避撞系统工作的典型工况之一，由于驾驶员预瞄　模型始终以１．５ｍ／ｓ２（由高速公路统计数据，这种情况下车　辆减速度一般不超过１．５ｍ／ｓ　，该统计值是模型可行化的基　础数据）作为前方目标车的制动减速度，导致在前方目标　车较大减速度制动工况下安全距离计算结果偏小，此时按　照该模型进行的行车安全状态的判断结果不符合驾驶员的　主观感觉。　由此可见，现有安全距离模型应用于汽车主动避撞系　统时主要存在准确性较低，不能适应复杂多变交通环境的　需要、某些关键参数在现有技术条件下不易获得，实用性　较低及对驾驶员主观感受因素考虑不够等几方面的问题。　适用于汽车主动避撞系统的行车安全距离模型依然是国内　外研究的重点。　４车辆动力学建模与控制　（１）车辆动力学建模　汽车主动避撞系统的各项功能需要通过对车辆动力学　系统（如无特殊说明，本文中的车辆动力学一律指车辆纵　向动力学）的精确控制来实现，建立合适的汽车主动避撞　动力学系统模型是控制系统设计和汽车主动避撞系统功能　实现的基础；对于汽车主动避撞系统的研究及评价是基于　系统仿真及实验的结果进行的，作为仿真评价的基础，也　需要建立比较准确的车辆动力学系统模型。　美国加州大学伯克力分校的Ｄｏｎｎ　Ｈ．ＭｃＭａｈｏｎ等人　在１９８９年建立了一种适用于自动公路系统的车辆纵向动　力学模型＿８］，该模型将车辆纵向动力学总成划分为发动机　（包括发动机及其控制系统）、变速机构（包括液力变矩器　和自动变速器）和车辆传动行驶系（包括传动轴、主减速　器、半轴、车轮及制动系）三部分，各部分之间通过力矩　和转速传递连接。１９９３年，Ｊ．Ｋ．Ｈｅｄｒｉｃｋ等人将此模型作　了进一步的发展［９３，依据使用目的和要求精度的不同，将　模型简化为三状态和四状态模型。其后美国加州大学伯克　力分校车辆动力学实验室的相关研究一直以这个模型为基　础。１９９２年，Ｗｅｉｚｈｅｎｇ　Ｗａｎｇ设计了基于分段线性化的车　辆纵向动力学模型　，与Ｊ．Ｋ．Ｈｅｄｒｉｃｋ等人建立的模型　相比，该模型在精度方面有所降低，但模型运算量明显降　低。１９９３年美国南加州大学的Ｐ．Ｉｏａｎｎｏｕ等人建立了一种　适用于车辆智能巡航系统的纵向动力学模型ｌｌ”，该模型　得到了表征车辆纵向动力学特性的两个子模型，分别是从　

节气门开度到车辆速度和位置的传递函数模型和从制动压　维普资讯 http://www.cqvip.com 技术　力到车辆速度和位置的传递函数模型。意大利的Ｇ．Ｂａｒｔｏｌｉ—　ｎｉ等人在研究车辆纵向运动的二阶滑模控制器时建立了一　种简化的车辆纵向动力学模型［１　，该模型的优点是模型　简洁，各系统参数意义明确，缺点是忽略了发动机及自动　变速机构的动特性，使模型准确性降低。　日本在开展先进安全车辆ＡＳＶ（Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｓａｆｅｔｙ　Ｖｅ—　ｈｉｃｌｅ）计划时进行了车辆动力学建模的研究，日本东京大　学藤同研究室进行的工作具有代表性［１３－１５］。藤同研究室建　立的用于车辆纵向动力学控制的车辆模型包括两部分：正　向车辆模型，输入量是节气门开度和制动压力，输出量是　车辆速度和加速度，用于车辆纵向动力学控制器的设计与　仿真；逆纵向车辆模型，输入量是期望的车辆加速度，输　出量是期望的节气门开度和制动压力，用于车辆纵向动力　学实时控制。在正向车辆模型中，藤同研究室模型忽略了　发动机和变速机构的动特性，将节气门输入量与发动机转　速及液力变矩器涡轮转速间的对应关系做成了表格，以查　表的方式代替模型运行时的实时运算；制动系统简化为一　线性模型，即制动压力与路面制动力成线性关系。在逆纵　向车辆模型建立时，藤同研究室模型首先由期望加速度通　过力学计算获得期望发动机力矩或期望制动力，然后利用　反查发动机特性数据表的方法获得期望的节气门开度值，　或利用线性制动系统模型反算获得期望的制动压力。为便　于车辆纵向动力学控制器的设计，藤同研究室还建立了电　子节气门执行器和电子控制制动系统的模型，通过执行器　模型将车辆正向模型和逆向模型相连，获得了输入量是期　望加速度，输出量是车辆实际加速度的车辆动力学系统模　型，利用模型辨识的方法，获得以一阶传函表示的该系统　的传递函数模型。日本日产汽车公司的Ｙｏｊｉ　Ｓｅｔｏ等人在　研究车间距离控制系统时　，韩国的Ｋ．Ｙｉ等人在车辆　走一停（Ｓｔｏｐ　ａｎｄ　Ｇｏ）系统研究时”　，所采用的系统与　藤同研究所的基本相同。　总体看来，国外关于系统建模方面的研究都是针对具　体的车辆特点和系统设计进行的，没有通用性的成果可供　参考；国内的研究主要针‘对车辆的局部模型或某一特定系　统的模型，并小能完全适用于汽车主动避撞系统的研究。　（２）车辆动力学控制　车辆动力学控制是实现汽车纵向主动避撞系统功能的　直接手段，控制的作用是调节车辆的纵向运动状态，实现　主动避撞系统所定义的功能。按照控制功能实现方法的不　同，可以将与汽车主动避撞相关的车辆纵向动力学控制分　为两类：直接式控制和分层式控制。直接式控制结构用一　个控制器实现车辆纵向动力学控制的日的，控制器的输入　最是期望的车间距离或车辆速度，输出量是期望的制动压　力和　气门开度，输出量直接传递给车辆的控制执行机　构，控制车辆的运动，实现期望的控制结果。分层式控制　结构将车辆纵向动力学控制的目的分为两层实现，上位控　制器输入量是期望的车间距离或车辆速度，输出量是期望　的车辆加速度或车辆速度，上位控制器的输出量作为下位　控制器的输入量，下位控制器的输出量是期望的制动压力　和节气门开度。　美国加州大学伯克力分校在进行自动公路系统的研　究中采用的是直接式控制结构。在早期的研究中，他们　采用反馈线性化的方法建立非线性控制对象的线性化模　型，应用线性化控制系统设计方法设计了车辆纵向动力　学控制器ｌ】　。在后续的研究中，他们考虑了将非线性系　统线性化时带来的系统误差和控制对象的不确定性，在假　设控制对象不确定性的结构已知的前提下，应用李亚普诺　（Ｌｙａｐｕｎｏｖ）控制理论设计了车辆动力学控制器“　。为　解决不匹配不确定性界限未知系统的控制问题，他们在车　辆动力学控制器设计中引入１ｒ滑模变结构控制方法ｌｌ　２０］。　为了在控制性能和控制系统鲁棒性之间作折衷，他们又先　后设计了多滑动面控制器和动态滑动面控制器等车辆动力　学控制器［２　，较好的实现了车辆动力学控制的目的。但　是滑模变结构控制的一个缺点是系统的抖动问题，这个抖　动是由两方面的因素引起的，一是实际控制系统在进行控　制量的计算时需要一定的时间，并不是在瞬间完成的，另　外一个就是控制执行器具有机械惯性和延时，并不能实现　控制命令的无限高频率的切换。为进一步提高车辆动力学　控制器的性能，加州大学伯克力分校的Ｈｏｙｏｎｇ　Ｋｉｍ，Ｐ．　Ｋａｃｈｒｏｏ等人　、法国的Ｚｙｅｄ　Ｚａｌｉｌａ等人　分别以上述　常规控制器设计方法为基础，设计了常规控制器和基于人　工神经网络专家数据库的模糊控制器相结合的车辆动力学　控制器，该控制器利用专家数据库对实时应用的控制器进　行选择，发挥每种控制的优点，弥补各常规控制器的不足。　在单车主动避撞控制时，除控制精度、控制系统稳定　性目标外，控制系统整体动作特性还要体现驾驶员的驾驶　特点，控制系统的干扰源还要包括前方目标车辆行驶状态　的变化，通过一个控制器的设计满足如此多的控制要求非　常困难。上下位控制器分工明确，町以通过上下位控制器　的分别设计，满足多项控制要求。　日本日立公司的Ｓａｔｏｒｕ　Ｋｕｒａｇａｋｉ等人设计了基于ＰＩＤ　控制的下位控制器　］，能够控制车辆实现期望的速度；　日本东京大学藤同研究室的大前学在１９９９年研究了车辆　纵向动力学控制器的分层式控制结构　，参照冢子达等　人在汽车自动变速器控制器设计时采用的二自由度控制器　结构，设计了基于二自由度控制器的车辆纵向动力学下位　控制器；韩国汉阳大学的Ｋ．Ｙｉ等人设计了前馈和ＰＩ反馈　相结合的下位控制器，可以控制车辆实现期望的加速度　值，系统响应快速性较好但鲁棒性较差。　在上位控制器设计方面，由于有下位控制器为基础，　上位控制器的设计可以不用考虑下位控制系统干扰及控制　对象模型误差的影响。韩国Ｋ．Ｙｉ等人利用线性最优控制　理论设计了应用于车辆走一停（Ｓｔｏｐ　ａｎｄＧｏ）系统的上位控　制器　，考虑了车辆乘坐舒适性的需要，对上位控制器　ｒ————————————１————————］———　——　————１　｝　ｌ　８０｝　ｌ