Audi A8主动巡航系统结构功能及发展

宋学忠

（烟台南山学院机械工程学院，山东 烟台 265713）

1 主动巡航系统

主动巡航 （Adaptive Cruise Control，ACC）系统也叫做自适应巡航系统，是在定速巡航系统 （Cruise Control System，CCS）的基础上发展而来的全新巡航系统。它是将汽车定速巡航系统和车间安全距离保持系统有机地结合起来，既能够自动保持车辆的巡航速度，又能够保持本车与前方车辆设定的安全距离，防止与前方车辆发生碰撞。

2 主动巡航系统功能

主动巡航系统是一种智能化的自动控制系统，在车辆的行驶过程中，安装在车辆前部的车距传感器 （雷达，图1）持续扫描车辆前方的道路 （图2），同时轮速传感器采集车轮转速信号。当与前车之间的距离过小时，ACC控制单元可以通过与制动防抱死系统、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设定的安全距离。主动巡航系统在控制车辆制动时，通常会将制动减速度限制在不影响舒适的程度，当需要更大的减速度时，ACC控制单元会发出声光信号通知驾驶者主动采取制动操作。当与前车之间的距离增加到安全距离时，ACC控制单元控制车辆按照设定的速度行驶。当与前车的车距大于驾驶员设定的值，那么车就会加速，直至车速达到驾驶员设定的车速值。

主动巡航系统的主要功能如图3所示。

1）当前方没有车辆时，如图3a所示，ACC车辆将处于普通的定速巡航状态，按照驾驶员设定的车速行驶，驾驶员只需要进行方向的控制即可，减轻了驾驶员驾驶车辆的工作强度。这里还包括一个工况，就是当驾驶员要在设定的速度基础上加速时，ACC车辆将按驾驶员意图加速行驶。当驾驶员不再加速以后，如果没有新的速度设定，ACC车辆将继续按照原先设定的车速行驶 （匀速控制）。

2）当ACC车辆前方出现目标车辆时，如图3b所示，如果目标车辆的速度低于ACC车辆的速度，ACC车辆将自动开始进行平滑的减速控制，进行减速行驶 （减速控制）。

3）当ACC车辆与目标车辆之间的距离等于ACC车辆设定的安全车距时，如图3c所示，ACC车辆采取跟随控制，即与目标车辆以相同的车速行驶 （跟随控制）。

4）当目标车辆换道或者ACC车辆换道后，前方又没有其他的目标车辆，如图3d所示，这时ACC车辆恢复到初期设定的车速行驶 （加速控制）。

综上所述，主动巡航系统不仅具有定速巡航系统所具备的定速功能，即将车辆自动控制在驾驶员设定的速度下，还能根据与前方车辆的距离，决定本车是保持原车速还是减速还是加速行驶。主动巡航系统由于减少了对加速踏板和制动踏板的操作，可以明显减轻驾驶员的劳累程度，提高驾驶舒适性，同时使驾驶员严格遵守车速限制以及控制车距，可以保证汽车的行驶安全和交通的畅通。

因此，Audi A8主动巡航系统要实现上述功能必须具备下述能力。

2.1 车距测量

1）车距测量示意如图4所示。从汽车雷达发射电磁波信号到接收反射回来的电磁波信号所需要的时间取决于汽车之间的距离。如图5所示，B中的距离是A中的2倍，那么B中反射信号到达接收器所需时间就是A中的2倍。

2）直接测量这个时间很复杂，因此实际采用间接测量法:将连续发射的超高频振荡波作为发射信号，只需简单地比较一下发射信号和接收 （反射）信号的频率差就可以了。因为发射信号和接收（反射）信号的频率差直接取决于物体之间的距离，物体之间的距离越大，反射信号被接收前所运行的时间越长，于是发射频率和接收频率之间的差就越大，如图6所示。

2.2 前车车速测量

1）多普勒效应:对于反射发射出来的波的物体来讲，它相对于发射出波的物体是处于静止状态还是运动状态，是有本质区别的。如果发射出波的物体与反射波的物体之间的距离减少了，那么反射波的频率就提高了，反之若距离增大，那么频率就降低。多普勒效应在日常生活中的应用如图7所示，当消防车或救护车驶近时，其报警声听起来是一种持续的高音调 （高频），当消防车或救护车越走越远时，我们听到的音调就降低了 （低频）。

2）图8为前车车速测量示意图。运用多普勒效应，前车速度提高，与后车的距离增大，接收 （反射）的信号的频率就降低了，反之，前车速度降低，与后车的距离减少，接收 （反射）的信号的频率就增加了。多普勒效应测速原理如图9所示，由于会导致在信号的上升沿和下降沿之间产生一个不同的差值，车距调节控制单元会分析这个差值，从而判断前车的速度变化。

2.3 前车位置测量

1）前车位置测量示意如图10所示。雷达探测信号以叶片状向外发射，信号的强度随着与车上发射器距离的增大而在纵向和横向上降低，如图11所示。

2）雷达采用3束雷达波形式发射电磁波，通过检测各个雷达束接收 （反射）信号的振幅比 （信号强度）可以确定本车与前车相对运动的角度，如图12所示。

2.4 跟踪车辆的选择

在实际行车中，车距调节控制单元对检测到的车辆侧倾、车轮转速、转向盘转角等信号进行分析，把雷达检测到的距离本车最近的物体作为车距调节的参照物，根据汽车的转弯半径和特定的车道平均宽度来确定一条假想的车道，如图13所示。

3 Audi A8主动巡航系统构成

Audi A8主动巡航系统构成如图14所示。车距传感器和车距调节控制单元安装在同一壳体内 （图15），通过支架上的调节螺栓可以调节车距传感器的安装位置。

Audi A8采用调频连续波 （FMCW）毫米波雷达进行测距，该种雷达结构简单，其基本工作原理是:毫米波雷达 （车距传感器）天线发射连续的调频信号 （一般为连续三角形波），当遇到前方障碍物时，会产生与发射信号有一定延时的回波；通过雷达天线接收回波信号，车距调节控制单元处理这些雷达信号以及其他输入信号；通过处理这些信号就可以确定雷达视野中出现的物体哪一个是相关的前车，即本车按其调节车距的那台车，于是前车的位置、车速及当前的车距就可以确定，确定的数据被发送到多点喷射控制单元、自动变速器控制单元以及ESP控制单元。同时，通过车距调节CAN总线和数据总线诊断接口 （网关）传送到驱动CAN总线上。毫米波雷达具有探测距离远、运行可靠、测量性能受天气等外界因素的影响少等特点，可以获得主车与目标车辆间距离、相对速度、相对位置等信息。

4 主动巡航系统工作原理概述

下面就以Audi A8主动巡航系统一个典型的调节例子来概述其工作原理。

1）如图16所示，A车驾驶员已经激活主动巡航系统，并选定了巡航车速v和巡航车距d，A车已经加速到了选定的巡航车速。

2）如图17所示，这时如果有另一辆车 （摩托车）闯入A、B两车之间，那么主动巡航系统施加的制动就不足以使蓝车和摩托车之间的距离达到设定的巡航车距 （主动巡航系统出于舒适性的考虑，制动力只能达到制动系统最大制动减速能力的25%），于是就有声、光报警信号来提醒驾驶员，应踏下制动踏板实施制动。

3）如图18所示，如果前车驶离车道，那么雷达就会检测到这一情况，于是A车又开始加速，直到达到设定的巡航车速。

主动巡航系统控制功能图如图19所示。

5 主动巡航系统的局限性

1）主动巡航系统是驾驶辅助系统，而不是全自动驾驶系统，因此驾驶员要注意路面情况，必要时还要施加制动。

2）主动巡航系统在车速为30～200 km／h时才工作。

3）在驶入弯道或驶离弯道时，本车可能短时失去了前车目标，或者将相邻车道上的某车当成了目标，车辆会出现短时的加速或减速，如图20、图21所示。

4）雨水和污物会影响雷达的工作效果。

6 主动巡航系统的发展

1）通过驾驶员辅助系统支持主动巡航系统。新一代Audi A8的主动巡航系统带有Stop﹠Go（停停走走）功能，其主要特点是将主动巡航系统工作的车速范围改为0～200km／h，以应对在城市中行驶时频繁的停车和起步情况。自适应巡航控制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，自适应巡航控制系统会提醒驾驶者，驾驶者通过踩加速踏板或按下按钮发出信号，车辆就可以起步行驶。

2）自适应巡航控制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，而且这个距离可以通过转向盘附近的控制杆上的设置按钮进行选择。

3）新一代主动巡航系统控制单元还从其他驾驶员辅助系统控制单元接收下列信息:①前行车辆（包括本车车道和相邻车道上的车）的位置，如图22所示；②前行车辆将要变道的信息；③车前周围区域识别出的物体，如图23所示。

［1］张军.汽车舒适与安全系统检修［M］.北京:人民邮电出版社，2009:158-162.

［2］邢忠义.汽车汽车新结构与新技术［M］.北京:机械工业出版社，2008:123-124.