汽车自适应巡航控制系统的设计

沈阳理工大学自动化与电气工程学院 潘勇宏 王佳宇

1 引言

随着人们对汽车的舒适性、安全性和易操作性的要求的提高，各国逐渐深入研究各种驾驶模式和驾驶辅助系统的智能车辆。自适应巡航控制系统（ACC）作为现代先进的汽车安全控制系统（AVCSS）是一个重要的发展方向，它是在开发传统巡航控制技术中，基于定速巡航控制系统的功能，而且也具有应用汽车车轮速度传感器的车速反馈信息自动调整车速保持本ACC系统车辆与前方车辆的安全车距的功能，可以有效地降低驾驶员的驾驶强度，提高司机的驾驶环境，减少交通事故，因此越来越多的人的关注。

2 ACC系统模型的选择和建立

ACC系统作为汽车辅助驾驶系统的一个重要研究方向，研究的主要目的是代替驾驶员在适当的交通条件下合理控制车辆安全行驶。以及如何使用信息传感器单元输入决定适当的系统输出和车辆的合理控制，汽车ACC系统的研究和应用的核心是为实现ACC系统的控制。车辆安全距离的确定和系统控制理论和方法的选择是ACC系统控制技术的主要内容。

安全距离是指在车辆减速能力，速度和道路附着条件一定的情况下车辆并没有碰撞到前方车辆或障碍物所需要保持的最小安全距离。能够准确、快速地确定理想安全距离是确保自适应巡航系统控制功能的前提和基础。

国内外研究的汽车ACC系统对理想的安全距离模型有不同的形式。但从系统整体来看安全距离通式为：车辆间隔时间为Th，可以是一个常数，可以同时被人为设置；V为车辆速度或车辆速度的函数。

图1 安全距离示意图

图1中，为理想安全间距为ds，ACC系统车辆的瞬时速度和加速度分别为VC和aC，前行车辆的瞬时速度为Vt。

当选取理想安全距离模型时，不同的汽车应用商会根据自身的追求依据不同因素的考虑对上述安全距离计算公式采取不同的算法形式，并且要与所开发的ACC系统所注重的品质和侧重的性能指标密切相关。本设计所采用的理想安全距离模型则是在考虑极端情况下前后两车也不发生碰撞事故的基础上推导得出的：

式中，当前车辆理想安全距离为ds；驾驶员反应时间与系统延迟时间之和为TR；ACC系统车辆及前行车辆的瞬时速度分别为VC和Vt；ACC系统车辆和前行车辆的最大制动减速度分别为bc和bt。由于前车的最大制动减速度在通常情况下无法直接获得，故上述理想安全距离公式在具体应用时采用经验数据确定前车的最大制动减速度范围。

图2中，两车实际距离和两车理想距离分别为d和ds；车辆距离偏移量为do；决策出的理想加速度为ades；K、k1、k2为比例增益；由驾驶员预设的巡航速度为Vset；ACC系统车辆瞬时速度为Vc； ACC车辆的理想速度为Vdes，其值为前车速度与偏移速度之和；前行车辆瞬时速度为V。

图2 ACC系统算法流程图

ACC系统工作原理：车辆打开自适应巡航控制设置按钮后，安装在前面的车辆雷达将连续扫描前方路况，测量本车距离前面车辆或障碍物的距离。如果没有前面的车辆或障碍物，车辆是在一个设定好的速度下巡航控制。当本车前方出现行驶车辆或障碍物时，被车辆前方的雷达扫描到，ACC系统控制器则会计算出本车的瞬时速度和加速度等车辆数据，然后发出适当的驱动或制动力矩控制命令：当本车辆距离前面的车辆太小，或当前面突然插入另一辆车，并且前面的车辆速度小于本车辆速度时，ACC系统则发出制动信号，降低车辆速度以确保两车之间的距离为一个安全距离，减速至期望值后使用跟踪控制；当检测到前方的行驶车辆为加速行驶时，ACC系统发送的加速度信号，车辆加速至期望值后使用跟踪控制；当本车或前方行驶车辆驶出原车道而使得前方无行驶车辆时，ACC系统会对车辆发出加速控制信号，使汽车保持在一个设定的速度下匀速巡航。ACC系统模式的退出方法分为两种情况：第一种为被动退出，即驾驶员按下自适应巡航系统的退出按钮时，系统退出ACC控制；第二种为主动智能退出，即驾驶员对车辆进行加速或制动等操作时，系统将自动退出ACC控制。

3 结论

目前，国外已经做了很多有关于ACC系统的控制理论和方法研究的工作，并已经在一些高端汽车上安装使用了自适应巡航控制系统。而国内的研究与发达国家在这一领域有很大的差距，因此更加深入Dev研究ACC系统的控制理论和方法，车辆ACC系统产品的高效性和实用性的开发，将是在这一领域未来的研究方向。目前从国内外ACC系统的应用现状角度来看，应该关注以下技术：

（1）通信技术，包括在车辆间的通信，车辆之间与车辆控制中心的通信等；

（2）多传感器信息融合技术，包括车载雷达传感器测距技术及计算机视觉等信息的融合技术等；

（3）ACC系统和其它车辆智能控制系统的集成技术，如ACC系统与车辆自动启动/停止系统，与前后方车辆防碰撞预警系统，突发事件下的ABS系统的集成等。

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