前向避撞预警系统的研究

2017-04-15

福建质量管理 2017年17期

(辽宁工业大学辽宁锦州 121001)

前向避撞预警系统的研究

孟鑫李兴峰

(辽宁工业大学辽宁锦州121001)

交通事故引发的人员伤亡和财产损失使得道路交通安全问题成为一个日益严峻的社会课题，基于毫米波雷达的主动安全技术能够避免交通事故的发生，其中汽车前向避撞预警系统正成为国内外主动安全研究的热点，深入展开汽车避撞预警系统的研究对于降低事故发生率，减少人员财产损失，促进智能交通的发展具有重要意义。

毫米波雷达；主动安全；避撞预警；智能交通

一、引言

车辆主动安全技术就是在交通事故发生之前，通过相关主动安全设备对驾驶员进行警示，实时提醒驾驶员车辆所处的交通环境和潜在危险，当事故将要发生时，控制系统临时操纵制动系或转向系，防止事故的发生。近年来随着电子、通信及信息技术的长足发展，主动安全技术已取得飞速进步，常见的主动安全设备有ABS、EBD、ESP、避撞预警系统(CWS)、TCS、自适应巡航控制系统(ACC)、车道偏离预警系统(LDWS)、自动泊车系统等。但想要从根本上降低道路交通事故发生率，防撞预警系统的研究就显得尤为重要。

二、汽车避撞系统的关键技术

汽车主动避撞系统关键技术资料显示，有70%～90%的交通事故是由于驾驶员操作失误所致。如果能够在事故发生前提醒驾驶员注意并在紧急状况下帮助驾驶员采取安全措施，对减少交通事故的发生无疑是非常有用的，汽车主动避撞系统正是实现这一功能的技术手段。汽车主动避撞系统利用现代信息技术、传感技术来扩展驾驶人员的感知能力，将外界信息(如车速、其它障碍物距离)传递给驾驶人员的同时综合利用路况与车况信息，判断车辆当前运行状况的安全程度，在紧急情况下能自动采取措施控制汽车，使汽车主动避开危险，保证车辆安全行驶或最大可能的减小事故的伤害程度。汽车具备了这样的主动安全性，才可能从根本上减少交通事故，提高交通安全。

汽车纵向主动避撞系统作为一个复杂的控制系统，其结构与普通的控制系统结构相同，由传感器、控制器和执行器三部分组成。传感器的功能是准确、快速的测量车辆运行状况及交通环境信息。控制器依据传感器提供的信息和预先设定的参数、算法，进行车辆当前安全状态的判断，并依据控制算法计算结果向执行器发出控制命令。执行器接收控制器的控制指令，按照期望的方式实现对车辆的控制操作。为实现主动避撞的功能，汽车纵向主动避撞系统包括以下几项关键技术：信息感知，安全状态判断，控制执行技术。

(一)信息感知

车辆行车信息感知及处理就是利用安装于汽车上的各种传感器，实时的对车辆运行参数进行检测，并通过必要的信号处理获得准确、可靠的行车信息。汽车纵向主动避撞系统用到的传感器主要包括：车间距离测量传感器、车速传感器、节气门位置传感器、制动踏板、加速踏板及离合器动作传感器(自动变速器车辆无需离合器动作传感器)、车辆加速度传感器、发动机转速传感器以及制动油压传感器等。在这些传感器中，车间距离测量传感器是主动避撞系统特有的，国内外对前向避撞系统行车信息感知及处理的研究集中于车间距离测量传感器的研制及测量信号的处理方面。

(二)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前向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前向避撞系统性能有重要影响。

总结现有的安全距离模型，具有代表性的有以下三种：

(1)基于制动过程运动学分析的安全距离模型。典型的车辆制动过程描述为：驾驶员识别前方交通情况，意识到应进行紧急制动，将右脚移动到制动踏板并紧急制动，直到车辆停止。

(2)基于车间时距的安全距离模型。车间时距是交通工程中的一个概念，表示车间距离与车辆速度的比值。实际交通条件下，在车辆以较小的相对速度跟随行驶时，驾驶员保持的与前方目标车辆间的距离与自车速度有一定的线性关系，基于车间时距的安全距离模型就是建立在这种现象基础上，其安全距离计算公式为：

D=vc*t+d

其中，vc为自车速度，t表示驾驶员车间时距，一般取值为1.2～2.0s;d为一常数，一般取值1～5m。

(3)驾驶员预瞄安全距离模型。实际行车时，驾驶员总是要对车辆的运行进行一下预测，以决定当前的操作，日本的研究人员以这种行为为基础建立了驾驶员预瞄安全距离模型。

驾驶员预测ts后车间距离，将此车间距离与驾驶员认为的界限车间距离d0进行比较，如认为ts后车间距离将小于d0，则在现在时刻即制动，此时的车间距离值就是驾驶员期望保持的最小车间距离，定义为以驾驶员主观感觉为依据确定的安全距离，表示如下：

D=-t*vrel-(af*t^2/2)+d0

其中，vrel表示相对速度，af为前车加速度，d0表示驾驶员期望保持的最小车距。

(三)控制执行技术

汽车辆动力学控制是实现汽车前向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，实现前向避撞系统所定义的功能。

国内外关于车辆纵向动力学控制方面的研究开始的较早，到现在已经获得了许多实用化的研究成果。按照控制功能实现方法的不同，可以将与汽车前向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目的，控制器的输入量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节气门开度，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。