汽车防碰撞控制系统设计与实现

李占锋

(陕西交通职业技术学院 汽车工程学院，西安 71018)

0 引言

根据交通管理科学研究所所发布的我国近几年的交通事故数据统计，近80%的交通碰撞事故都是由于驾驶员反映不及时所造成的，在人、路、车交通三要素中，人是可知性最差的一个环节，也是不可控的一个要素。当驾驶员发现前方障碍物时为时已晚，造成严重的经济损失与人员伤亡。所以，结合当今先进的科学技术、传感技术以及控制理论，为汽车设计主动避让系统成为科研工作者的热门话题。在发生紧急交通事故时，驾驶员大多采用紧急制动或者安全转向来避免。在汽车智能化发展的趋势下，本文主要以制动及转向避撞为基础，来设置汽车避撞方式决策机制，根据汽车的实际行驶状况来设定合理的避撞模式[1]。

1 国内外汽车避撞控制系统研究现状及特征

运用信息的感知、动态辨识、控制技术等提高汽车的主动安全性，是先进汽车控制与安全系统的主要研究内容，世界各大汽车公司都在开展这方面的研究工作。日本各大汽车制造企业如丰田、本田、三菱等公司，都致力于新型安全汽车技术研究开发并且取得了非常重要的进展。丰田汽车公司使用毫米波雷达和CCD摄像机对车距进行动态检测，当两车距离小于规定值时，将会发出直观的警报信号告知驾驶员。日本汽车公司使用紧急制动劝告系统，利用先进的车距监测系统对车距进行动态监测，当需要减速或者制动时，通过制动灯亮来提醒驾驶员，在最危险时刻会采取自动制动。本田公司使用扇形激光束扫描的雷达传感器，及时车辆在弯道行驶也能检测到本车与前方车辆或障碍物距离，及时发出警告，告知驾驶员。

在防撞雷达系统研究方面，德国的发展起步比较早，通过距离自控雷达的安装，梅赛德斯-奔驰公司的BENZ600S车型可以在车速40 km/h-60 km/h时进行调节，控制与前车之间的距离，降低追尾概率。21世纪初期、日本丰田公司研制了主动安全碰撞环节制动系统CMBS，安装在车上的传感器能够检测到与前车之间的距离，如果存在安全隐患，系统会通过指示灯闪烁来提醒驾驶员，如果距离过小，系统可以自动触发控制信号，产生轻微制动动作，当系统判断无法避免发生碰撞时，会采取紧急制动措施，最大化的降低碰撞损失。2003年丰田公司推出的安全与碰撞系统，通过安装在车头的毫米波雷达，可以探测到前方车辆与自车的距离，准确的预测发生碰撞的概率。工作状态示意，如图1所示。

当存在碰撞危险时，会以声音为信号来提醒驾驶员注意。当存在极大碰撞可能性时，制动系统会进入微制动状态，收紧安全带来提高驾驶员的安全警惕性。当碰撞不可避免时，加大制动强度[2]。美国的汽车防碰撞技术已经相当先进，福特汽车公司开发的汽车防碰撞系统的工作频率为24.725 GHz, 探测距离约106米。据说该系统理论上能根据转弯的角度信息自动适应路面的转弯情况，仅探测本车道内车辆的信息，从而可避免旁车道上目标物的影响。戴姆勒-克莱斯勒公司的防撞结构主要是两个测距仪和一个影像系统，她能够测出安全距离，发现前方有障碍物，计算机能够自动引发制动装置。戴姆勒-克莱斯勒公司的实验结果显示，车速以每小时32.18公里/小时的速度行驶，在距离障碍物2.54 cm的地方停下来。

图1 避撞工作状态示意图

相对于国外先进的汽车避撞控制系统而言，我国在该方面的研究明显落后，2008年，由南京理工大学陈钱教授研发的“激光探测汽车主动防碰撞智能安全系统”研制成功。该系统可以通过激光来获取汽车在行驶过程中的多种交通环境，结合信号分析与处理技术，自动给汽车的执行命令进行控制，当障碍物消失之后，汽车恢复正常行驶。

针对国内外汽车避撞系统的研发来分析，存在一个共性的特点，都是来解决纵向的制动碰撞问题，系统的设计存在一定的局限性。所以在现有控制系统技术的基础上，有必要研究通过专项避让来躲避前方障碍物的防碰撞系统[3]。

2 汽车防碰撞控制系统设计方案

2.1 设计目标

该防撞系统的设计目标为：在安全行驶的情况下，该系统发挥辅助驾驶功能，通过控制车辆的驶进来调节驾驶员的疲劳程度。在危险行驶的情况下，要辅助驾驶员来自动控制车辆进行安全避让，提高车辆的主动安全性。一般情况下，当车辆之间的间距无法满足紧急制动避免碰撞时，要适当采取换道的方式。

2.2 设计思路

本文所设计的汽车防碰撞系统主要考虑车辆的纵向制动以及转换车道两种方式，制定防碰撞方式的决策机制，结合决策指标，来选择行程过程中的正确避撞方式。当存在交通安全隐患，驾驶员不能及时做出反应时，纵向制动避撞系统可以实现自动控制功能，避免或减轻车辆碰撞，当无法躲避前方障碍物时，通过换道的方式来躲避障碍物，避免发生侧向碰撞[4]。

2.3 汽车避撞控制系统结构设计

该汽车避撞控制系统主要由传感器、控制器以及执行器3部分组成。传感器从汽车的自身以及外界来获取信息，例如：汽车速度、加速度、横摆角速度、车辆位置以及与障碍物之间的距离。控制器主要根据传感器所传递的信息来制定汽车行驶路径，制定出相应的控制算法。执行器可以根据外界的交通环境变化将信息反馈给传感器，并且对相应的操作进行执行[4]。避撞系统的技术主要通过以下4个环节来实现：

(1)信息感知

信息感知环节主要通过传感器对车辆自身以及相邻车道获取所需信息，掌握车辆所处的交通环境。

(2)信息判断环节

信息判断环节主要是将信息感知环节所提供的信息传递到中央控制系统，在车载计算机上进行分析处理。

(3)车辆建模环节

关于汽车避撞控制系统的每个环节的实现，都要通过车辆动力学系统的正确描述来完成，并且要考虑车辆与障碍物之间的安全距离与碰撞最短时间等因素，通过建立起汽车动力学模型，来实现防碰撞控制系统的控制功能。

(4)控制系统设计环节

在车辆避撞控制系统建模的基础上，对车辆的转向以及加速度要通过适当的控制算法来控制，控制算法的制定不仅要可要而且要易于实现。

3 汽车纵向避撞控制系统设计分析

3.1 总体方案设计

汽车纵向避撞控制系统的设计首先要确定实现的系统功能。一定要实现在一般交通情况下，自动控制车辆的运行，降低驾驶员的劳动强度，在驾驶员疲劳的情况下，辅助驾驶员安全行驶，降低交通事故的发生。汽车纵向主动避撞系统通过对自车纵向运动状态的合理控制，与前车之间保持安全距离，从而实现系统功能[5]。作为控制系统，总体结构包括传感器、中央控制器、执行器3部分，设计方案，如图2所示。

图2 汽车纵向防撞系统设计方案

为了实现系统功能，首先要获得准确的车辆行车信息，包括自车运行状态，以及与前车相对运动信息，这些信息均由传感器获得，车载雷达是系统中非常关键的传感器，所以该设计方案中使用车载扫描式激光雷达系统获取前方目标信息。汽车纵向避撞系统对车辆纵向运动的控制主要包括加速、匀速以及减速三种，分别通过对车辆发动机节气门开度的控制和制动系统压力的控制来实现，节气门执行器的功能主要是响应中央控制系统的控制要求，实现期望的节气门开度。

3.2 步骤实施

该控制系统的设计主要是通过降低车速的方式来加大两车之间的安全距离。充分考虑车辆以及驾驶人员的安全性以及道路的使用率，主要从以下及方案进行研究：

(1)准确的车辆动力学模型。本文通过虚拟动力学仿真软件构建了具有完整性、精度高的非线性纵向动力学系统模型，通过对发动机特性参数的分析以及制动力与制动轮缸压力之间的关系来建立车辆逆动力学模型[6]。

(2)安全距离模型。该安全距离模型的建立在考虑车头距离、舒适性等元素的基础上，添加了路面附着系数以及驾驶员特性等因素。

(3)控制器设计。控制器的设计采用分层的方法，上层控制器来根据汽车行驶状况来计期望加速度。下层控制器对车辆的动力学系统进行控制，最终实现降低车速。保持安全距离的功能。

纵向汽车防碰撞控制系统由多个子模块共同组成，每个模块负责各自的功能，最终达到避撞目的。本文设计的纵向避撞系统结构，如图3所示。

图3 纵向避撞控制系统结构图

图3中：S表示期望的安全距离，V表示期望的自车速度，A表示期望的自车加速度，B表示下层控制器的控制量，K1表示期望的自车节气门开度，P表示期望的自车制动压力，K2表示自车的实际节气门开度，P2表示自车的实际制动压力，V2表示自车实际车速，A2表示自车实际加速度，W表示发动机加转速，Y表示前车与自车之间的距离。

车辆在正常行驶的过程中，根据前车不同的行驶状态，纵向防碰撞控制系统会对安全状况进行判断，安全距离模型会对安全距离实时计算，当实际车距小鱼安全距离时，分层控制器开始计算，作用对车辆动力学系统，避撞系统会控制节气门与制动器，达到降低车速的目的。

4 转向防避撞控制系统设计

转向防碰撞控制系统主要是辅助驾驶员通过换道路径来进行侧向运动，并且要确保行车的稳定性与舒适性。通过设计转向的控制器来控制紧急换道动作，实现防撞目的。换道防撞控制系统设计主要从以下几方面进行分析：

(1)转向换道动力学模型。该设计主要结合魔术轮胎动力学模型来获得非线性车辆换道模型，以此作为控制系统的基础模型，在控制器中引入动力学模型。

(2)换道最小安全距离模型。车辆进行换道操作的前提是要满足最小的安全距离，本文结合纵向最小距离，分析了基于五阶多项式换道路径的最小安全距离模型，在不同的路面条件下，通过距离判断来分析换道的安全性。

(3)模型预测控制转向控制器。该系统采用模型预测控制转向控制器，根据控制器的计算结果来制定转向控制器，在确保车辆稳定的基础上进行转换车道避撞。

转向避撞控制系统结构，如图4所示。

5 汽车避撞方式决策机制

关于汽车主动避撞控制系统的应用，需要根据当前的汽车行驶状态，来对安全状况进行判断，当出现紧急情况时，辅助驾驶员选择更适合的安全避撞方法[7]。本文所实际的避撞控制系统防撞决策机制基于以下3点考虑：

图4 转向避撞控制系统绝构图

(1)纵向的自动避撞与前车的行驶状态有关，相对来讲操作比较容易，所以当自身车速较低时，可以通过制动来实现避撞，优先选择纵向制动。

(2)如果自身的车速较高，前车一旦进行紧急制动，或者前方出现静止的障碍物时，即使自车以最大的减速度也无法避免碰撞，这时就要采用转向换道来进行避撞。

(3)汽车避撞系统的功能实现主要是依赖汽车行车信息的获取，传感器在避撞系统中占据重要地位，高性能的传感器和控制单元对避撞系统的性能实现至关重要，也是十几装车应用的必经之路。

6 总结

本文的汽车主动避撞系统设计以车辆动力学和智能控制理论为基础，通过对车辆主动避撞系统的基本功能分析，来对纵向制动和转向换道两种避撞方式进行研究。该设计中换道安全距离都是考虑自车与前车匀速行驶的理想状态，较为简单，没有考虑纵向加减速变化的影响，在后续的研究中将针对此方面进行优化与完善。汽车避撞系统作为新兴与复杂的系统，仍有许多问题需要解决，随着汽车主动安全技术、信息技术、传感器技术的不断发展，汽车避撞系统一定能够装载实车，提高汽车的主动安全性，降低交通事故的发生，减少人员伤亡。