汽车主动避撞系统相关技术的调研.docx

汽车主动避撞系统相关技术的调研
电子信息与机电工程学院
08机械3班
梁晓民
200824123306
摘要 汽车工业的高速发展给人类的生活带来了巨大的方便,同时也给人类带来了严峻的交通安全问题。随着社会的进步,各国对交通安全问题越来越重视,以避免事故发生为目的的主动安全技术也成为了各国的研究重点。其中汽车避撞控制系统的研究正成为国内外汽车主动安全领域的研究热点之一。深入展开汽车避撞控制系统的研究对于降低事故发生率、提高交通安全性、减少人员财产损失、促进智能交通的发展方面具有重要意义，同时汽车主动避撞系统敢是车辆实现无人驾驶的关键技术之一。本文对汽车主动避撞的技术思路、系统结构及关键技术进行介绍。
关键词 汽车避撞系统；交通安全；智能交通系统；关键技术

前言
随着汽车保有量的快速增长，道路交通安全问题已经成为各国政府和社会关注的重要问题，也是智能交通系统(ITS)需要解决的重大问题。对汽车主动避撞系统的研究是智能交通系统研究的一个方面，汽车主动避撞系统通过对车辆的减速度进行精确控制，以减少车辆在紧急情况下发生碰撞的可能或减轻车辆碰撞的严重程度，对减少交通事故的发生以及降低事故破坏程度都有十分明显的效果。
美国国家高速公路安全委员会(NHTSA)的调研表明，在道路交通致死事故中，因驾驶员过失造成的约占90％，而因车辆故障造成的仅占约3％[1]。研究表明，借助于主动避撞系统，追尾碰撞降低率可达62％[2]。欧洲的一项研究表明，驾驶员只要在有碰撞危险O．5秒前得到预警，能避免50％的碰撞事故。若在1秒钟前得到预警，则可避免90％事故发生[3]。由此可见汽车主动避撞系统的广阔市场及现实重大意义。
l 汽车主动避撞系统的概念
汽车主动避撞技术是指：利用现代信息技术、传感技术等手段，扩展驾驶员的感知能力，将感知技术获取的外界信息(如车速、其它障碍物距离等)传递给驾驶员，同时在路况与车况的综合信息中辨识是否构成安全隐患，并在紧急情况下自动采取措施控制汽车，使汽车能主动避开危险，保证车辆安全行驶，从而减少交通事故，提高交通安全性[4]。
2 汽车主动避撞系统的功能
避撞系统的工作过程可分为3部分：(1)当车辆正常行驶时，汽车主动避撞系统不停地对车辆行驶的安全程度进行计算，如判断为安全状态，避撞系统无任何动作，不干扰正常驾驶，同时驾驶员可以随时选取适合当前环境的模式进行车辆的自动控制；(2)当系统判断为危险状态时避撞系统会首先自动关闭油门，此时若驾驶员尚未采取相应的动作，则系统将自动控制车辆制动和转向，并调用其他相关控制系统(如ABS、车身稳定性控制程序ESP等)，使车辆远离危险的同时保证自车的安全，一旦车辆回到安全的行驶状态或驾驶员采取了控制动作，系统对车辆的控制将自动解除，回到正常行驶状态；(3)当系统判断为危险无法避让时，除采取远离和减少危险的控制外，还将根据危险程度的大小和障碍物的类型(车辆、行人或者其他障碍物)，选择合适的被动安全(如乘客保护甚至行人保护措施)控制策略[5]。典型的汽车主动避撞系统工作过程如图1所示[6]。

汽车主动避撞系统具备环境探测与辨识功能、事故预测及险情判定功能、自动控制与执行能力，通过障碍物距离检测、控制策略选择、汽车油门、刹车和转向控制系统等，完成上述的预警及控制功能。要实现上述功能，系统至少应包含以下几个功能模块[7];(1)行驶信息感知模块，主要由各种传感器构成，不断获得车辆行驶的信息(如到前方障碍物的距离及相对速度信息、自车速度及加速度信息等)，并将这些信息提供给处理装置进行处理；(2)中央处理器，将采集的各种行车信息进行处理，依据预先设定的程序及算法进行计算，估计是否存在危险，并在危险的情况下向执行器发出指令；(3)控制执行器模块，接受来自控制器的命令，执行相应操作，实现车辆的减速及制动。
汽车主动避撞系统大体有三种类型，第一种是针对减轻车辆碰撞危害的车辆主动避撞报警系统，此系统对探测到的危险情况给出警报；第二种是针对主动避撞的车辆自适应巡航控制系统，此系统车辆可以实现简单交通情况下的主动避撞及巡航控制；第三种是针对复杂交通情况，特别是市区交通环境的车辆智能控制系统。就是将第二种系统辅以车辆停走系统，提高车辆智能控制的实用性[8]。
目前研究开发的汽车主动避撞系统有以下3种类型：(1)车辆主动避撞报CWS(collision warning)系统，它是针对减轻车辆碰撞危害研发的，此系统对探测到的危害情况给出警报，美国已经在一些重型载货车和公交车辆上实现商用[9-10]；(2)车辆自适应巡航控制ACC(adaptive cruise contr01)系统，其主要目的是主动避撞，安装此系统的车辆可以实现简单交通情况下的主动避撞及巡航控制，一些汽车公司在高档车型上已经开始采用ACC技术[11]； (3)复合型车辆智能控制系统，该系统针对复杂交通情况，特别是市区交通环境，采用ACC系统辅以车辆停走(stop&go)系统[12]，提高车辆智能控制的实用性。相对于ACC系统，停走系统由于交通环境的复杂和系统对硬件的要求苛刻，系统实现的难度更大。
3 汽车主动避撞系统关键技术
3．1 信号采集与处理系统
汽车行驶中的信号采集与处理采用的是车辆行驶信息感知和融合技术[7],它是利用安装于汽车上的各种传感器，实时地对车辆运行参数进行检测，并通过必要的信号处理及信息融合来获得车辆的行驶信息。所用的传感器主要包括：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、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。最基本的是距离测量传感器。
1)距离探测。
准确地探测车间距离是避撞系统的基本技术支持。常用的车载距离传感器[13]（见表1）有超声波、雷达、激光传感器、视频成像系统等，传感器必须能够适应各种交通环境，及时准确地为系统提供数据。雷达探测能较好的满足这要求。在考虑环境因素的时候，毫米波雷达最为常用。同微波雷达相比, 毫米波雷达的缺点是作用距离近, 大气传输损耗较大。车载条件下, 作用距离不需要很远(150m 内) , 故发射机的输出功率不需要很高, 但要求有很高的距离分辨率(达到米级) , 同时要能测速, 且雷达的体积要尽可能小。因此在车载条件下, 毫米波比微波更具有优越性[14]。激光雷达与微波及毫米波雷达相比，具有体积小、波束窄、成本低、无电磁干扰、距离及位置探测精度高的优点。而1．55 m近红外激光雷达具有人眼安全及较高的大气透过率[4] 。
(1)最大探测距离。最大探测距离由为避紧急刹车带来的碰撞而应保持的车间距离决定。研究表明，在潮湿路面上，自车以100 km／h的速度行驶时探测到前方有障碍，在不发生碰撞情况下停下来，最大探测距离应为120 ITI。
(2)测距方法。通常有时间一飞行法、相位法、调频法、脉冲压缩法等。考虑到中近距离作用路程这一特点，通常采用相位法测距，距离d与相位 关系为：d：cA~／2 (1)式中：△ 为回波信号相位延迟；c为光速；Jr为光强调制频率(根据距离测量精度的要求确定)。
(3)激光雷达扫描系统。激光二极管(LD)经注入式电流调制发出正弦幅度调制的激光束，由发射透镜变成满足要求的光束形状，再用扫描转镜实现水平扫描，向空间发射，照射到前方车辆和障碍物上。由目标反射回来的光从扫描镜经接收光组聚到雪崩管(APD)上，变成电信号。该电信号经低噪声放大、自动增益控制电路(AGC)进入鉴相器。利用一部分反射光落在一维位置探测器(PSD)的位置，测定扫描光束角度。其工作原理如图2所示。

表1

2)信息的提取与处理。
从雷达直接获得的目标信息是方位角0、距离d，为去除信号中的随机误差，须对原始数据进行处理后，方可在系统计算中应用。还要应用雷达目标物有效性识别算法区分出目标物是处于对向车道、本车道或临近车道，判断目标物是处于静止、匀速运动还是减速运动状态，以及从距离信息中比较准确地提取出车辆间的相对速度以及相对加速度信息。实践证明Kalman滤波算法处理雷达信号能收到良好效果。通过算法得出的数据来对车辆的安全或危险状态进行识别，从而输出报警信号或通过车辆控制电路去控制车速或制动。在识别时，首先要确定当前的行车安全距离，建立不同情况下的报警算法。报警算法的建立，需要考虑实际交通规则、交通习惯、驾驶员特性等多方面因素。图3为避撞系统报警系统结构图[8]。

（1）车头时距算法
车头时距算法可利用以下公式：
式中， 为驾驶员感觉危险须报警的距离；Vc为本车车速； 为一定的车头时距，一般采用1～ 2秒比较适宜，是适当停车距离。
（2）驾驶员预估模型算法
驾驶员预估模型算法是根据驾驶员预估行为确定安全距
离的方法。可以利用下列公式：
式中， 为驾驶员感觉危险须报警的距离；为初始相对速度；为前车减速度； 为极限距离。
3.2控制系统
1)控制系统的组成及其核心技术。车辆控制系统是避撞系统的核心。主要由3个子系统组成：油门控制系统、制动控制系统和转向控制系统，其系统功能，系统逻辑如图4、5所示。

(1)油门控制系统根据车辆与障碍物的距离、两者的相对速度和加速度，对处于警戒距离和危险距离内的障碍物给出提示或警告信息，并根据一定的控制策略驱动油门控制装置，采取一定的减速和限速措施。
(2)刹车控制系统对障碍物在车辆的危险距离之内时，在驾驶员没有或来不及反应时及时采取减速停车措施。
(3)转向控制系统使汽车在警戒和危险距离之内时，使车辆根据一定的控制策略自动地采取转向避让措施。整个系统以车辆与障碍物的距离和相对位。
2）控制方法
目前，汽车主动避撞控制方式主要有上位控制和下位控制。其控制系统结构如图6所示。

图6 汽车主动避撞控制系统结构
前者由安全距离出发，从运动学的角度应用控制算法获得当前情况下车辆应当具有的减速度等；后者从上位控制算法确定出的车辆目标减速度等目标参数出发，结合车辆制动系统模型，应用控制算法，实现对节气门、制动、转向等精确控制，实现上位控制要求的目标，保持车辆的安全距离[15]。当前国内外汽车主动避撞系统的研究绝大多数集中在避撞系统的纵向控制，其控制系统如图6所
示。

图7 汽车产主动避撞系统纵向控制系统
国外已有学者给出较好的纵向上位控制器模型[16]，系统模型的输入为驾驶员特性参数、基本环境信息、目标车信息和自车的各种传感器信息，并对下位控制系统传递控制指令。控制算法有模糊控制和神经网络控制[17-18]，适合于非线性目标的滑模控制算法[19]和Back．stepping方法[20]。PID和LQ等控制方法也得到了应用。
由于基于以上方法的上位控制器大多数以提高系统某一性能为目标，未能使控制精度和响应时间都得到改善。为此，文献[7]、文献[21] 设计了基于混合控制策略的上位控制器，结合了LQ方法和时间一能量最优两种上位控制方法的优点。理论分析和仿真试验结果表明，该方法在满足辅助驾驶系统对安全性和驾驶舒适性要求的同时，缩短了系统的响应时间。
4 不足之处与发展趋势
4.1 不足之处
现有的汽车主动避撞系统在设计时存在多方面的考虑不足：只考虑一般情况下的行车状况，而忽略了特殊情况下的主动避撞，比如在超车情况下如何更好地做到主动避撞，在避无可避的情况下如何去进行有效的控制措施等；在模型的控制器设计方面应该对不同的驾驶员的驾驶特点进行考虑，制造出更为合理的控制器，以满足主动避撞系统的性能要求的同时又能不同的驾驶员都能适应；在研究和试验的方法上，目前的研究主要停留在控制理论模型的建立和逻辑结构完善等方面，国内的研究更是刚刚起步，存在着理论模型试验验证困难的问题，驾驶员模型的建立更难。美国Lowa大学利用国家先进驾驶模拟器(NADS)，将驾驶员模型与汽车模型相结合在主动避撞方面做了大量研究[22-24]，为汽车主动避撞系统的试验研究提供了新途径。
4.2 发展趋势
目前的汽车主动避撞系统都是以避开车辆为主，如今社会车撞人的事故屡见不鲜，在我国，行人的车辆交通事故死亡比例高达26％[25]。所以在系统的研究方面应该朝主动避让行人、集成化、智能化和提高其准确操作率等方面努力。
5 结语
汽车主动避撞系统是智能交通系统(ITS)中的一个亮点，同时它对智能车辆行驶安全保障及常规车辆安全辅助驾驶有着深远的意义。我国在这方面所取得的成果与发达国家有一定的距离，所以我们应该加大这方面人才的培养，争取在未来的汽车行业中能占有一席之地。

参考文献：

[1] Kyongsu Yi，Mitmu Woo，et a1．An Experimental Investigation of 8CW／CA System for Automobile Using asrdwsle in the Loop Simulation[R]．Proceedings of the American control conference，SanDiego，California，1999．
[2] 严志铭，杨均忠．汽车纵向主动避撞系统技术的应用探讨[J] ．机电工程技术，2006，（78）
[3] 朱金光．汽车主动避撞系统相关技术[J]. 四川职业技术学院学报. 2007, (112)
[4] 屠大维．用于车辆防撞控制的行车环境传感研究[J]．中国机械工程，1999，(10)
[5] 晓琳,冯广刚,杨济匡. 汽车主动避撞系统的发展现状及趋势. 汽车工程,2008,(285)
[6] 王京元，王炜，程琳．汽车主动避撞系统关键技术研究[J]．交通与计算机，2004(4),33-36
[7] 王跃建，侯德藻，李克强，等．基于ITS的汽车主动避撞性关键技术研究(一)．汽车技术，2003(3)：3～8
[8] 德藻，李克强，郑四发，等．汽车主动避撞系统中的报警方法及其关键技术．汽车工程，2002，24(5)：438—444
[9] Won J D．Radar Based Adaptive Cruise Control for Truck Applications[J]．
SAE Paper 973184．
[10] Patrick Joseph Glynn，et a1．Collison Avoidance Systems for MineHaul Trucks and Unambiguous Dynamic Real Time Single ObjectDetection[D]．Australia：Griffith University，2005．
[11] Preatl W，Sauer T，et a1．The BMW Active Cmise Control ACC[J]．SAE Paper 2000一01—0344．
[12] Venhovens P，Naab K，Adiprastito B．Stop&Go Cruise Control[J]．Automotive Technol，2000，l(11)：61—69．
[13] 李斌, 王荣本等. 高速公路智能超车系统设计. 北京: 中国首届智能交通系统设计大赛论文集, 20001
[14] 王荣本, 李　斌, 储江伟, 郭克友. 世界智能车辆行驶安全保障技术的研究进展. 公路交通科技. 2002(11-12). 02-0117-05
[15] Vahidi A，Eskandarian A．Research Advances in Intelligent ColfisionAvoidance and Adaptive Cruise Control[J]．IEEE Intelli—gent Transportation Systems，2003，4(3)：143—153．
[16] Ioannou P，Raza H．Vehicle FoHowing Contml D∞igu for AutomatedHighway Systems[R]．IEEE Vehicular Technology Conf，Phoenix，AZ，1997．
[17] Lin C H，Wang L L．Intelligent Collision Avoidance by FuzzyLosic Control[J]．Robotics and Autonomous Systems，1997，20(1)：61—83(23)．
[18] Chnkroborty P，Kikuchi S．Evaluation of the General MotorsBased Car-following Models and a Proposed Fuzzy Inference Model[J]．Transport．Res：EmergingTechnologies，1999。7(4)：209—235．
[19] Gerdes J，Hedrick K．Vehicle Speed and Spacing Control Via CoordinatedThrottle and Brake Actuation[J]．Control EngineeringPractice，1997，5(11)：1607—1614．
[20] Lu X，Tan H，et a1．Nonlinear Longitudinal Controller Implementationand Comparison for Automated Cars[J]．ASME J．Dyn．Syst．，Mees．，Contr．，2001，123(2)：161—167．
[21] Liang C，Peng H．Optimal Adaptive Cruise Control with GuaranteedString Stability[J]．Vehicle System DyIlamic8．1999，32(4&5)：313—330
[22] Lee J D，McGehee D V，et a1．Collision Warning Timing，DriverDistraction，and Driver Response to Imminent Rear end Collisionsin a High—fidelity Driving Simulator[J]．Human Factors，2002，44(2)：314—334．
[23] McGehee D V，Brown T L，Lee J D，et a1．The Effect ofWarningTiming on Collision Avoidance Behavior in a Stationary Lead·ve—hide Scenario[J]．Transportafion Research Record，2002，18(03)：1—7．
[24] Lee John D，et a1．Can Collision Warning Systems Mitigate DistractionDue to In—Vehicle Devices[z]．Cognitive Systems Laboratory．
[25] Yang J K，Otte D A Comparison Study on Vehicle Traffic Acci—dent and Injuries of Vulnerable Road Users in China and Germany[R]．The 20th ESV Conference，in Lyon，France，2007．